連續結構

公路和鐵路橋樑中常用的連續結構型式有單柱式、雙柱式及 V 型。為了對其受力特性作一分析 ,特將它們的邊跨約 1 /4(距端支點 6 m)、中跨約 1 /3處、中跨中 (主梁最大正彎矩位置 )以及肢柱或墩柱中心線處 (主梁最大負彎矩位置 )的應力、內力以及肢柱或墩柱桿端的內力值。彎矩 M以截面上緣受壓為正;軸向力 N 以受壓為正 。 另外 ,在 V 型連續剛構中 ,距端支點 6 m 處截面上緣最小應力和 V 外肢外側處截面下緣的最大應力值控制著各該處的應力檢算 , 故特列出其應力值。

基本介紹

• 中文名：連續結構
• 外文名：continuous structure 
• 拼音：lián xù  jié gòu
• 型式：單柱式、雙柱式及 V 型
• 所屬類別：土木工程
• 適用領域：橋樑架設

連續結構的概念及發展

簡支梁橋面(板)連續階段

簡支梁橋是梁式橋中套用最早、最廣泛的一種橋型,但橋面伸縮縫的存在致使行車顛簸頻繁 。為了提高行車舒適性, 出現了各種形式的橋面連續簡支梁橋。簡支梁橋在橋面連續後 , 減少或消除了連續跨內的伸縮縫, 獲得了較長的連續橋面;而在垂直力的作用下,各跨仍然保持簡支梁受力的基本特徵, 橋面連續部位近似於一種不完全鉸的作用。根據連續部位的受力特徵不同,可將之分為剛接的橋面連續板和鉸接的橋面連續板及拉桿式橋面連續板。常見的拉桿式橋面連續板又分為兩種:允許開裂方式和不允許開裂方式。值得說明的是, 即使不允許開裂方式的橋面也難免開裂。

由於簡支梁橋面(板)連續曾一度占據很重要的地位,因而引起了國內外眾多學者的關注。馬廣德(1985年)提出了針對橋面連續簡支梁的力素分析法 ;周一勤(1992 年)對力素分析法進行了適當改進並套用於斜梁橋的橋面連續簡支梁的內力分析中 ;陳禮標等(1993年)分別對彈性支撐橋面板和簡支梁連續端部的橋面鋪裝層結構進行了分析。儘管簡支梁橋面連續的分析方法多種多樣, 但其分析基礎基本上都是結構的線彈性理 ,所不同的僅是簡化方式和條件的細微差別。作為橋面板連續的重要內容之一, 組合梁採用混凝土板實現連續的運用較多,且多採用普通鋼筋實現混凝土板的連續,其構造並無特殊之處。

恆載簡支、活載連續、體系不轉換階段

主梁簡支、橋面連續的結構體系雖然曾迅速普及,且橋面連續的工藝不斷改進,但無論從理論上還是構造實踐上均不盡完美, 破損情況依舊發生。為了更好地解決此類問題,出現了“恆載簡支、活載連續、支點不轉換的連續梁”構想,即完全按簡支梁施工, 安放兩個支座,然後在橋墩頂處設定普通鋼筋、後澆混凝土接頭,待澆築的混凝土達到強度後,結構體系就轉化為連續梁體系(結構連續), 其受力特點顯然要比簡支梁優越。20世紀60年代,在江蘇省蘇家咀排河大橋上就採用恆載簡支、活載連續、支點不轉換的方式建造了8 孔15 m 的連續T 梁橋,至今運營狀況良好。

連續結構的內力值

內力的分析比較

( 1)就計入活載後的純荷載內力看,中跨中的正彎矩,連續梁為V 型剛構的1. 79倍,單柱式剛構為V 型剛構的1. 31倍,雙柱式剛構為V 型剛構的1. 14倍;軸向力,唯有雙柱式剛構為- 1 245 kN,單柱式剛構的軸向壓力為V 型剛構的4. 73倍。在支撐處最大負彎矩,連續梁為V 型剛構的1. 68 倍,單柱式剛構為V 型剛構的1. 72倍,雙柱式剛構為V 型剛構的1. 38倍; 相應軸向力,僅有雙柱式剛構為- 1 034 kN,單柱式剛構的軸向壓力為V 型剛構的1. 68倍。外肢柱端部彎矩,單柱式剛構為V 型剛構的7. 50倍,雙柱式剛構為V 型剛構的2. 65倍。因此,純荷載產生的內力, V 型剛構正、負彎矩值均最小,且分布均勻; 雙柱式剛構雖然正、負彎矩值較小,但出現了大的軸向拉力。所以, V 型剛構最好,似乎雙柱式剛構次之,連續梁較差,單柱式剛構最差。

