适用于大中型桥梁的单伸缩缝桥梁结构性能研究

摘要

桥台处伸缩缝的易损难修复是困扰桥梁界的一个难题。新型半整体式全无缝桥梁可以在中小桥梁中很好地解决这一问题，为了将这一技术推广至大中型桥梁中，本文提出了单缝桥梁结构体系。单缝桥梁是一种保留了桥梁跨中的伸缩缝，通过半整体式桥台、带锯缝的连续配筋接线路面、地梁等方式取消了桥台伸缩缝的结构体系。为了验证单缝桥梁的安全性、可行性和适用性，本文对单缝桥梁进行了系统的理论和参数分析、试验研究及实桥监测。主要研究成果如下:
　　(1)带锯缝的连续配筋接线路面是吸纳主梁温度变形的重要构件。温降时，接线路面受到主梁收缩变形产生的拉力以及接线路面与基层间的摩阻力共同作用，处于偏心受拉状态。本文根据单缝桥梁的受力特点及接线路面与基层的接触关系，将接线路面相邻裂缝间的节段分为全摩阻力节段和部分摩阻力节段;采用粘结—滑移理论，建立了带锯缝的接线路面温降受拉时的计算模型及平衡微分方程组;通过求解方程组，得到接线路面的钢筋应力、混凝土平均应力、混凝土应力沿截面高度的分布以及裂缝宽度的计算公式，并编制相应的程序进行计算。
　　(2)根据单缝桥梁受力变形的特点，建立了单缝桥梁整体结构温度作用下计算简化模型;利用温度中心两侧水平力相等的条件，推导了单缝桥梁结构受力的计算公式;编制了相应的计算程序，并对相关参数进行了敏感性分析，结果表明，支座与主梁接触面的摩阻系数对单缝桥梁受力有较大的影响，应尽量选用摩阻系数较小的支座;选择合适的配筋率能减小钢筋应力，分散裂缝;过长或过短的接线路面均不合适，20m-30m的接线路面适用于300m左右的单缝桥梁;接线路面与基层的摩阻系数是影响单缝桥梁整体性能的重要因素，需选择合适的基层材料;单缝桥梁对台后填土的适应性较强，回填料的选择范围更广;主梁的一部分温度变形通过伸缩缝释放，因此主梁长度对单缝桥梁结构整体受力影响较小，经验证，280m长的梁桥采用单缝桥梁形式是可行的;温度作用，尤其是温降作用，对单缝桥梁受力影响较大，温降值越大，单缝桥梁受力越不利，因此宜选择较低温或晚上合龙。
　　(3)为研究温降时单缝桥梁带锯缝的连续配筋接线路面伸长—拉应力—裂缝的关系，进行了总长28m的接线路面模型试验，张拉端的最大位移是4.363mm，用以模拟1座300m长的单缝桥梁温降44℃时接线路面的变形。试验中测量了张拉端与锚固端的位移、力，部分位置的混凝土应变、裂缝宽度，并与理论计算值进行比较:锯缝间依序出现宽窄不一的裂缝，相邻锯缝间未出现新裂缝，并且锚固端的受力和位移均较小，张拉力顺畅地由张拉端向锚固端传递，并被接线路面吸纳;应变、平均裂缝宽度的计算值略大于实测值，计算值能偏安全地反映接线路面的受力及裂缝产生、开展的状况。
　　(4)对影响接线路面混凝土应力沿截面高度分布的参数进行了分析:接线路面推荐采用分段式配筋方式，近台段宜采用稍大的配筋率，且钢筋宜靠近上表面布置，远台段可适当减少配筋率，钢筋可居中布置;锯缝间距对裂缝的开展有较大的影响;接线路面越厚，混凝土应力沿截面高度的差异性越大。
　　(5)台后工后不均匀沉降导致的搭板破坏是制约整体（半整体）式桥梁推广使用的主要问题。为研究台后发生不均匀沉降后搭板的受力状况，本文通过分析单缝桥梁搭板两端的构造特点、台后不均匀沉降的主要形态，将汽车荷载作用下的搭板简化为两端简支、部分脱空的弹性地基梁进行计算，并对相关参数进行分析，结论如下:搭板宜采用双层配筋方式，防止负弯矩区开裂;需确保搭板钢筋与地梁钢筋的有效连接，且控制搭板下土体脱空长度;推荐采用级配良好的卵石或碎石等作为地基材料。
　　(6)根据以上研究成果，设计了清远市大燕坑桥，该桥位于清远市清三公路上，是我国第一座单缝桥梁，桥梁全长244m，于2013年10月竣工通车。为考察单缝桥梁的受力性能，项目组对其进行了约19个月的监测，期间至少经历了一次年最高温和最低温。目前大燕坑桥的运营效果良好，桥梁梁体完整，桥台、伸缩缝工作正常，全桥桥面及接线路面平整、顺畅，表面无可见裂缝，桥头也未出现沉降和跳车等不良病害。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

