《大跨径连续刚构桥设计指南》条文说明

大跨径连续刚构桥设计指南条文说明23条文说明1.1针对目前大跨连续刚构较普遍存在的跨中下挠、腹板斜裂缝、底板裂缝等病害，本指南通过分析其可能存在的成因，结合对于这些病害的一些处理经验措施，从设计角度提出了一些在设计中需要注意和加强的要点，以便通过对一些设计指标的控制以及必要的构造措施的采取来降低和消除可能出现的病害。本指南旨在细化《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）在大跨径预应力混凝土连续刚构设计上的应用，作为对现行《规范》的补充，从而希望大跨径预应力混凝土连续刚构健康发展。2.2.1《桥涵施工规范》规定,桥梁结构断面尺寸允许有±5％误差，桥面铺装厚度允许超厚L/5000（L为连续刚构主跨跨径），预应力钢绞线容许±6％误差。鉴于设计中考虑整个桥面铺装超厚L/5000（L为连续刚构主跨跨径）偏大，本指南建议设计中考虑桥面铺装超厚L/7000（L为连续刚构主跨跨径），但不得小于2cm，结构尺寸±5％误差和钢铰线±6%误差。2.3.4考虑到应充分估计混凝土收缩徐变对结构的影响，本指南建议在采用潮湿度计算徐变效应的同时，也采用混合理论来计算结构的收缩徐变，采用混合理论时分别取徐变系数β＝0.021、终极值ψk=2.0和徐变系数β＝0.0021、终极值ψk=2.5两种情况，取三种结果中徐变效应较大的作为结构的徐变效应。3.1.1进行承载力校和时除按照规范规定外，还需考虑以下三个方面的问题：1．计算内力组合时，建议计入结构自重（箱梁和铺装）的施工误差引起的内力增减。2．进行内力组合时，宜充分估计施工误差引起的混凝土收缩徐变内力的变化。3．计算结构抗力时宜考虑施工引起的预应力钢绞线误差对结构抗力的影响。3.2计算主梁正截面承载能力时宜注意以下几个问题：1．安全等级的确定大跨径连续刚构桥设计指南条文说明24对于大跨径预应力混凝土连续刚构桥的安全等级均宜按照一级来控制，即结构的重要性系数取1.1。2．主梁的承载能力计算要考虑施加预应力产生的次内力的影响。3.4剪力滞是指宽翼缘箱形截面受对称垂直力作用时,其上、下翼缘的正应力沿宽度方向分布不均匀,这种现象称为剪力滞或剪力滞效应。剪力滞效应会造成腹板处的应力水平高于平均应力。忽略此影响就会低估箱梁腹板和翼缘交接处的应力，致使实际应力大于设计应力，翼缘板的承载能力得不到满足从而出现裂缝，导致结构不安全。由于一般连续刚构计算采用平截面假定，利用杆系程序进行整体纵向计算，无法考虑剪力滞效应，计算出的平均应力小于腹板处的应力，因此设计时宜使计算出的平均应力小于规范容许的最大应力，且与规范容许最大应力有一定差距，控制结构的最大正应力在规范容许值之内。必要时建议作空间结构分析，确定箱梁的剪力滞系数，来指导设计，保证结构的安全度。大跨径连续刚构桥设计指南条文说明254.2从设计方面考虑，结构在除混凝土收缩徐变之外的永久作用下的跨中弹性挠度影响结构混凝土收缩徐变的挠度，二者对于桥梁运营后期跨中下挠情况起决定作用，而且徐变挠度与除混凝土收缩徐变之外的永久作用下的跨中弹性挠度基本成正比，即除混凝土收缩徐变之外的永久作用下的跨中弹性挠度大，结构的徐变挠度就大，反之就小。因此本指南对于结构在除混凝土收缩徐变之外的永久作用下的弹性挠度提出设计要求，从而控制结构的收缩、徐变挠度，最终控制结构在运营期的下挠。下表给出了国内、外大跨径连续刚构桥病害情况。