混凝土的桥梁策划办法分析

作者：马凌 单位：南京中交道路桥梁工程勘察设计有限公司

中小跨径预应力混凝土桥梁存在的过度徐变上拱现象

近年来，我国建设的中小跨径预应力混凝土梁桥，桥梁过度徐变上拱现象较为普遍，如济南的津浦铁路K4桥天津方向第三孔31.7m跨度的T型梁最大上拱达到了135mm，同一孔其他几片梁的上拱也达到了118mm、113mm、79mm。渝黔高速公路平摊子大桥重庆方向第二跨25m预应力混凝土简支梁桥最大上拱度达到68.7mm。桥梁过度徐变上拱已成为中小跨径预应力混凝土梁桥所特有的现象，而在大跨径预应力混凝土梁桥中则无此种问题存在。究其原因，中小跨径预应力混凝土梁桥，恒、活载之比较小，即所施加的预应力中的相当大一部分是用于平衡活载的。当桥梁空载（即无车辆通过）时，预加力除平衡了自重之外，还剩余一大部分，这部分“闲置”的预加力（用于平衡活载）将使梁体向上拱起，使桥梁各截面处于偏心受压状态，下翼缘压应力大，上翼缘应力接近为零，或存在较小的拉应力，随着时间的增长，沿截面高度各处逐渐产生不同的变形，也就是徐变压缩变形。下缘压缩大，向上逐渐减小，故变形后下缘缩短，上缘伸长，导致梁体上拱进一步增加，即产生徐变上拱。随着徐变的不断增长，上拱值也不断增长，严重影响了高速行车的舒适性。而对于大跨径预应力混凝土梁桥而言，恒、活载之比较大，所施加的全部预应力中的绝大部分是用于平衡恒载，故桥梁即使在空载状态下，截面上下缘的应力差也很小，故不存在长期的过度徐变上拱问题。

基于行车舒适性的高速公路中小跨径预应力混凝土简支板梁桥设计方法

1设计理念

（1）国内桥涵设计的诸多原则中，并不包括使用舒适这一概念。使用耐久的原则，虽然囊括了“桥梁结构在通过设计荷载时不出现过大的变形和过宽的裂缝”这一概念，但“过大的变形”通常是针对车辆荷载作用下的过大挠度；而对于引起行车不舒适的过大上拱问题，则无相应说明。事实上，随着近些年我国经济的飞速发展，高速公路的行车速度也随之加快，行车舒适性问题越来越受到人们的关注。桥梁使用者对行车舒适性日益迫切的需求，应当反映到桥梁的设计中去。这方面，欧洲人的设计理念为人们做了榜样。（2）欧洲国家（如德国，丹麦等），非常重视对结构物进行性能设计（即PBD，PerformanceBasedDesign，基于性能的设计方法），内容包括结构的变形，裂缝，振动，强健性，舒适性，美观，耐久性能，疲劳性等。PBD研究主要是为了使结构在运营过程中除了保证最低的安全性要求外，尚应有良好的使用性能（包括寿命和耐久性、抗腐蚀、耐疲劳性、使用舒适性、美观等）。就其本质而言，欧洲国家的PBD理论，主要研究结构在使用过程中表现出来的服务性能，分析使性能受到弱化的原因和其发生的机理、规律，寻求新的结构设计理念和方法。

2设计方法

梁体过度上拱是引起行车不舒适的主要原因。鉴于此，笔者提出了基于行车舒适性的中小跨径预应力混凝土简支板梁桥的设计方法：高速公路中小跨径预应力混凝土简支板梁桥的设计必须考虑行车舒适性的需求，体现行车舒适性的设计理念，行车舒适性指标通过桥梁梁体上拱度值反映出来。桥梁上拱度是由偏心预加力引起的上挠度和恒载所产生的下挠度两部分组成。与桥梁挠度计算相比，上拱度计算不计活荷载作用。由于车辆高速行驶（时速80km/h及以上）时，车间距较大（交通法规规定：高速公路行车的安全距离———车间距，正常情况下，行驶时速l00km/h时，为100m以上；时速70km/h时，为70m以上），对于中小跨径桥梁而言，同时通过某一跨桥梁的车辆数量很少，即同时作用在某一跨桥梁上的活荷载很小，因而此时活荷载对桥梁产生的下挠度也很小，基本可以忽略。故计算桥梁上拱度时，只考虑预加力和恒载的作用，而忽略活荷载的作用，此种做法是可行的。在预加力作用下，预应力混凝土受弯构件的上挠度可根据给定的构件刚度用结构力学的方法计算。例如后张法简支梁由预加力引起的跨中上挠度为：δpe=10乙Mpe•MxB0dx式中：Mpe———由永存预加力（永存预应力的合力）在任意截面x处引起的弯矩值；Mx———跨中作用单元力时在任意截面处所产生的弯矩值；B0———构件抗弯刚度，计算时按实际受力阶段取值。恒载引起的跨中下挠度为：ωMS=aMSl2B0式中:l———梁的计算跨径；a———挠度系数，与弯矩图形状和支承的约束条件有关；MS———恒载产生的跨中弯矩标准值。预应力混凝土受弯构件随时间的增长，由于混凝土收缩徐变将导致构件负曲率增大，以及混凝土弹性模量降低等原因，使得上拱度增加，所以计算构件上拱度时必须考虑长期影响。因此，预加力引起的上挠度需乘以长期增长系数，（取值为2），恒载引起的下挠度需乘以长期增长系数ηθ，MS（见表1）。具体计算公式如下：覼=ηθ，pe•δpe-ηθ，MS•ωMS满足基于行车舒适性的中小跨径预应力混凝土简支板梁桥设计方法要求的条件为：覼≤[d]式中：[d]———最大允许上拱度值；覼———考虑使用阶段长期徐变上拱的桥梁上拱度值。

结论

预应力混凝土简支空心板梁桥具有施工方便、经济性好的特点，在我国高速公路中小跨径桥梁中得到广泛应用，但在使用过程中暴露了一些问题，梁体徐变上拱过大就是其中之一，由此导致桥面呈波浪形，严重影响了高速行车的舒适性。本文针对这种情况提出了基于行车舒适性的设计理念，探索性地提出了基于行车舒适性的高速公路中小跨径预应力混凝土简支板梁桥的新设计方法，建议在持久状况的正常使用极限状态设计中，增添一项内容，即对桥梁上拱度予以控制。