T构桥梁施工对连续刚构桥梁设计的影响研究

Ｔ构桥梁施工对连续刚构桥梁设计的影响研究　林大云　（福建省交通规划设计院，福建福州３５０００４）　摘要：简要介绍了Ｔ构桥梁的发展情况。着重阐述了如何从简化施工的角度考察连续刚构桥梁的设计并加以改进。　关键词：Ｔ构桥梁；Ｔ型刚构；连续刚构：施工；发展：设计；影响　Ｏ引言　Ｔ构是一种墩梁固结，具有悬臂受力特点的梁式桥，因墩上　两侧伸出悬臂，形同Ｔ字，由此得名。Ｔ构可分为三种类型：①　单个Ｔ构形成的悬臂梁；②主梁不连续的Ｔ构组合体系，如带　铰的Ｔ型刚构，带挂孔的Ｔ型刚构，统称为Ｔ型刚构；③主梁连　续的Ｔ构组合体系，即连续Ｔ型刚构或连续刚构，当连续刚构　同连续梁相连又可形成刚构——连续梁组合桥梁。Ｔ构一般采　用变高度梁，支点截面的弯矩值最大，梁高也最大，此时增加的　白重对于体系的弯矩的影响是最小的。对于连续刚构，加大根　部梁高，通常可使正弯矩减小，正弯矩区缩短，结构主要承受负　弯矩，这样可使大多数预应力刚束布置在梁的顶部，而且构造　和施工均较简单，所以一般Ｔ构都采用预应力混凝土结构，适　合悬臂施工法施工，而且由于施工阶段的受力与结构使用状态　下的受力一致，一般是比较经济的方案。　２Ｏ世纪５０年代中期，在西欧出现了预应力混凝土桥的悬　臂施工方法，解决了支架法面临的问题，使预应力混凝土梁式　桥中的悬臂体系得到了新的发展，形成了Ｔ型刚构桥。而后行　车平顺的要求又促进了连续梁的发展。近年来，更适合悬臂施　工的连续刚构桥得到了较快的发展，连续刚构桥行车面连续无　折角、不设支座，施工不需转换体系，且有很大的顺桥向抗弯刚　度和横向抗扭刚度，能满足较大跨径桥梁的受力要求。　１　Ｔ构的特点与发展　１．１特点　Ｔ构因为墩梁固结，优点很多，既可以方便平衡悬臂施工，　又可以省掉大型的支座。墩的作用使主梁弯矩减小，对比其他　设计方案Ｔ构桥具有材料用量省，施工简便经济的特点，具有　很高的竞争力。Ｔ构受力特性类似悬臂梁，应力交变的范围小，　适合采用预应力结构和悬臂施工法施工，即在墩顶两侧对称，　逐段悬臂浇筑混凝土或者拼装预制节段，然后重复操作，继续　下一节段悬臂施工。该方法每墩有两个工作面平行作业且多个　墩可同时施工，利于缩短工期。由于节段施工是重复作业，有利　于施工技术的熟练掌握，提高工效。其成桥受力同施工阶段受　力比较接近，悬臂施工时不用临时支撑，因此，不会因为施工而　过多地增加材料。　对于采用柔性墩的Ｔ构桥，桥墩的防撞能力需要在设计之　初进行考虑。随着跨度的增大，桥梁的动力性能也需要详细研　究，Ｔ构桥的支点处自重产生的内力占总内力的比例很大，结构　在超载或者偶然荷载下的抵抗能力需要详细考察。对于大跨度　窄桥，抗风问题也凸现出来。　１．２发展　随着预应力混凝土工艺的完善，德国工程师率先采用挂篮　悬臂浇筑混凝土修建连续梁桥，为无支架施工方法奠定了基　础。随着悬臂施工法在预应力混凝土桥梁的应用，跨中带剪力　铰和跨中设挂梁的Ｔ型刚构得到了发展，而Ｔ型刚构桥的墩梁　固结后，为抵抗其悬臂施工中的较大不平衡弯矩，以及抵抗运　营时活载或其它附加力所产生的弯矩，其桥墩的抗弯刚度和抗　推刚度都相当大。对于带铰的Ｔ型刚构，当预应力、混凝土收缩　徐变和温度变化引起结构变位时，在墩梁固结处产生的推力和　弯矩将很大。此外，铰处的折角造成车辆跳动，剪力铰也易损　坏。带挂梁的Ｔ型刚构虽然缓和了行车，但是伸缩缝的增多、牛　腿构造的复杂和易损害，以及施工上设备的增多（吊装挂梁的　设备）无法避免。近年来，高速公路的迅速发展要求行车平顺舒　适，上述的Ｔ型刚构已不能很好地满足要求。因此，Ｔ型刚构体　系在２０世纪８０年代初以后已很少采用。　随着跨径的不断增大，大型支座的设计、制造、养护等问题　制约了连续梁体系的发展。在６０年代，前联邦德国首先采用悬　臂浇注施工法在莱茵河上建成了主跨分别为１１４．２ｍ和２０８．Ｏｍ　的沃尔姆斯桥、本道夫桥。它采用薄壁桥墩来代替Ｔ形刚刚构　的粗大桥墩，中孔采用剪力铰，边孔做成连续体系，这种桥型是　连续刚构的雏形，因为它的受力特性已接近连续梁。