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1.1 预应力混凝土连续刚构桥概述

1.1.1 预应力混凝土连续刚构桥的产生与发展

在 19 世纪 50 年代,桥梁分为简支梁、悬臂梁和连续梁。其中连续刚构作为一种历史比较悠久的桥型,早已被人们所熟知并广泛应用。受当时混凝土材料的限制,以及桥梁施工技术没有得到发展,致使桥梁的发展受到了限制。在19 世纪中期以后,由于钢铁行业的不断发展,人们将钢铁应用到了更多领域,在此背景下,钢桁架桥应运而生。在修建钢桁架桥的过程中使用了悬臂法施工,这为后来的悬臂浇筑法提供了较为有力的实践依据。事实证明,在后来的桥梁施工发展进程中,T型悬臂施工法的技术越来越成熟,同时其应用也越来越广泛。20 世纪 50 年代,预应力技术诞生,被应用到混凝土桥梁上,这一重要的发明彻底颠覆了原有的混凝土桥梁结构受力形式,使得桥梁结构在受力上得到进一步优化,完善了桥梁结构技术。1953 年,主跨为 114.2 m的胡尔姆斯(Worms)桥在德国建成,这标志着悬臂浇筑施工法在工程实践中得到了成功应用,在桥梁发展史上具有划时代意义。德国于 1954 年建成了科布伦茨(Koblenz)桥,这座桥与胡尔姆斯桥相类似,在当时这种T型刚构绝大部分都是跨中带铰的。如图 1.1 所示为平衡悬臂施工示意图。

T型刚构跨中带铰存在很多弊端,首先要考虑铰的费用;其次跨中铰经过长时间荷载的作用,桥面在铰处会形成明显的折线,同时剪力铰也容易遭到破坏,严重影响桥上行车平顺。直到 20 世纪 50 年代,人们才尝试着用挂梁代替桥梁跨中的剪力铰。这种挂梁在很大程度上可以避免跨中带铰的T型刚构带来的不足,提高了桥梁的美观和行车体验度。但是挂梁的缺点随之而来,伸缩缝的增加和牛腿的构造越来越复杂,导致其非常容易遭到破坏,同时,这种挂梁在施工时需要增加配套的架梁设备,使得施工过程变得更加复杂。各种原因导致T型刚构在全世界没有得到广泛的应用。

图1.1 平衡悬臂施工示意图

T型刚构桥梁的伸缩缝较多,已经不能满足社会的发展。在德国工程师的努力尝试下,预应力混凝土连续刚构应运而生,这种桥型很快得到推广应用。工程师们分别在 1960 年和 1962 年相继提出逐孔架设法和顶推施工法,使得这种桥型施工变得相对简单,跨径越来越大。后来,悬臂浇筑施工法被一些工程师尝试着用来建设预应力混凝土连续刚构桥,这种桥型具有伸缩缝少、行车平顺等突出特点,其缺点是在悬臂浇筑施工过程前,墩与梁需要临时固结,在跨中合龙后,需要将临时固结拆除,在墩梁交接处需要改成大吨位的盆式支座,这就是所谓的体系转换。随着跨径的不断增加,支座越做越大,体系转换和支座的后期维修费用也越来越大,这一弊端日趋明显,严重阻碍了预应力混凝土连续刚构桥的发展。工程师们使用前人所得结论,最终创造性地建造出了预应力混凝土连续刚构桥。预应力混凝土连续刚构桥在悬臂施工过程中,只需在墩和梁固结一次,不需要进行体系转换,加快了工程进度,减少了后期桥梁运营维修费用,不但有着连续刚构伸缩缝少和行车舒适度高的优点,还有T型刚构无支座的优点。从 20 世纪 60 年代开始,预应力混凝土连续刚构桥因其各方面的优点得到了迅猛发展。

