大跨度PC连续刚构桥挠曲开裂因素研究

摘要

预应力混凝土连续刚构桥有很多优点，随着预应力技术的发展，中小跨径预应力混凝土连续刚构桥在国内外已得到广泛使用。大吨位群锚预应力技术的出现和悬臂灌筑技术的发展使预应力混凝土连续刚构桥在大跨径桥梁建设领域也显现出很强的竞争优势。近三十年来我国建成了许多跨径在100m至300m左右的大跨径预应力混凝土连续刚构桥。但是，这些桥梁在建成后运营不久多出现梁体开裂，挠度持续增加的问题，而且这些问题带有相当大的普遍性，严重地影响着这类桥的建设和发展。本文针对上述问题进行了以下研究工作，以期理清各相关因素的影响程度，为高质量地设计修建大跨预应力混凝土连续刚构桥提供依据。
　　 一、对国内外已建成的大跨预应力混凝土连续刚构桥的建设和运营状况进行了较全面的调查研究，较详细地分析了国内有代表性的十多座大跨预应力混凝土连续刚构桥的病害现状及其形成和发展过程，并针对其主要成因进行分析。
　　 二、混凝土收缩徐变对大跨度预应力混凝土连续刚构桥这种超静定结构的内力和变形的影响是一个很复杂的过程，论文分析了国内外有代表性的几种规范对这一问题的处理方式和方法，并对其计算结果的差异进行了对比分析。同时，对五座桥的收缩徐变试验结果做了详细的分析对比。
　　 三、通过计算分析，深入研究了运营荷载对这类桥梁徐变变形的发展历程和规律的影响。计算分析表明，汽车运营荷载的徐变效应是不容忽略的，以苏通长江大桥辅航道桥为例，考虑汽车活载效应的成桥10年挠度徐变增量为20cm，增量达5.3cm，占原不考虑汽车活载效应挠度值的36％。因此，建议在设置桥梁预拱度时应充分考虑这一因素。分析表明，合龙时张拉合龙束对克服后期徐变挠度有一定的好处，但兼顾各方面的影响因素，以一年后补张拉为更优。
　　 四、大跨预应力混凝土连续刚构桥的0号块属大体积混凝土，其浇筑时的水化热效应十分突出，是业内人士普遍关注的问题之一，对其缺乏认识或处置不当，常导致梁体开裂。本文通过研究分析，摸清了该大体积混凝土在浇筑时期，各部分温度升降幅度及其变化规律，以及与之对应的混凝土拉应力升降规律和分布规律，为消解混凝土水化热，采取合理的降温和养生措施防止或减小混凝土开裂提供了依据。
　　 五、本文以苏通长江大桥辅航道桥为例，通过对该桥在建设过程中的实时监控，认真总结了大跨预应力混凝土连续刚构桥施工过程中各种因素对成桥质量和线形的影响。研究和实时监测结果表明，混凝土收缩、徐变性能，大风、温度等环境因素，预应力施工误差，施工节段重量误差，挂篮及临时施工荷载等5种因素是影响成桥质量和线形的主因。对这5种影响因素的控制形成了一整套切实可行的措施和方法。
　　 六、以苏通长江大桥辅航道桥为例，分析这一典型的大跨预应力混凝土连续刚构桥从承台施工—桥墩及零号块施工—悬臂灌筑梁体混凝土—合龙—施加二期恒载—运营整个过程的内力和变形历程，剖析每一设计因素和施工措施对整个结构内力和线形的影响。
　　 七、对大跨预应力混凝土连续刚构桥的几个特殊问题进行了较为深入的分析和探讨，这包括：桩基础和承台对桥墩底端约束按固结和弹性约束计算的差别，悬臂施工期间最不利状态下的稳定性分析，纵向预应力和竖向预应力有效性分析，运营阶段横向受力分析及横向预应力有效性的探讨，考虑改变梁体部分截面尺寸对其整体受力状况的影响，箱梁局部应力的分析及其影响。对这些问题的深入剖析可以使我们更清楚地明了混凝土连续刚构桥整个受力历程及可能产生病害的原因。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1国外大跨度预应力混凝土连续刚构桥的发展情况

