大跨径预应力混凝土箱梁桥的设计问题 东南大学 吕志涛 2009.5,引 言 (1) 我国桥梁建设的新跨越 (2) 长江江苏段的大桥 (3) 箱梁桥出现的主要问题 腹板开裂与跨中下挠 1. 腹板主预应力束的设置 弯曲预应力筋不可少 2. 竖向预应力筋的采用 (1) 竖向预应力筋存在的问题 (2) 竖向预应力筋的选用与对日本NAPP技术的认识 3. 箍筋的合理配置及腹板的合适厚度 (1) 箍筋不抗裂、只提高受剪承剪力 (2) 腹板不能过薄 4. 大跨径箱梁桥的跨中下挠问题 (1) 开裂对下挠的影响 (2) 剪力对挠度影响的考虑 5. 材料选择及其它 结束语,引 言 最近几年，我与桥梁工程界有较多接触。随后，我进一步感到，我国是土木工程大国，并正在向土木工程强国跨越。同时，感到国内绝大多数桥梁工程是我国工程师自行设计的，不象建筑界，尤其是一些大型文体建筑、公共建筑的建筑方案往往是国外建筑师提出的，从而，以致某些城市出现了不少“新”、“奇”、“特”建筑，并且，有的建筑，结构不合理，材料多消耗， 但是，我认为，桥梁工程在设计上，也有着很大的改进和提高的空间。本文从结构工程角度对大跨度预应力混凝土箱梁桥的设计问题谈些看法。,(1) 我国桥梁建设的新跨越 进入21世纪以来，随着我国经济的持续高速发展，土木工程技术实现了新跨越，特别迎来了桥梁建设的伟大时代。在长江三角洲，中西部山区，桥梁建设的精兵强将们会战在千米级超大跨径跨江桥梁和数十公里超长跨海大桥的工地上。一座座桥型各异，跨度大、技术难度高的现代化桥梁建设，已经开始引领世界桥梁建设的发展，我国正由桥梁大国向桥梁强国大步迈进。 至去年6月底，我国 主跨400m以上的桥梁已建成54座，在建18座； 主跨600m以上的桥梁已建成19座，在建12座； 主跨800m以上的桥梁已建成 9座，在建 9座； 主跨1000m以上的桥梁已建成6座，在建 5座；,图1 南京长江第四大桥 主跨为1418m的双塔悬索桥,图2 泰州长江大桥 双主跨21080m三塔悬索桥,(3) 箱梁桥出现的主要问题 大跨径连续梁桥和刚构桥的预应力混凝土箱梁，结构刚度大，变形小，抗风、抗震能力强，经济，耐久，因此，跨径在30350m范围的公路桥，广泛采用箱梁桥方案。 应提出的是：在兴建特大跨度的斜拉桥或悬索桥的同时，总伴随着建设有大跨径预应力混凝土连续梁桥或连续刚构桥，且都是箱梁桥。 但是，箱梁桥在使用期间，常出现“腹板开裂”和“跨中下挠”等病害问题，且随着时间的延续而不断发展。 尽管在多次全国桥梁学术会议上对于桥梁病害的原因有所探讨。归结起来，总是定性地认为，由于桥梁超载，预应力损失大，施工不当，混凝土的收缩、徐变大，以及结构构造弱和设计中没有考虑空间作用、温度影响等因素所致。但是，实际上，箱梁桥的病害远没有真正解决。 本文将从桥梁设计中的问题诸如纵向预应力束的设计、竖向预应力筋的采用、腹板及箍筋的合理设计以及材料选用等作出探讨。 因为桥梁的开裂和下挠影响到结构的使用性、耐久性及安全，所以，我以此文来加入这一论坛。,1. 腹板主预应力束的设置 弯曲预应力束不可少 大跨径预应力箱梁桥主要有连续梁桥和连续刚构桥。并且，它们多为变截面箱梁。 大家知道，为了抵抗梁的自重和梁上的荷载所引起的弯矩和剪力及其产生的弯曲拉应力和剪应力，防止梁跨中下部出现竖向裂缝和梁腹中产生斜向裂缝，提高梁的受弯承载力和受剪承载力，箱梁桥腹板中应配置有足够的主预应力束，并且，通常，它由纵向预应力束和离支座不同距离处的下弯预应力束组成，如图3示。 但是，80年代末以来，国内不少大跨径预应力混凝土连续梁和连续刚构的箱梁桥设计中采用了全部直线式的纵向预应力束(没有下弯预应力束)，另加竖向预应力筋的方案，如图4示。,图3 有下弯束的主预应力配束方案,图4 直线式的主预应力配束方案,80年代末提出的这种仅配直线预应力束的方案的目的是简化施工，减少预应力束的摩擦损失。