( 2)就總的(含預應力)收縮徐變次內力看,中跨中的彎矩,除單柱式剛構為+ 1 372 kN·m 外,其餘均為負值,且連續梁為V 型剛構的7. 65倍,雙柱式剛構為V 型剛構的3. 00倍;軸向拉力,連續梁為V 型剛構的0. 68倍,單柱式剛構為V 型剛構的1. 52倍,雙柱式剛構為V 型剛構的1. 63倍。在支撐處的最大負彎矩, 連續梁為V 型剛構的0. 32倍,單柱式剛構為V 型剛構的1. 20倍,雙柱式剛構為V 型剛構的1. 40倍; 相應的軸向拉力,連續梁為V 型剛構的0. 81倍,單柱式剛構為V 型剛構的1. 02 倍,雙柱式剛構為V 型剛構的2. 02倍。外肢柱端部的彎矩, 單柱式剛構為V 型剛構的6. 94倍,雙柱式剛構為V 型剛構的2. 19倍。其相應的軸向力由V 型剛構的745 kN 壓力,變到單、雙柱式剛構的683 kN、7 887 kN 的拉力。就有利於結構的總體受力而言,希望由收縮徐變產生的次內力中,軸向力以拉力越小越好,彎矩則以在跨中產生的負彎矩值大、在支撐區產生的負彎矩值小為好,因為這樣才能使其與荷載內力迭加後達最佳效果。因此可知: 收縮徐變產生的次內力從整體上看,連續梁為最好, V 型剛構次之,雙柱式的剛構較差,單柱式剛構最差。

(3)以左主墩支座下沉1 cm 的內力看, V 型剛構的中跨中產生的負彎矩及軸向壓力,支撐處的正彎矩值,均為諸結構中最大,其餘各型結構內力數值差不多,可知不均勻的地基下沉產生的內力,以V 型剛構最好,其餘者差不多。

( 4)溫變次內力,以降溫20℃為例,中跨中的正彎矩,單柱式剛構為V 型剛構的1. 30倍,雙柱式剛構為V 型剛構的0. 53倍;軸向拉力,單柱式剛構為V 型剛構的2. 43倍,雙柱式剛構為V 型剛構的2. 69倍。支撐處負彎矩,單柱式剛構為V 型剛構的1. 24 倍,雙柱式剛構為V 型剛構的1. 78倍; 軸向拉力, 單柱式剛構為V 型剛構的3. 89倍,雙柱式剛構為V 型剛構的2. 43倍。外肢柱端部的彎矩, 單柱式剛構為V 型剛構的8. 94倍, 雙柱式剛構為V 型剛構的3. 05倍; 軸向力,唯雙柱式剛構為- 4 008 kN,而V 型剛構及單柱式剛構分別是886、221 kN。在整體升降溫時,連續梁不產生溫變次內力。所以,整體升降溫的溫變次內力,從總體上看,以連續梁最好, V 型剛構次之,雙柱式剛構較差,單柱式剛構最差。

( 5)最終,就計入相同配筋的預應力及其他各項主力荷載後的內力情況看,中跨中的正彎矩值,連續梁為V 型剛構的1. 64倍,單柱式剛構為V 型剛構的1. 69 倍,雙柱式剛構為V 型剛構的0. 92倍;其相應的軸向壓力,連續梁為V 型剛構的1. 11倍,單柱式剛構為V 型剛構的0. 89倍,雙柱式剛構為V 型剛構的0. 76倍。支撐處的負彎矩值, 連續梁為V 型剛構的1. 52 倍,單柱式剛構為V 型剛構的1. 80倍,雙柱式剛構為V 型剛構的2. 05倍;相應軸向壓力,連續梁為V 型剛構的0. 87倍,單柱式剛構為V 型剛構的0. 88倍, 雙柱式剛構為V 型剛構的0. 76倍。外肢柱端部彎矩值, 單柱式剛構為V 型剛構的7. 74倍,雙柱式剛構為V 型剛構的2. 39倍; 相應軸向力,對雙柱式剛構者為3 790 kN 的拉力,而單柱式剛構與V 型剛構軸向壓力之比為1. 15倍。所以,在主力時, V 型剛構正負彎矩值小,且分布均勻,受力狀態最好。雙柱式剛構雖然中跨中的正彎最小,但支撐處的負彎矩卻最大,且外側墩柱受拉,將對設計不利。單柱式剛構的正負彎矩值均相當大,內力分布不均勻。連續梁正負彎矩均較大,內力分布較均勻。