典型大跨径预应力混凝土连续箱梁桥跨中下挠情况简表表4.2桥名跨径（m）结构类型跨中下挠（cm）折合跨径备注黄石长江公路大桥62.5+3×245+62.5连续刚构33.51/731广东虎门大桥辅航道桥150+270+150连续刚构261/1038江津长江大桥140+240+140连续刚构31.71/757三门峡黄河大桥105+4×160+105连续刚构221/727广东南海金沙大桥66+120+66连续刚构221/545广东丫髻沙大桥副桥86+160+86连续刚构231/696台湾圆山大桥75+150+2×142.5+118+43带铰刚构631/238挪Stφvest桥100+220+100连续刚构201/1100帕劳Koror-Bobelthuap桥72+241+72带铰刚构1201/201加固后即倒塌英Kingston桥62+143.3+62.5带铰刚构301/478美ParrottsFerry桥99+195+99带铰刚构63.51/307加Grand-mere181.4带铰刚构301/605由上表可见大跨径预应力混凝土箱梁跨中下挠问题，是一个国内外普遍存在的问题，从另一个侧面也说明大跨径预应力混凝土箱梁跨中下挠，是设计、施工技术上的确存在缺陷。大跨径预应力混凝土箱梁跨中下挠，不仅导致桥梁养护费用的大幅增加，破坏桥梁的美观，更重要的是造成桥梁交通运营和结构安全度的降低。因此大跨径连续刚构桥设计指南条文说明26确有必要对引起下挠的问题从设计计算、施工和处治等各环节进行详细的理论与试验分析，力求对这一现象进行有效的控制。一、下挠的特点总结这些出现下挠的大跨径连续刚构桥，发现下挠有以下特点：1．挠度长期增长，增长率随时间可能呈加速、降低或保持匀速变化的趋势。传统的设置预拱度的方法只能解决施工中引起的桥面线形问题，而不能有效的控制跨中下挠。2．结构的长期挠度远大于设计计算的预计值。计不完全统计，大跨径预应力混凝土箱梁持续下挠的年速率如下：跨径L＝100～160m，f徐＜1（cm/年）跨径L＝160～220m，f徐＝1～2（cm/年）跨径L＝220～270m，f徐＝2～3（cm/年）二、下挠的主要原因跨中持续下挠问题是一个十分复杂的问题，影响因素较多，国内工程界已做过大量的分析研究工作，归纳起来大致有以下一些因素。1．对混凝土的收缩徐变认识不足，设计的收缩徐变挠度远小于实际的徐变挠度，导致结构下挠大。2.控制各施工阶段主梁挠度值的认识不足，导致成桥后存在初始挠度，以至结构在长期荷载作用下徐变挠度不断增加。3．预应力束的布置方式与预应力度的大小。4．下挠会导致结构开裂，而开裂又加大下挠，二者互相影响，形成恶性循环。5．对预应力长期损失估计偏低。6．运营阶段在长期活载作用下，活载挠度也会引起活载徐变挠度值的增加。7．施工方法（特别是合拢方式）导致不利的成桥应力状态。8．过早加载导致预应力徐变损失增大，从而使徐变挠度增大。9．预应力管道灌浆不饱满。10．施工超方的影响。大跨径连续刚构桥设计指南条文说明27这些因素有着长期的随机性和不确定性，而且还相互耦合。因此很有必要从设计方面对主梁下挠提出控制标准。4.2.1从设计方面考虑大跨径连续刚构桥主梁的下挠原因是：纵向预应力用量偏少，或有效预应力不足，结构弹性挠度大，徐变挠度也大，结构开裂，导致结构刚度低，产生下挠。可见结构弹性挠度和徐变挠度是跨中下挠的主要直接因素，另外结构弹性挠度影响结构的徐变挠度，徐变挠度与恒载挠度基本同方向、成比例，因此首先宜控制结构在除混凝土收缩徐变外的弹性挠度，通过控制除混凝土收缩徐变外的弹性挠度，从而控制混凝土收缩徐变挠度，最终达到控制结构跨中下挠。本指南给出的弹性挠度控制值是通过分析国内已建成并运营多年的几座大跨径连续刚构桥的弹性挠度，并结合实际的主梁下挠情况得出的，希望通过控制弹性挠度，来控制主梁的下挠，此控制指标有待于在今后的实践中得到不断的补充和完善。几座大跨径连续刚构桥弹性挠度和实际下挠值表4.2.1-1桥名跨径（m）弹性挠度（mm）弹性挠度与跨径比值徐变挠度(mm)徐变挠度与跨径比值下挠值(mm)折合跨径比值运营年下挠速率(mm/年)虎门大桥辅航道桥150+270+150(-176)-2321/1164-1551/1742-2601/1038832.5黄石长江公路大桥162.5+3×245+162.5-1411/1738-2021/1213-3351/731655.8三门峡黄河公路大桥104.86+4×160+104.86-931/1720-921/1739-2201/636455.0洛溪大桥65+125+180+110-371/4865-361/5000-601/3000320.0六广河大桥145.1+240+145.1-231/10435-121/20000-561/42852.621.5注：1.