符号说明

第1章 绪论

1．1 课题的来源与意义

1．2 国外整体式桥梁的发展进程

1．2．1 美国整体式桥梁的发展进程

1．2．2 西欧各国整体式桥梁的发展进程

1．2．3 其他各国整体式桥梁的使用情况

1．3 国内整体式桥梁的发展进程

1．4 湖南大学无缝桥梁的发展

1．4．1 阶段1整体式桥梁的应用

1．4．2 阶段2新型半整体式全无缝桥梁体系的提出及研究

1．4．3 阶段3新型全无缝桥梁体系推广应用

1．5 适用于大中型桥梁的单缝桥梁

1．6 单缝桥梁与全无缝桥梁的区别与联系

1．7 本文研究的主要内容及研究方法

1．7．1 研究的主要内容

1．7．2 研究的方法

第2章 温降时单缝桥梁接线路面的受力性能

2．1 连续配筋混凝土路面简介

2．2 钢筋混凝土构件裂缝研究

2．3 温降时单缝桥梁CRCP接线路面受力变形性能

2．3．1 节段的受力分析

2．3．2 全摩阻力节段的应力计算

2．3．3 部分摩阻力节段的应力计算

2．3．4 计算流程

2．4 本章小结

第3章 单缝桥梁结构整体受力分析

3．1 单缝桥梁温度中心的计算

3．1．1 温降作用下简化计算模型1

3．1．2 温降作用下简化计算模型2

3．1．3 温降作用下简化计算模型3

3．1．4 温升作用下简化计算模型4

3．1．5 计算流程

3．2 基本参数下单缝桥梁性能

3．3 影响单缝桥梁受力性能的参数

3．3．1 不同支座类型的计算结果

3．3．2 不同配筋率的计算结果

3．3．3 不同混凝土等级的计算结果

3．3．4 不同接线路面长度的计算结果

3．3．5 不同摩阻系数的计算结果

3．3．6 地梁处不同土体抗力系数m的计算结果

3．3．7 不同主梁长度的计算结果

3．3．8 不同温降值的计算结果

3．3．9 温升作用下的桥梁性能

3．4 本章小结

第4章 单缝桥梁CRCP路面温降试验及参数分析

4．1 带锯缝的单缝桥梁CRCP路面模型设计与制作

4．1．1 加载方式

4．1．2 测点布置

4．2 试验结果与计算结果

4．2．1 张拉力及摩阻系数试验结果

4．2．2 混凝土应变实测值与计算值

4．2．3 位移及裂缝宽度

4．2．4 接线路面的应力应变分布

4．3 参数分析

4．3．1 配筋率对CRCP路面性能的影响

4．3．2 混凝土等级对CRCP路面性能的影响

4．3．3 层间摩阻系数对CRCP路面性能的影响

4．3．4 锯缝间距对CRCP路面性能的影响

4．3．5 路面厚度对CRCP路面性能的影响

4．4 结论

第5章 单缝桥梁搭板工后沉降分析

5．1 搭板的工后沉降

5．1．1 搭板工后沉降的产生

5．1．2 台后沉降的控制标准

5．2 单缝桥梁搭板的基本构造

5．3 基于温克尔假定的搭板受力计算

5．3．1 单缝桥梁搭板受力计算的简化模型

5．3．2 基于温克尔假定的搭板受力计算

5．4 搭板的受力分析

5．4．1 基本参数计算

5．4．2 不同脱空长度对搭板受力的影响

5．4．3 不同地基系数对搭板受力的影响

5．5 本章小结

第6章 单缝桥梁依托工程—清远大燕坑桥

6．1 大燕坑桥简介及加固改造设计施工

6．1．1 大燕坑桥简介

6．1．2 大燕坑桥加固改造设计

6．1．3 大燕坑桥施工简介

6．1．4 大燕坑桥单缝化改造所带来的效益

6．2 大燕坑桥试验研究

6．2．1 测量内容及要求

6．2．2 测量元件的布置

6．2．3 测量结果与计算结果的比较

6．3 单缝桥梁的构造要点

6．3．1 伸缩缝的选择

6．3．2 支座的布置形式

6．3．3 桥台处的构造

6．3．4 减少台后沉降的构造措施

6．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间所发表的学术论文