工程师改　善了铰处的结构缺陷，并且利用其无支座的优点，对其结构体　系不断优化：将粗壮桥墩变柔变薄，使主梁受力性能与连续梁　相近，逐步形成了柔性墩、墩梁固结的刚构体系，既保持了连续　梁无伸缩缝、行车平顺的优点，又保持了Ｔ型刚构不设支座、不　需体系转换，方便施工的优点。墩身将较大的抗弯刚度和较小　的抗推刚度结为一体，可以减少墩顶负弯矩峰值，适应桥梁的　水平变位，从而有效地改善了结构的受力状况，更适合建造大　跨度的桥梁。这种综合了连续梁和Ｔ形刚构桥的特点的连续刚　构是大跨度梁式桥的主要桥型之一。　国外修建大跨连续刚构桥的历史相对稍早一些。１９８２年，　美国的休斯敦运河桥跨径为（１１４＋２２８．６＋１１４）ｍ，主梁为双室箱　型断面，设计采用了刚性桥墩，在大跨度连续刚构桥设计中比　较少见。１９８５年，澳大利亚建成的门道桥（Ｇａｔｅｗａｙ），跨径为　（１４５＋２６Ｏ＋１４５）ｍ，采用了双薄壁柔性墩，单室箱型主梁和高强　混凝土，连续刚构边跨悬臂与引桥悬出部分之间１６ｍ以不约束　水平变位的刚箱装置连接，该装置不能传递轴向力，而能承受　剪力与弯矩。该桥保持世界第一达１２年之久，是一座里程碑式　的建筑。　中国在Ｔ构桥的建设中，短时间内取得了巨大的成就。修　建了大量大跨度，高技术含量的Ｔ构桥。统计显示，目前中国的　连续刚构和连续刚构一连续梁的组合体系在２００ｍ以上的有近　２０座，而且跨径居于我国Ｔ构桥前列，在结构类型、设计施工等　方面均有创新。对于各种不同墩高的连续刚构，国内都有成功　的实例。２００３年３月合拢的云南省元江大桥，跨径为（５８＋１８２＋　２６５＋１９４＋７０）ｍ，中墩高１２３．５ｍ；２００６年通车的陕西洛河特大桥　在陕西省洛川县建成，位于黄陵至延安高速公路上，该桥跨度　为（９０＋３￣１６０＋９０）ｍ，主墩高达１４３．５ｍ，桥面高１５２ｍ，为混凝土　连续刚构世界第一高桥，这些建桥经验可为高墩连续刚构桥的　广东科技２０１３　４．第８期１１７　ｌ１交通建设　设计和悬臂施工提供参考。　随着高强预应力刚材、高强混凝土、刚～混凝土、大吨位张　拉锚固体系的应用与发展，对在役桥梁使用功能进行的评价和　深入研究，使其设计和施工水平有了改进和提高，故大跨度连　续刚构桥的跨越能力将得到提高、应用范围将会更广。　２施工对设计的影响　２．１　Ｔ构设计的影响因素　对于Ｔ构桥，在设计之初一般需要考虑下列几个方面的影　响：①使用功能上的要求，后期桥梁和伸缩缝的养护的工作量　等直接影响到桥梁的使用功能。如带铰或者挂梁的Ｔ型刚构在　建设初期曾被广泛采用，但经实践证明其在使用功能上有一定　的不足，现在已较少采用。②结构力学特性的优化，对于大跨度　桥梁，主梁采用高强混凝土，跨中采用轻质混凝土或钢梁可以　减小恒载作用下的重量，从而大大减小恒载内力，提高结构的　承载能力或者增大跨度，因此会得到更多的应用。其他上部结　构轻型化的措施，也能改善结构受力，如采用长悬臂、薄腹板，　选取经济的顶、底板厚度，减少隔板数量，都是减轻上部结构自　重的途径。配合三向预应力，采用大吨位预应力体系以满足应　力要求。③施工的便利性也在很大程度上影响设计，好的设计　如果能保证施工的便利，则可能提高施工质量，从而使结构更　容易达到设计要求。④结构的经济性能对设计方案的选取也是　至关重要的。　２．２施工的影响　施工方法的难易程度会影响桥梁形式的发展，如果结构的　施工方法合理，则可以加快进度、改善施工质量、节约投资，从　而促进设计的推广应用。如建国初期全国广泛推广的双曲拱　桥，设计时考虑方便安装施工，将各个构件化整为零，将拱肋和　拱波预制，安装后再浇筑拱板，减轻了吊装重量，为混凝土拱桥　提供了简便易行的施工方法，在当时非常适宜普及。而预应力　混凝土斜拉桥得到广泛应用也是同斜拉桥采用成熟的悬臂施　工法，或称节段施工法相关。悬索桥在主缆架设后可方便采用　吊装架设法安装主梁，因此也应用广泛。而装配法施工则促进　了高速公路上简支板桥，Ｔ粱桥的大量应用。对于Ｔ构桥中普　遍采用的连续刚构桥的设计，考虑施工方便，有利于选取好的　设计参数和改进设计。　（１）连续刚构施工方便，但连续刚构的墩梁固结，引起成桥　状态的内力受桥墩约束而增大，有必要在保证安全悬臂施工的　前提下减小固结效应，达到两者兼顾的效果。