大跨度刚构桥常见病害的研究

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关键词:跨中下挠;腹板开裂;水平底板索;水平横隔板+内衬混凝土

近年来随着我国交通事业的大力发展，一些新材料、新工艺的不断出现，桥梁的跨径越来越大，在100m～300m跨径范围内，连续刚构桥已成为最主要的竞争桥型。但从近30年来的运营情况来看，预应力混凝土连续刚构桥的发展遇到了瓶颈，出现了一些病害，影响桥梁的正常使用。比较突出的问题有:上部结构自重大、跨中持续下挠、腹板开裂等，这些问题严重限制了该类型桥梁在大跨度领域的进一步发展。针对以上问题，国内外研究人员都做了大量的科学研究，其中波形钢腹板技术的引入是一项重要的改进措施。波形腹板连续刚构桥能明显减轻上部结构自重，增大桥梁跨径，提高结构抗震性能，彻底解决混凝土箱梁腹板开裂问题，但是目前波形腹板桥梁仍存在一些设计上的缺陷，随着跨径的增大，箱梁根部截面高度会越来越大，波形腹板屈曲稳定问题显得尤为突出。波形腹板连续刚构作为连续刚构桥的改进型，同样具有连续刚构桥跨中持续下挠的问题，传统的刚构桥底板钢束沿底板呈曲线布设，张拉预应力时，钢束会产生向下的径向力，该力是刚构桥产生下挠的主要原因。针对以上问题，在什川黄河大桥设计中进行优化，提出一些改进措施，确保桥梁长期运营安全。

1工程概况

G30连霍高速公路清水驿至忠和段扩容改造工程是甘肃省高速公路网的重要组成部分，也是兰州市绕城高速的重要组成部分，东与连霍国家高速相接，西与京藏国家高速和机场高速相接。项目建成通车后，对现有柳忠高速定远至忠和段将重新确定其功能，部分路段将并入市政道路，从而缓解现有兰州城区交通压力;且将分流现有高速公路兰州出入境交通和过境交通，缓解出入境及过境交通对现有道路及高速公路的交通压力，大大提升兰州座中四联的区位条件所具有的集聚辐射能力，为旅游业发展提供便利条件;改善沿线各区县的投资环境，推动经济活跃带状区域的形成;对推动全省的经济发展和方便周边省(区)相互往来具有十分重要的意义和作用。什川黄河大桥是G30连霍高速公路清水驿至忠和段扩容改造工程的重点、控制性工程，大桥位于什川镇小峡水电站上游8km黄河峡谷内。里程桩号YK33+275/ZK33+255，桥位处路线跨黄河地形、地貌见图1。

2设计方案

本桥采用主跨160m波形钢腹板连续刚构方案跨越黄河，不设引桥，东侧接大河坪隧道、西侧接上河坪隧道。1)总体布置。K33+275什川黄河特大桥桥跨布置为(90+160+90)m，桥梁为三跨波形钢腹板预应力混凝土连续刚构桥，全长350m。桥梁主梁采用单箱单室变截面波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁，主墩采用双肢实体墩，下部基础采用承台接群桩基础，桩基按钻孔灌注桩设计，主桥总体布置见图2。2)主梁构造。上部结构主梁采用单箱双室波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁，箱梁按2．8m，3．2m和4．8m梁段长度分段;箱梁顶板宽16．75m，底板宽9．75m;支点梁高11．0m，跨中梁高5．0m，跨中至15号截面(长21．6m)为等梁高段，15号截面向墩顶按1．5次抛物线规律变化。箱梁跨中至15号截面底板厚度35cm，支点底板厚度150cm，底板厚度由15号截面向支点按1．5次抛物线规律变化。12号～15号截面为底板加厚段，箱梁梁端(跨中)～12号截面底板索布置梁段底板上缘平行桥面。0号～3号梁段为预应力混凝土，4号～11号梁段为钢－混凝土组合腹板外，其他节段腹板均为波形钢腹板，波形钢腹板钢材为Q345qD，波高22cm，钢板厚25mm～16mm，其形状按1600型采用。0号梁段箱梁腹板采用110cm，1号梁段箱梁腹板采用100cm～80cm，2号及3号梁段箱梁腹板采用80cm。箱梁混凝土采用C60高强混凝土，标准横断面见图3。波形钢腹板与混凝土顶底板的连接采用嵌入式连接方式。波形钢腹板与横隔的连接采用开孔钢板剪力键连接。波形钢腹板的各节段之间选择了重叠贴角焊接形式，为焊接方便，连接处设计了M22普通螺栓临时连接。钢－混凝土组合腹板，混凝土仅在于加强波形钢腹板抗剪能力和稳定性，其自身抗剪力作为安全贮备，混凝土与波形钢腹连接采用栓钉连接。3)桥墩及基础。桥墩采用双薄壁墩，墩壁厚度为1．8m，横向宽度为9．75m，墩壁中心间距6．0m。桥墩采用扩大基础与刚性桩组合基础，基础平面尺寸为15．2m×11．2m，基础厚度为5．5m;刚性桩桩径为2．0m，桩基横向中心间距6．0m，纵向中心距4．0m。若桥墩采用扩大基础也可满足竖向和水平承载力要求，但本桥位于高震区，为提高基础的嵌固效果，采用群桩基础以抗滑、抗倾覆。

