先简支后连续刚构桥的研究

先简支后连续刚构桥的研究

背景：京珠国道主干线广州至番禺段高速公路新洲互通立交桥，上部构造采用预应力工字量，先简支后连续刚构，四跨一联，下部构造为柱式墩、钻孔灌注桩或钻孔灌注嵌岩基础，桥梁总长4208.8m。作者一新洲互通立交桥为工程背景，对先简支后连续刚构桥进行了研究，提出了温度内力随桥墩墩高的变化规律；分析了运营阶段，温度变化、混凝土收缩、徐变、支座沉降对结构内力的影响；并提出了设计中应采取相应的措施。

先简支后连续刚构桥主要构造：
1、上部构造：预制构件与装配式简支桥梁构件相似，但可视主梁间距少设甚至不设中横隔板，预制主梁靠近现浇连续段的端部与桥梁不同，要注意预埋纵向连续钢筋和横向连接钢筋，及梁底预埋钢板。当现浇连续段采用预应力钢束时，注意预埋后期张拉的预应力束道及齿板构造。预制梁横断面可采用：普通空心板、大孔空心板，T形梁、I形梁或短翼T梁、倒T形梁、π形梁、箱形梁等。新洲互通立交预制梁采用I形梁。
2、支承梁当设固结墩时，在预制构件安装阶段，其功能与帽梁作用相同，当形成连续结构后，支承梁转化成上下部构造的组成部分。一般采用现浇钢筋混凝土构造，固结在墩柱上。支承梁可分为明式支承梁、半隐式支承梁、隐式支承梁、无支承梁等四种型式。新洲互通立交桥采用明式支承梁。
3、现浇连续段：即作为两跨预制构件的连续段，又在形成连续结构后，与支承梁、预制端横隔板一起组成上部构造的刚性端横隔梁。要求施工时将它在纵、横、竖三个方向与主梁及支承梁可靠结合。现浇连续段的纵向钢筋可考虑采用普通钢筋或预应力钢束，采用普通钢筋具有操作简便而且不影响主梁已有的正弯矩钢束预应力效果的优点。
4、现浇桥面板：是预制构件的整体化结构，它加强了装配式T形梁、I字梁或分体式小箱梁的横向联系和抗扭刚度，加强了预制横隔板的功能，且用以布置桥跨负弯矩受力钢筋或钢束。
5、墩柱：与一般简支梁桥相似，因计算时可考虑按一联桥墩的抗推刚度分配的共同受力作用，所以尺寸可取得相对轻巧，但要考虑施工时裸墩的稳定性。
6、桥面铺装、防撞护墙、桥头搭板、桥梁墩台基础及其他桥梁附属构造如支座、伸缩缝及防、排水构造，先简支后连续刚构桥均与其他型式的桥梁类似。