如设置抗推刚度　小、抗弯刚度大，稳定性能好的柔性墩取代刚性墩，墩高时需要　设置成柔性桩基，或者设置成刚构连续梁组合桥梁，或者采用　加卸压重等措施调整墩的内力。设计柔性墩时，须结合施工特　点进行单柱式墩和双薄壁墩的比选，双薄壁墩需要较大的承　台，但施工时稳定性容易保证，必要时在薄壁墩间设置连接就　可以提高稳定性。单柱式墩施工简单，并且可以减小基础尺寸，　因此，在跨径不大、墩身不高的情况下应用较多，只是墩高时为　维持稳定，施工荷载需要严格控制，而且临时支托也不宜拆除。　双幅桥并列布置时，确定承台是否连为一体不仅需要考虑防　撞，也需要考虑施工，因为如果两幅桥悬臂施工的进度不一致，　会引起承台受力不均，可能导致承台开裂，而严格限定施工过　程中两幅桥进度一致，不仅增加了施工难度，也可能增加施工　工期，施工质量也难以保证。　（２）考虑到施工简便，连续刚构截面一般为简单的直腹板　单箱单室截面，桥面宽时则设置成两幅。纵向预应力的配索方　式，以前采用较多的下弯和通长预应力钢筋不便于施工，而只　１１８广东科技２０１３　４第８期　采用顶板索、底板索，仅在边跨的端部设置弯起索（由于受力的　特殊要求）的配索方案能简化施工，保证受力。这种配索方案已　成功应用到不同跨径的连续刚构桥的设计中，此种配索方案显　著的优点是，腹板长度的９０％内均无纵向预应力管道，从而给　腹板混凝土的浇注带来了极大的方便，并且张拉工作也得到简　化，从而保证了施工质量。　（３）边跨合拢一般可以在支架上进行，在高墩的场合下取　消落地支架有一定的经济效益，可方便施工。研究表明，当边、　主跨跨径比在０．５４　０．５６时（通常这个参数大部分在０．５５～０．５８　之间），边跨支点在任何荷载工况下，总保留有足够的压力，而　不出现拉力，因此有可能利用导梁合拢边跨。　（４）对于０｝｝块的长度，需要考虑拼装施工挂篮的长度，以　及大体积混凝土的浇注难度，选取合适的长度，而其他梁段的　划分需要综合考虑施工设备的承载能力以及施工工期等。为了　保证施工的便利，在预应力筋布置上，除需要简化预应力刚束　的弯曲形状外，还须预留备用孔道，以保证结构施工。在大跨度　的桥梁设计中，应考虑到后期的施工是否方便而进行结构的设　计。　（５）对施工方法进行了大的改进后形成的连续刚构桥的结　构形式也发生了大的变化。如装配式Ｔ梁连续刚构，施工方法　为：首先架设预制的Ｔ梁梁片，在墩处将梁和墩固结形成刚构　形式，然后纵向浇接缝。实际上是简支Ｔ梁转连续做法的一种　改进，可能得到比桥面连续更好的使用性能。这种装配式连续　刚构，一般适用于中小跨径桥Ｔ梁梁片预制标准化、施工便利　快捷，工程造价低等，因此Ｔ梁连续刚构桥在具有高墩的小跨　径高速公路桥梁中得到了较多的应用。　３结论　预应力混凝土悬臂施工的技术推动了Ｔ构桥的发展，Ｔ构　桥中的连续刚构桥具有整体性能好、结构刚度大、抗震性能好，　主梁变形挠曲线平缓、桥面伸缩缝少，行车舒适等优点，同时设　计施工技术成熟，施工质量和施工工期能得到有效控制，且成　桥后养护工作量小，因此在公路、铁路、市政桥梁中得到广泛采　用。而针对施工方法的便利性所作的设计改进也将推动该种桥　型的进一步发展。　参考文献：　［１］范立础，主编．桥梁工程（上册）［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００２，３．　［２］同济大学路桥系编．城市桥梁设计施工经验选编［Ｍ］．北京：中国　建筑工业出版社．　Ｅ３３王伯惠．斜拉桥结构发展和中国经验（上册）［Ｍ］．北京：人民交通　出版社，２００３．　［４］陈万春，马建秦．预应力连续刚构桥的常见病害形式及维修加固施　工监控问题的探讨［Ｊ］．交通标准化，２ｏｏ６（Ｚ１）．　［５］栾昌信．悬臂灌注预应力混凝土连续梁（刚构）施工及设计［Ｊ］．铁　道标准设计，２００６（４）：３２～３４．　作者简介：林大云（１９８０　），男，工程师，大学本科，主要从事路　桥设计，１０年来参加过龙长高速，泉三高速，永武高速，宁武高　速，厦沙高速，永宁高速等路桥设计。