另外,從主力時的應力值看,控制點的中跨中下緣最小應力及支撐區下緣最大應力, 均以V 型剛構最好,雙柱式剛構次之,連續梁較差,單柱式剛構最差。

(6)上面所列舉的各項內力及主力下的應力,均是在以V 型剛構結構檢算得到滿足的相同配筋條件下之值。但是,這種配筋是不能滿足其他3種類型結構的要求的。對此,又對相應的連續梁進行了滿足其截面檢算的配筋計算,結果是: V 型剛構的預應力筋為20 630 kg ,而連續梁的預應力筋為21 448 kg ,為V 型剛構的0.04倍。

內力比較結論

從上述各項的分析可知 ,包括主梁和肢柱在內的結構整體受力的大小和均勻性看, V 型剛構最好;雙柱式剛構的主梁受力狀態雖然較好,但其墩柱將出現軸向拉力,可能要布置預應力筋;連續梁的內力狀態雖不如前兩者好,但比單柱式剛構要好。然而,從內力表的收縮徐變和溫變次內力看,對結構設計起控制作用的中跨中來說,雙柱式剛構比V 型剛構要好。因為在中跨中,收縮徐變的負彎矩,雙柱式剛構為V 型剛構的3. 0倍; 降溫20℃的正彎矩,雙柱式剛構為V 型剛構的0. 53倍。

由於V 型剛構的V 型墩所構成的三角形斜撐比同截面的雙柱式直桿縱向抗推剛度大,可以分析到: 隨著結構跨度的加大,上述次內力的相差量將更顯突出, 從而制約了在大跨度連續結構中V 型剛構受力的優越性的發揮,而對於雙柱式剛構,當跨度加大,結構自重增加後,外柱出現拉力的現象也將得到改善。另外,從構造的複雜性和施工的難度看, V 型剛構不如雙柱式和單柱式剛構好,而且跨度較大, V 型剛構的V 型墩的高度及其張開的距離會越大,其施工難度和所需的臨時聯結件更會增加。所以,在大跨度連續結構中,雙柱式連續剛構可能優於V 型連續剛構。綜上所述,當在考慮有利於景觀的美麗和受力性能良好的中等或較大跨度結構時,可將V 型剛構列為首選方案,否則可採用連續梁。而在大跨高墩時,以採用雙柱式或單柱式剛構為好。

連續結構橋樑施工

近幾年，先簡支後連續結構梁橋在高等級公路中得到了越來越多的使用，逐漸代替了原來單一的簡支梁橋或連續梁橋，它兼顧了簡支梁橋和連續梁橋的優點。而體系轉化在先簡後支連續梁橋施工中具有重要意義。

適用範圍

先簡支後連續橋樑這種結構比其它裝配式連續梁濕接縫數量少，不需要臨時支架，特別適用與軟土、深水、高墩等。在我國公路建設中，跨徑為20 ～30 m 的連續梁橋大量採用了這種結構。根據這種結構的特點可知，隨著跨徑的增大，自重內力迅速增加，簡支梁內力占去了連續梁內力的大部分而顯得不合理。一般認為先簡支後連續橋樑的適用跨徑為50 m 以內。

工藝原理

把一聯連續梁分成幾段，每段長度約一孔，各段在預製場預製後經移運吊放到墩台頂的臨時支座上，在完成濕接縫前的各項工序後澆注濕接縫砼，在濕接縫砼達到設計或規範規定的強度後張拉負彎矩預應力束，拆除臨時支座，使連續梁落到永久支座上，完成由簡支到連續的體系轉換。這種結構在體系轉換前屬簡支梁，簡支梁內力在體系轉換中原封不動地帶到連續梁，體系轉換、二期恆載及活載等內力按連續梁計算。

體系轉化

預製梁板安裝在臨時支座上，並調整好軸線與標高后即可進行濕接縫的施工。對於擱置梁板的臨時支座其強度和剛度必須保證在梁板架設過程中不破損，基本上無沉降量。目前廣泛使用的臨時支座有硫磺砂漿性臨時支座、活塞套筒式臨時性支座、砂筒式臨時性支座等，根據使用情況看，砂筒式臨時支座科技含量較高，能有效降低勞動強度可重複利用，適合特大橋使用。硬木框砂池具有成本低，拆卸方便的特點，但其承載力較低，適用於跨徑較小的小箱梁。T梁吊裝完成後，預製梁非連續端安裝在永久支座上，連續端安裝在臨時支座上，此時墩頂永久支座暫不受力，由臨時支座參與結構受力，支撐箱梁，每跨之間為簡支體系，待體系轉換完成後，形成整體的連續結構體系，再將臨時支座拆除，使原來布置在墩頂中間的永久支座參與受力。