影响内力因素分析：
先简支后连续刚构桥属于超静定结构，墩的高度、温度变化、混凝土收缩和徐变、支座沉降等对结构内力都有较大的影响。在新洲互通立交桥设计过程中，对以上问题进行了分析计算。
1、桥墩高度对温度引起的内力的影响。选取28米、21米、14米等三种不同的桥墩高度，分析了由温度引起的结构控制断面的内力及应力。计算时取桥梁的成桥状态为研究对象，不考虑汽车活载、桥梁自重等其他荷载的影响，仅考虑由于温度变化而引起的结构内力。另外，仅考虑温度升高20度工况。分析结果表明：随着墩高的降低，由温度引起的主梁弯矩在边跨跨中由负弯矩变为正弯矩，中跨跨中无明显变化，在桥墩处负弯矩变大，而桥墩顶的正弯矩逐渐变大。这符合弯矩按刚度分配的原则，桥墩越矮，刚度就越大，分配的弯矩就越多，相应主梁在桥墩处的负弯矩变大以平衡墩顶正弯矩。墩越高，由温度变化引起的弯矩变化对墩顶的受力越有利。因此，当设置高墩受限制而不得不采用矮墩时，造成内力分布不均，矮墩或次边墩内力分配较大，在新洲互通立交桥设计过程中，采取了以下方法：1）减短一联的连续长度以减小温度变化时墩顶强迫水平位移；2）在受力较大的边墩上设置滑板支座，以削弱变形约束，释放弯矩；3）尽可能减小矮墩或边墩墩顶现浇连续段顺桥向的尺寸，以降低边墩与主梁刚结点的刚度，达到减小该墩的内力的效果。这种做法具有施工简便，全桥结构体系和外观一致的优点，但由于构造方面的原因，连续段尺寸不能减得太小，因此采用这种方法内力降幅不很显著；4）减小矮墩或边墩的截面尺寸；5）在现浇连续段时，在主梁与桥墩连接处设置混凝土铰，此处钢筋布置成铰状，以有利于主梁和桥墩之间的微小转动，以此来减小温度变化对结构内力的影响。
2、温度变化、混凝土收缩和徐变、支座沉降对结构力的影响。为分析温度变化、混凝土收缩、徐变、支座沉降等对结构内力，以及运营阶段就（各荷载效应的系数均取1）结构的最大内力。分析结果表明：运营阶段最大正弯矩在边跨跨中处，中跨跨中的正弯矩稍小于边跨跨中处的值。连续现浇段是先简支后连续刚构桥的薄弱环节，此处负弯矩和剪力都较大。同时，温度变化对墩顶弯矩的贡献很大，约占总弯矩的33%；支座沉降对主梁在桥墩处的断面的弯矩影响较大，约占总弯矩的25%；混凝土收缩对墩顶的玩具影响较大，约占总弯矩的18%；混凝土徐变对主梁各断面的弯矩影响均较以上所述项目大，约占25%，尤其对主梁在桥墩处的断面的影响占主导，在总弯矩中的比例达到80%。

现浇连续段设计：作为钢筋混凝土受弯构件的一种，现简支后连续刚构桥的现浇连续段的配筋计算在设计中一般均按《公路桥规》中所规定的承载能力极限状态进行强度验算和正常使用极限状态的变形验算的裂缝宽度进行验算，通过限制结构的裂缝宽度来进行抗裂控制。由于构件直接与桥面接触，即使在宽度限值以内的裂缝也难以避免桥面水的入侵，从而使结构的耐久性降低，如果在现浇连续段采用特殊材料加强桥面排水构造以阻止桥面水的下渗，或采用掺加有某些添加剂的微膨胀混凝土的浇筑连续段以消除一定的收缩和受力裂缝，将使得普通钢筋混凝土现浇连续段的适用范围得到一定的扩展。在新洲互通立交桥设计中，现浇桥面连续段C40膨胀混凝土，效果较好。当然，现浇连续段也可考虑采用预应力混凝土现浇连续段大都采用后张法，即在预制梁顶或在现浇桥面板设置预留槽（一般均采用扁锚），当现浇连续段达到一定强度后进行预应力张拉，而后封锚浇筑桥面和其他附属设施。由于这部分的预应力是在后期施加的，因此它对先期张拉的预制构件中的正弯矩钢束有一定影响，而且它还会对结构产生附加反力从而导致次内力的产生。

施工中的裂缝控制：在恒载和活载 共同作用下，现浇连续段处的弯矩为负弯矩，上缘拉应力较大，容易产生裂缝。故现浇连续段的裂缝控制尤为重要，因此设计及施工均要引起重视。施工时要等到现浇连续段达到混凝土龄期之后才能拆除辅助支架。
1、制定合适的允许温度。温度裂缝主要原因是多种温差太大，所以必须控制各种温差值，包括内外温差，内部温差和温度陡降的容许值，这些可根据工程实践结合理论确定。温度陡降会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，这种情况往往主要是因为外部环境温度的变化，它产生的温度应力形成较快，而变形属于徐变，变化较小，所以温度陡降的容许控制值应比内外温差小得多。通常采用的温度陡降的容许值是10度，施工时应足够重视。
2、加强施工中温度观测。施工中考核"温差小于容许值"，可以避免温度裂缝。目前测量内温常采用"电阻式、热电偶式、棒式酒精温度计"等。
3、采取适当的温度控制措施。（1）降低浇筑温度，高温的夏天，可尽量安排傍晚或晚上施工；（2）降低水化热升温，选用恰当的水泥品种或可在混凝土中掺入相应的外加剂，加入一些冰块等；（3）提高表面温度，做好养护，适当延迟拆模时间；（4）内部降温，采用常见的循环冷却管等方法降低内部温度。