然而，近二十年来，按这种设计方案建造的大跨径预应力混凝土连续梁桥和连续刚构桥，普遍地在梁腹中出现斜裂缝，有的甚至相当严重。 2003年我在浙江省交通厅一次学术报告会上，也专门讲过这一问题。同时，他们告诉我，二十多年前设计建造的以及最近几年设计建造的连续梁桥及连续刚构桥由于加设了弯起预应力束，腹板斜裂缝大为减少，甚至没有出现。 该大桥孔跨布置为230m+45m+70m+45m+230m，全长280m，主桥为三跨预应力混凝土变截面连续箱梁桥，双箱双室截面，支点梁高4.21m，跨中梁高2.21m，梁底曲线为二次抛物线，箱梁混凝土强度等级为C50。主预应力配束方案为直线束、弯起束、下弯束，其中下弯束较多。,因此，正确的纵向主预应力束的配束方案，应该是按弯矩包络图配置足够的直线束和下弯束。因为配置了预应力下弯束后，不仅可抗弯，而且能提供较高的预剪力，可平衡较多的自重剪力、活载剪力，减小箱梁截面上的剪应力。同时，可消除可能在梁较高区段的腹中出现预应力盲区。 另一个重要问题是：应配置多少主预应力束？这个问题我没有考虑好，一般地可取用抵抗全部自重弯矩加上一半活载弯矩所需要的。,2. 竖向预应力筋的采用 在腹板内配置适量的竖向预应力筋是合理的，尤其当下弯束不足时。 对于竖向预应力束，我建议采用预应力粗钢筋，因为它的施工相对较为方便，如果采用钢绞线束，那么，其强度虽高，但预应力损失也大，而且施工不易。 (1) 设计竖向预应力筋时，必须认识到它存在的问题： 受箱梁高度的限制，竖向预应力筋长度往往较短，所以其预应力锚具损失等较大，有的桥梁实测预应力损失竟达张拉应力的50%。 当竖向预应力筋采用精轧螺旋钢筋时，其张拉施工精度难以保证。 竖向预应力孔道较窄，张拉后的灌浆不易饱满，甚至无浆，这大大削弱了截面的抗剪能力。 竖向预应力筋单端张拉，且锚于梁顶，因此，一旦发生脱锚，对桥上运行车辆产生危险，日本就发生过这样的事故，所以一位回国专家说，日本已提出了不采用竖向预应力筋的建议。,(2) 竖向预应力筋的选用及对日本NAPP技术的认识： 如何保证竖向预应力的有效性？不少设计人员认为，与所选用的预应力筋的品质关系极大，因此，他们提出了全部采用进口的精轧螺旋粗钢筋，甚至要求梁高小于10m的区段需全部采用日本的预应力中空钢棒，并采用日本东方建设株式会社提供的NAPP工法。 日本NAPP工法中的预应力中空钢棒结构构造示意如下图：,图10 预应力中空钢棒结构构造示意,预应力中空钢棒主要由中空钢棒、反力钢棒、NAPP支座、锚固螺母、末端支座组成。中空钢棒与反力钢棒之间还填充了树脂以满足耐久性要求。 它是一种先张法工艺。在工厂预先施工预应力，混凝土浇筑前，将其施工在设计位置，然后浇筑混凝土，达到强度后，采用专用的释放设备释放张拉力，同时也将预应力导入到混凝土结构构件中。 中空钢棒是很贵的。一座200多米的连续刚构桥就要为此多花费千万元计（比精轧螺旋钢筋方案）。 据有关资料介绍，预应力中空钢棒技术在1992年由日本东方建设株式会社和高周波热炼株式会社开发研制。 精轧螺纹粗钢筋与预应力中空钢棒的比较： 精轧螺纹粗钢筋采用后张法，并要求灌浆； 预应力中空钢棒采用先张法，不需灌浆但要填充树脂。 当梁高15m时，两种工艺的预应力损失基本相同；当梁高较矮时，精轧螺纹粗钢筋预应力损失较大。,竖向预应力筋的设置范围，我认为，绝对不应该在刚构全长上设置，连续刚构主墩中心线两侧各34倍梁高区段之外，就不必设置，更不应该采用中空钢棒。因为主墩中心线两侧各34倍梁高区段之外，剪力已很小，这些部位主要是受弯，而不会出现斜裂缝。而且，这些部位梁高较小，锚固损失很大，采用竖向预应力筋效率相对不高。因此，通常，只需在主墩各1/4跨度范围内及过渡墩1/4跨度范围内设置竖向预应力筋。 另一方面，当梁高超过10m时，精轧螺旋钢筋的锚固损失已不大，它与中空钢棒预应力方案已基本相同。