3针对常见病害的改进设计

3．1主梁跨中下挠

1)主梁下挠特征。主梁下挠的主要特征:挠度随着时间不断增加，增加速度表现为加速、减速、匀速的变化趋势;结构长期荷载作用下挠度的最大值远大于设计值。表1列出了全球范围内一些大跨度连续刚构桥下挠情况，从表1中可以看出，我国同期建设的桥梁普遍存在主梁跨中下挠问题，间接证明大跨度连续刚构桥设计中存在问题，需要进一步优化改进设计方案［1－2］。2)原因分析。跨中持续下挠的影响因素归纳起来有:混凝土由于取材以及配合比的特殊性，对其收缩徐变特性认识不足，实际发生的收缩徐变大大超出设计预期，导致结构下挠过大;预应力束的布置方式不合理以及对预应力的实际损失估算不合理，导致混凝土拉应力过大;管道灌浆不饱满，预应力筋锈蚀，发生失效或部分失效;施工超方导致横中计算不足;运营期间超载，产生结构性不可逆转损伤。对设计而言以上原因最主要是跨中预应力钢束布置不合理，钢束产生径向力，导致跨中持续下挠，径向力力学模型见图4。归结到底，箱梁跨中产生下挠主要原因是:主梁弯矩包络图的形状和底板索形状相反，底板索不合理引起的径向力引起的。3)解决方案。根据以上分析，径向力产生跨中弹性下挠相当大，为消除跨中下挠，宜先消除径向力。故本文提出跨中设置水平底板索的设计方案，即将传统的沿底板布设的曲线预应力束调整为水平向布设的底板水平预应力束，水平底板束布置图见图5。直线拉索后，无向下的径向力，跨中不再产生由于预应力的布设而产生的跨中下挠。

3．2腹板开裂

1)原因分析。腹板斜裂缝为结构受力性能裂缝，危害大，其主要原因有:竖向预应力张拉、锚固工艺控制不好，预应力损失大，导致腹板出现较大的主拉应力;部分梁体腹板未设置腹板弯下钢束，导致腹板自身抗剪能力不足;其次腹板厚度不足，或者尺寸全桥不协调，受剪箍筋配置不合理或过少，导致抗剪能力不足;施工质量控制不够好，混凝土振捣不密实，养护不到位。2)改进措施。为避免本桥产生腹板开裂的病害，设计中采用波形钢腹板代替传统的混凝土腹板，这样做不仅减轻了上部结构自重，提高了结构的抗震性能，也消除了腹板开裂的病害风险。但是采用波形钢腹板，会带来新的问题，随着桥梁跨径的增大，梁截面也随之变高，梁根部波纹钢腹板自由长度也变大，腹板屈曲稳定问题较为突出，为此本桥设计提出，设置内衬混凝土+水平隔板的设计方案，水平隔板的设置可以减小波形腹板的自由长度，增大其抗屈曲稳定的性能，内衬混凝土+水平隔板布置见图6［3－4］。

4结论

对大跨度连续刚构而言，结构自重占结构承载力的70%以上，减轻结构自重能大大提高结构承载力，进一步增强结构跨度。故对大跨度刚构桥，推荐采用波形钢腹板替代传统混凝土腹板，波形钢腹板连续刚构既能提高预应力导入度，又能解决箱梁根部腹板开裂问题。针对连续刚构跨中持续下挠问题，提出的设置水平底板索，可从根源解决跨中下挠问题。针对波形钢腹板屈曲问题，提出的设置水平隔板+内衬混凝土组合方案，可确保梁根部腹板不屈曲。以上措施的实施，既增大了传统连续刚构桥的跨径，又解决了常规混凝土连续刚构桥常见病害，适合在后续项目积极推广应用。

参考文献:

［1］中华人民共和国交通运输部．公路桥涵设计通用规范:JTGD060—2015［S］．北京:人民交通出版社，2015．

［2］中华人民共和国交通运输部．公路桥涵地基与基础设计规范:JTG3363—2019［S］．北京:人民交通出版社，2019．

［3］中华人民共和国交通运输部．公路涵洞设计规范:JTG/T3365－02—2020［S］．北京:人民交通出版社，2020．

［4］吴国孙．底板索水平布置的预应力混凝土变截面箱梁桥:200620129482．X［P］．

作者:常亚林 单位:甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司