簡支轉連續體系轉換的主要施工工序是先連線橋面板鋼筋、端橫樑鋼筋及澆築端橫樑混凝土，再逐次連線連續接頭段及設定接頭鋼束波紋管並穿束、綁紮中橫樑鋼筋、澆築連續接頭段和與頂板鋼束同長範圍內的濕接縫，待混凝土達到設計強度要求後，進行墩頂鋼束張拉及壓漿，再由跨中向支點澆築剩餘部分的濕接縫，最後拆除臨時支座，使梁支承在永久支座上，經支座轉換形成連續梁體系。

簡支轉連續梁橋體系形成的關鍵是結構從簡支狀態轉換為連續狀態，包括混凝土現澆段施工、頂板負彎矩預應力張拉和臨時支座的拆除。其中連續端澆築及張拉壓漿順序採用對稱澆築、對稱張拉。

混凝土現澆段施工

現澆段混凝土採用分期澆築，一期為端隔梁混凝土澆築;二期為墩頂兩側負彎矩鋼束範圍內濕接縫、墩頂連續接頭混凝土一同澆築; 三期為墩頂負彎矩張拉壓漿完成後，澆築剩餘橋面板濕接縫混凝土。現澆段混凝土澆築時間應與主梁預製時間之間間隔不超過90 d。在澆築連續接頭前先將對應的頂板負彎矩鋼束波紋管連線好，保證連線可靠，不漏漿，在中隔梁範圍內圓滑過渡，再焊接連線接頭處的主梁鋼筋和隔梁鋼筋。濕接縫處模板採用對拉螺栓吊籃，隔梁處底模下墊中砂找平，模

板安裝完畢後沖洗已經鑿毛處理的混凝土表面。混凝土採用微膨脹混凝土，澆築時間選在日最低且不高於20 時，且各墩頂現澆段的澆築氣溫應基本相同，溫差控制在5 之內。澆築完成後使用無紡布覆蓋灑水養護，防止裂縫。達到設計強度的 100% 時，進行頂板負彎矩張拉。

頂板負彎矩預應力張拉

在此工序中需要重點控制的主要是預製梁端頂板負彎矩預應力波紋管的預埋及頂板負彎矩固定端的鋼束錨固。為保證連續接頭處波紋管連線的順直完好，預製梁頂板波紋管使用u 型卡固定於鋼筋骨架上，保證波紋管橫、縱向位置不偏移; 波紋管梁端預留長度不小於20 cm，並及時保護起來，防止預留波紋管折斷、破損、鏽蝕，影響與臨跨波紋管的連線。保護措施一般採用: 首先用彩條布包裹起來，防止鏽蝕，再將預留段波紋管與梁端預留鋼筋綁在一起，防止在外力作用下波紋管折斷、變形。當發生預留波紋管緊靠梁端面折斷時，必須在梁端面鑿進不小於 5 cm，將鑿出的波紋管進行連線。頂板負彎矩固定端錨具採用 bm15p － 5 型，在固定端槽口內先安裝錨區螺旋筋，再在錨板外安裝擠壓頭將鋼束固定，最後安裝排氣管並保證波紋管通暢，滿足壓漿要求。預應力鋼束的張拉採用雙控一次兩端同時、同步對稱張拉。張拉時對預應力束中的每根預應力筋逐根張拉，同一墩頂預應力鋼束張拉順序按照由邊梁向中梁對稱、均勻張拉。張拉時必須保證千斤頂與工作錨的垂直，若張拉端槽口過淺需鑿至工作深度，以防錨口損失過大甚至鋼束斷裂的發生。壓漿完成後，校正張拉端槽口普通鋼筋，採用相同直徑鋼筋電焊連線，連線完成後進行槽口混凝土澆築。在對頂板負彎矩張拉後的箱樑上拱值進行觀測後，發現變化很小( － 0． 1 ～ 0． 2 mm) ，基本上可以判斷頂板負彎矩張拉對箱樑上拱值影響不大。

支座拆除完成體系轉化

負彎矩鋼束全部張拉完成、壓漿、封錨後，由跨中向支點澆築剩餘部分的濕接縫，待強度達到設計要求後進行即可落梁，進行體系轉換。支座拆除的核心是要保證梁體均勻、同步下降，支座共同受力。由一聯兩邊跨開始對稱向中跨落梁，對每個墩兩側對稱進行，下落方法是打開砂箱外側鋼管預留螺栓，砂箱內乾砂在梁重作用下自動流出，解除臨時支座，完成體系轉換。