1.2国内大跨度预应力混凝土连续刚构桥的发展情况

1.3国内外大跨度预应力混凝土连续刚构桥的建设现状

1.4本文主要研究内容

第2章大跨预应力混凝土连续刚构桥病害调研和分析

2.1虎门大桥辅航道桥

2.1.1主梁下挠

2.1.2主梁的施工裂缝

2.2黄石长江公路大桥主桥

2.2.1病害情况

2.2.2病害原因分析

2.2.3修复加固处理

2.3三门峡黄河公路大桥

2.3.1桥梁病害的几次检查测试情况

2.3.2病害原因分析

2.3.3修补加固措施

2.4其它连续刚构桥的病害情况

2.4.1山东台儿庄大桥

2.4.2东明黄河大桥

2.5关于病害的综述

2.6关于病害原因的初步分析与防治对策的讨论

2.6.1关于各类裂缝原因的分析和防止措施

2.6.2关于主梁下挠原因的分析和防止措施

2.6.3关于高性能混凝土的特点

2.7本章小结

第3章混凝土收缩徐变的影响

3.1概述

3.2混凝土收缩徐变的影响因素

3.3混凝土收缩徐变对结构的影响

3.4收缩徐变系数计算方法

3.4.1老化理论

3.4.2先天理论

3.4.3弹性徐变体理论

3.4.4 CEB-FIP 1982年实用设计建议

3.4.5 ACI(209)1982年推荐公式

3.4.6 BP-2模式

3.4.7 CEB-FIP90[公桥规(JTG D62-2004)]计算公式

3.4.8收缩应变计算方法

3.5相关混凝土收缩徐变试验研究结果分析

3.5.1茅岭江大桥工地简支小梁徐变试验研究

3.5.2钱塘江第二大桥混凝土收缩徐变试验研究

3.5.3 96m、112m预应力混凝土连续梁室内小梁徐变试验研究

3.5.4宁波招宝山大桥混凝土收缩徐变试验研究

3.5.5孟加拉Paksey桥收缩徐变对比试验研究

3.6试验研究结果小结

第4章考虑收缩徐变影响的长期运营状态分析

4.1问题的提出

4.2新旧两种桥规的收缩徐变模式

4.3基于两种收缩徐变模式的长期运营状态分析

4.3.1计算参数的选取

4.3.2基于78模式的计算结果

4.3.3基于90模式的计算结果

4.3.4两种计算模式计算结果的对比与结论

4.4汽车荷载长期效应的影响

4.4.1考虑汽车荷载长期徐变效应与否的跨中挠度比较

4.4.2考虑汽车荷载长期效应与否的主要截面法向应力比较

4.5底板后期预应力束补张时机的影响

4.6施工过程中挂篮重量对成桥后长期徐变效应的影响

4.7本章结论

第5章墩顶0号块水化热引起的温度及应力分析

5.1分析模型的建立

5.2主要计算参数及边界条件的选择

5.2.1水化系数m的取值

5.2.2主要计算参数的取值

5.2.3边界条件的确定

5.3第一次浇筑梁体的温度场和应力场分析

5.3.1梁体的温度场分析结果

5.3.2不考虑梁体重力情况下梁体的应力场分析

5.3.3考虑梁体重力情况下梁体的应力场分析

5.4第二次浇筑梁体的温度场和应力场分析

5.4.1梁体的温度场分析结果

5.4.2梁体的应力场分析结果

5.5小结

第6章大跨预应力混凝土连续刚构桥施工过程控制和分析

6.1概况

6.2施工监控重点考虑的因素和主要监控内容

6.2.1控制思路

6.2.2施工控制误差范围

6.2.3主要监控内容

6.3施工线形控制方法和主梁线形修正

6.3.1施工线形控制的总体流程

6.3.2线形计算分析阶段线形控制方法和内容

6.3.3主梁线形修正的过程

6.4施工监测结果及分析

6.4.1监测项目

6.4.2应力监测

6.4.3温度监测

6.4.4线形监测

6.5施工控制计算和分析

6.5.1计算参数

6.5.2计算模型及假定

6.5.3施工阶段计算工况划分

6.5.4计算工况模拟说明

6.5.5计算结果及分析

6.5.6主梁检算

6.6本章小结

第7章预应力混凝土连续刚构桥受力和变形历程分析

7.1桥梁工程概况

7.2计算假定及参数

7.2.1计算假定

7.2.2几何参数

7.2.3材料参数

7.2.4荷载参数

7.3施工和运营阶段内力和变形分析

7.3.1计算模型的建立

7.3.2施工阶段计算工况

7.3.3运营阶段荷载组合

7.3.4计算结果及分析

7.3.5简单结论及建议

第8章预应力混凝土连续刚构桥几个重要问题的进一步分析

8.1考虑结构主墩桩基刚度整体计算分析

8.1.1计算结果及分析

8.1.2简单结论及建议

8.2最大悬臂施工状态结构不平衡弯矩和主墩强度及稳定性分析

8.2.1建立计算模型

8.2.2主梁不平衡弯矩计算及分析

8.2.3主墩强度及稳定性分析

8.2.4结论及建议

8.3纵向预应力及竖向预应力有效性的探讨

8.3.1现场经验取值

8.3.2施工极端取值

8.3.3分析与比较

8.3.4结论及建议

8.4结构运营阶段箱梁横向受力分析及横向预应力有效性的探讨

8.4.1建立计算模型

8.4.2横向计算荷载组合

8.4.3运营阶段箱梁横向受力检算结果及分析

8.4.4分析与比较

8.4.5结论及建议

8.5考虑改变梁体部分截面计算分析

8.6箱梁局部应力分析

8.6.1箱梁O#块局部应力分析

8.6.2箱梁跨中梁段局部应力分析

8.7本章小结

8.7.1结构主墩承台固接整体计算分析

8.7.2考虑结构主墩桩基刚度整体计算分析

8.7.3最大悬臂施工状态结构不平衡弯矩和主墩强度及稳定性分析

8.7.4纵向预应力及竖向预应力有效性的探讨

8.7.5结构运营阶段箱梁横向受力分析及横向预应力有效性的探讨

8.7.6考虑改变梁体部分截面计算分析

8.7.7箱梁局部应力分析

总结与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研项目