表中挠度向上为正，向下为负；2.弹性挠度包括施工阶段的弹性下挠，是结构自重、二期荷载和预应力钢束共同产生的，为跨中最大下挠值。3.表中弹性挠度均根据施工图中所描述的结构和构造计算所得，其中虎门大桥辅航道桥计入了桥面铺装超厚的荷载，括号内数据适用于不考虑桥面铺装超厚的情况。大跨径连续刚构桥设计指南条文说明284.表中徐变挠度是按照多种徐变参数计算得到较大的徐变挠度值。从上表中可以看出，前三座桥弹性挠度与跨径比值均大于L/2000（L为主跨跨径），比值较大，徐变挠度与跨径比值也较大，而且实测下挠值大，下挠年速率也较大，均大于33.8mm/年，即计算情况与实际下挠情况较吻合。后两座桥下挠量较小，下挠速度也缓慢，计算弹性挠度与主跨跨径比值也较小，均小于L/4000（L为主跨跨径），徐变挠度与跨径比值也较小。从上面分析中可以看出，弹性挠度较小的，徐变挠度小，实际下挠值也较小，应该控制结构的弹性挠度。另外通过分析某高速公路上的四座大跨径连续刚构桥的弹性挠度（见表4.2.1-2）来看，弹性挠度控制在L/4000之内是可以做到的。某四座桥的挠度表4.2.1-2桥名跨径（m）弹性挠度弹性挠度与跨径比值徐变挠度徐变挠度与跨径比值桥一130+230+130-19.81/11616-211/10952桥二110+200+110-7.61/26316-14.61/13699桥三100+180+100-35.01/5143-71.11/2532桥四78+140+78-15.11/9272-331/4242注：1.表中挠度单位：mm。位移向上为正，向下为负。2.徐变挠度指成桥之后十年发生的挠度。3.弹性挠度包括施工阶段的弹性下挠，是结构自重、二期荷载和预应力钢束共同产生的，为跨中最大下挠值。通过以上分析，本指南确定主梁在除混凝土收缩徐变外的弹性下挠值宜≤L/4000，L为连续刚构桥主跨跨径，即可认为在今后运营阶段，主梁跨中不会出现较大的下挠。4.2.2.1施工规范允许范围内的误差施工规范允许结构尺寸误差为±5％，铺装超厚L/7000(L为主跨跨径)，因此主梁结构设计时，除根据结构设计尺寸和设计荷载确定主梁跨中下挠值外，还宜考虑施工规范允许范围内的施工误差对结构跨中挠度的不利影响。设计时不仅考虑施工误差对结构弹性挠度的影响，同时宜考虑超方5％和铺大跨径连续刚构桥设计指南条文说明29装超厚引起的徐变挠度的增大。4.2.2.2施工规范允许范围外的误差此处误差主要是指铺装超方。即除了考虑施工规范容许范围内的超方外，还应考虑施工规范范围外的超方，一旦发现有超方，能够采取补救措施，比如设置备用束、设置体外束等。结构超方和桥面铺装中调平层超方是极易出现的情况，在分析旧桥病害时，超方也是一个重要分析因素。某大桥桥面铺装设计为8cm水泥混凝土，后期检测发现大部分桥面调平层超厚8cm左右，即超厚了1倍，全桥二期荷载超重达14000kN，经计算超重引起结构跨中下挠8cm，超重引起的混凝土收缩徐变又会引起结构跨中下挠6cm，即超重会引起结构下挠14cm，超重必然减少跨中的应力储备，引起开裂，结构刚度随之减弱，刚度减弱又会使下挠加剧。因此建议考虑超方的情况。在此以某主跨230m的大桥为例，分析结构超方5％，同时桥面铺装调平层超方10％、20％、30％、50％和100％对于跨中挠度的影响，见表4.2.2-1。超方对跨中点挠度的影响表4.2.2-1超方情况弹性挠度徐变挠度（现行规范潮湿度取0.8）徐变挠度（β＝0.0021，ψk=2.5）结构超方5％，调平层超方10%18-34.0-59.3结构超方5％，调平层超方20%15.5-35.8-63.5结构超方5％，调平层超方30%13.2-37.9-67.7结构超方5％，调平