1974 年,一座四跨(94+144+144+94)m的预应力混凝土连续刚构桥弗尔斯瑙桥(Felsenau Bridge)在瑞士建成;同年,一座主跨为(106+192+106)m的预应力混凝土连续刚构桥摩泽尔桥(Die Mosel Brucke)在德国建成;1982 年,世界上最大跨度的预应力混凝土连续刚构桥休斯敦(Houston)运河桥在美国建成,长度为(114.3+228.6+114.3)m,其桥面宽度为 18 m,采用的是室箱型截面和刚性桥墩;1984 年,连续刚构桥汉诺威-维尔茨堡桥(Nannover-Wurzburg)在德国建成,桥墩使用V字形构造,该桥主跨为(82 +135 +82) m;1985 年,一座主跨为(145+260+145)m的门道桥(Gateway)在澳大利亚建成,该桥以主跨 260 m打破了当时连续刚构桥最大主跨纪录;1998 年,一座主跨为 298 m的四跨连续刚构桥Raftsundet海湾桥在挪威建成,打破了门道桥的纪录,一直保持到现在。某大跨连续刚构桥如图 1.2 所示。国外大跨度连续刚构桥统计见表 1.1。

图1.2 某大跨连续刚构桥图

表1.1 国外PC大跨度连续刚构桥统计表

续表

国内的连续刚构桥起步较晚,1988 年,广东洛溪大桥(主跨为 180m)的建成通车意味着预应力混凝土连续刚构桥在我国得到了应用,从此这种桥型在中国得到了广泛运用。自 20 世纪 90 年代以来,我国相继建成了多座预应力连续刚构桥,如广州虎门大桥、重庆黄花园大桥等。我国桥梁事业虽然起步比较晚,但是发展相当迅速,尤其是广州虎门大桥(主跨为 270 m)保持了两年的世界最大跨度。随着当代材料的进一步发展,大跨度混凝土连续刚构桥必将得到突飞猛进的发展。国内大跨度连续刚构桥统计见表 1.2。

表1.2 国内大跨度连续刚构桥统计表

续表

1.1.2 预应力混凝土连续刚构桥的特点

(1)构造特点

连续刚构桥一般具有薄壁墩、墩梁固结、预应力变截面的连续箱梁的构造特点,由于其预应力一般设置为三向或双向,所以该桥型有很大的横向抗扭刚度和纵向抗弯刚度,同时具有良好的抗震能力、结构整体性强、维护简单等优点。预应力混凝土连续刚构桥在悬臂施工过程前后,墩梁都是固结的,不需要进行体系转换,大大减少了施工步骤,也减少了后期桥梁运营维修费用,不但有着连续刚构伸缩缝少和行车舒适度高的优点,还有T型刚构无支座的优点。

(2)施工过程

在大跨度连续刚构桥主梁施工过程中,绝大部分采用悬臂施工法。大跨度预应力混凝土连续刚构桥在用悬臂浇筑法进行施工的过程中,基本上可分为以下 4 个阶段:

①在桥墩顶处设置钢结构的托架,用于施工主梁的零号块,并且承受其重量。

②对挂篮进行组装,分阶段在挂篮上悬臂对称浇筑混凝土梁段。

③搭设支架,浇筑边跨靠岸混凝土梁段。

④对悬臂端进行合龙,一般是先合龙边跨,再合龙中跨。

在悬臂浇筑过程中,每一梁段的长度通常为 2.5 ~ 5 m,新浇的梁段混凝土强度在满足设计要求后,再张拉预应力钢筋。挂篮可以沿桥梁纵向移动,其支承在前一段已经施加了预应力的现浇混凝土段上。

在悬臂浇筑法施工过程中,每一浇筑梁段的施工程序如图 1.3 所示。

图1.3 悬臂浇筑施工工艺流程

一般情况下,所有的浇筑梁段从施工开始到挂篮前移需要的时间为 7 ~ 10 d。特殊情况下为了加快施工进度,可以使用一定的辅助措施,如在混凝土中掺加早强剂、使用多套挂篮同时施工和采用蒸汽养护等方法。悬臂浇筑法施工的特点主要有:

①在悬臂浇筑施工过程中,对桥下的通航或交通完全没有影响。不使用支架,节约了费用。

②挂篮及其附属的模板能反复使用,降低了造价。

③工作效率得到大幅度提高,同时减少了施工所用的总时间。

④对施工控制精确程度非常严格,施工过程中很多因素都对成桥的内力和线性影响很大,在控制过程中要有严格的保证精确程度的有效措施。 X1MEolQI6PHyj3JCHR7zCTMYDrxWKwYB6eBrKNL4Lpr9o2yU+HS2fsAomM48iBP6

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