譬如=5mm，h=15m时，L1仅67MPa。况且，为了减小L1，可超张拉或二次张拉。 再一方面，当梁高超过10m时，用NAPP工法，要用连接器接长，这就更麻烦了。 综上，我认为，应少用或不用中空钢棒及NAPP 工法。,3. 箍筋的合理配置及腹板的合适厚度 (1) 箍筋不抗裂，只提高受剪承载力 不少设计人员，甚至一些学者，认为箱梁腹板斜裂缝问题严重，也可采用多配箍筋的办法。这混淆了抗裂与受剪承载力两者的概念。提高截面的受剪承载力与增加抵抗斜裂缝出现荷载的能力(受剪抗裂性)并不是一回事。抗裂性不好不等于受剪承载力差。 加密箍筋有利于提高梁的受剪承载力，但并不能防止腹板中斜裂缝的出现。当然，多配箍筋，对斜裂缝出现之后的开展是有抑制作用的。但是，不应该在箱梁满足受剪承载力条件下，一味地增大配箍量，那样做，反而会增加施工难度和影响混凝土的浇筑质量。,因此，在有的设计中出现垂直箍筋和水平腰筋都很粗、很密的情况（如：1612cm）。我认为，如此粗密的配箍在15m高的梁中，是很难绑扎施工的。并且，我估计是过分保守的。因为即使在支座区段，如果出现剪切破坏，那一定是斜压破坏，而这时，是由梁的截面厚度和混凝土抗压强度控制的，箍筋肯定是过分富裕的。 还应提出，对于变高度梁，沿梁长的剪力分布从支座到跨中的下降比直线等截面梁快得多(如图11示)。当梁高变化，梁腹板厚度也变化的情况下，尤其如此。因此，大跨度箱梁中的箍筋配置量应该是变化的，并且在跨中附近很大部分区段只需按构造设置。,图11 等截面梁与变高、变厚度梁的自重剪力分布示意,跨中,支座,剪力,(2) 腹板混凝土厚度不能过薄 腹板混凝土厚度与开裂前主拉应力的大小密切相关，而且梁的受剪承载力也不能只靠拼命增加箍筋的办法，而应该采用梁的截面尺寸(截面厚度和高度)和混凝土强度的乘积与配箍量相匹配的办法。 所以，不能为了美观、为了减轻梁的自重，将箱梁的箱壁设计得过薄。建筑结构中混凝土梁的截面限制条件是值得箱梁桥设计者们参考和借鉴的。,4. 大跨径混凝土箱梁桥的跨中下挠问题 通常认为，跨中下挠是因为混凝土的收缩和徐变较大，预应力损失过大，施工工艺不好，日照温差作用以及箱梁的空间作用没有计算好等因素所致。 引起 导致 开裂 刚度降低 挠度增长。 所以，变形与开裂多是“并发症”。,一般地认为 实际上， 根据S.Timoshenko的高等材料力学，对于L/h10的梁，在弹性阶段，可忽略剪切对挠度的影响，所以，一般地，计算挠度时，只计及梁的弯矩作用及梁的弯曲刚度。,但是，我认为，对于混凝土薄腹(箱)梁，其挠度的计算，不能仅计算弯矩的作用，还应考虑剪切的影响。因为薄腹梁中的剪应变大，Q的影响不可忽略，斜裂缝出现后，梁的剪切刚度有很大降低，梁的挠度进一步增长，且随斜裂缝开展，梁的挠度不断增加。德国学者F.Leonhardt曾提出，对于L/h12的混凝土梁，剪切引起的挠度可达弯矩引起的挠度的20%300%。 然而，剪切对梁的挠度的影响的计算，是个难题，因而，梁腹斜裂缝开展宽度及其对梁中下挠的影响计算，迄今，仍是无公认的解答，尽管1963年，我已经认识到了这个问题。 剪切应力及斜裂缝对梁的挠度的影响的计算，笔者认为，可以借助于折算刚度GA法或桁架模型或数值有限元分析等方法去近似地解决。,5. 材料选择及其它 目前，高强混凝土在大跨度预应力桥梁中得到了越来越广泛的应用。我认为：采用高强度的混凝土是应该的，但是，也不能过分要求高强度。因为混凝土强度等级越高，其抗压强度越高，但抗拉强度的增加并不与之成比例。譬如，强度高一、二个等级，对箱梁的抗裂性能并不能成倍地提高，另一方面，从梁的受弯承载力考虑，更没有必要高强度混凝土。而且，其脆性增加。 因此，我认为不要为了减轻自重，拼命减薄梁腹厚而提高混凝土强度。实际上，若是为了减轻梁的自重，可考虑在梁的部分区段采用轻质高强混凝土。