Ｔ构桥梁的发展及施工对连续刚构桥梁设计的影响

魏志新　刘小燕

摘要 简述了T构桥梁的发展和国内外工程情况。重点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;T型刚构;连续刚构;施工

中图分类号 U4文献标识码 A文章编号 1674-6708(2009)05-0074-03

0 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,一种是单个T构形成的悬臂梁;另一种是主梁不连续的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;还有一种是主梁连续的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,此时增加的自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。

20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208.0m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+260+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—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

2.1T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:首先是使用功能上的要求,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。其次是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。第三,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。最后,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梁桥的大量应用。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刚筋不便于施工,而只采用顶板索、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。

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