沪蓉西高速公路阶段成果汇报086.docx

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沪蓉西高速公路阶段成果汇报086

湖北沪蓉西高速公路科技项目

山区高墩大跨连续刚构桥设计与施工关键技术研究

2008年度阶段成果汇报

湖北沪蓉西高速公路建设指挥部

湖南大学土木工程学院

中交第二公路勘察设计研究院

2008年6月

第1章项目基本情况…………………………………………………1

第2章项目实施内容…………………………………………………22

第3章项目考核指标…………………………………………………47

第4章项目承担单位及参加单位概况………………………………45

第5章经费预算及资金使用情况……………………………………48

第6章项目经济、社会和环境效益评估……………………………50

第7章已取得的科研成果……………………………………………51

第8章附件……………………………………………………………53

第1章项目基本情况

1.1　项目立项背景

湖北沪蓉高速公路宜昌至鱼泉段处于西部山区，山高坡陡，地质条件复杂，河谷深切、宽阔，架设桥梁在峡谷中设置桥墩非常困难，因此特大跨径桥梁的应用成为必然，也由此导致所采用的预应力混凝土连续刚构桥必须是超高桥墩和特大跨径，使得相应的设计与施工更趋复杂和富于特点。

虽然预应力混凝土连续刚构桥以其良好的结构受力性能和使用性能而在现代大跨桥梁结构中得到越来越广泛的应用，最大跨径已突破300m（挪威Stolma桥，主跨301m，1998年）；国内同类桥梁的最大跨径也已位于世界前列（广东虎门大桥辅航道桥，主跨270m，1997年）。

但与之相应的是现存大跨预应力混凝土连续刚构桥的设计理论和施工技术并非十分完善，这一点从国内已投入运营的同类桥梁上较普遍地出现了不同程度的病害而得到反映。

况且沪蓉国道主干线湖北西段将穿越鄂西南山区，跨越高深峡谷，地质、地形条件极为复杂，由此必然导致所采用的预应力混凝土连续刚构桥也一般应是高墩、大跨，使得相应的设计与施工更趋复杂和富于特点。

因此，结合沪蓉国道主干线湖北西段沿线众多桥梁的设计与施工实践，对山区高墩大跨连续刚构桥设计与施工的关键技术进行研究，为沿线同类桥梁的成功顺利修建提供卓有成效的技术支撑、为同类桥梁设计理论与施工技术的发展和完善提供可靠依据极具意义。

并为西部深沟桥梁结构形式比选提供科学数据，对西部高速公路其它类似桥梁的勘察、设计、施工、运营管理等具有重要的指导作用。

基于此，湖北省交通厅对此予以立项进行研究。

项目批准文号为鄂交科教（2004）343号，项目依托工程为沿线第12合同段-龙潭河特大桥，项目研究的起止年限是2004年12月-2008年12月。

1.2　项目总体目标

项目研究的目的是紧密结合沪蓉国道主干线湖北西段沿线典型大跨预应力混凝土连续刚构桥的设计与施工的具体实际，对山区高墩大跨连续刚构桥设计与施工中的关键技术，如混凝土薄壁箱梁桥的裂缝防治措施、高墩施工过程中的稳定性以及上部结构的施工控制等问题进行研究，以确保研究对象设计与施工的顺利进行并促进我国桥梁科技技术水平的提高。

通过系统的理论分析、实验研究、工程测试验证，对所提出的关键内容进行卓有成效的研究，解决存在的问题，在山区高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥设计与施工的关键技术研究领域取得具有国际先进水平的研究成果，实现超高墩大跨连续预应力混凝土连续刚构桥梁的工程优化设计，并对沪蓉西高速公路的工程建设提供强有力技术支撑且促进桥梁科技技术水平的进步。

1.3　计划研究的主要内容及创新点

为使项目研究能取得比较完整、系统的研究成果，考虑现存同类桥梁上所出现的病害，结合山区高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥施工及运营过程中的结构特点，而拟定对下列内容进行研究：

一．与设计有关的主要研究内容：

1.大跨预应力混凝土连续刚构桥结构整体的合理布置及结构各部分尺寸的合理确定

结构整体布置的合理与否是结构设计是否成功的关键。

如果结构布置不合理，不管随后的结构分析计算如何精细，都难以弥补结构设计的失败。

迄今几乎各类桥梁的结构布置均基于设计的经验知识而非基于一个比较完善的理论系统体系。

因此，如果能提出一种结合结构工程实际且基于专家知识、结构拓扑优化的结构选型和结构布置分析系统,无疑将对大跨桥梁结构设计的更加科学化具有重要的理论意义及工程实用价值。

该专题主要创新点为：

（1）基于专家系统和结构拓扑优化知识在满足结构使用功能要求前提下的结构选型和结构布置系统的提出；

（2）基于结构优化知识在满足结构受力变形性能要求前提下的结构各部分尺寸的确定。

2.混凝土薄壁箱梁桥的温度和混凝土收缩徐变作用及其效应研究

混凝土薄壁箱梁以其良好的结构整体受力性能和跨越能力而在现代大跨桥梁结构中得到广泛的应用，大跨预应力混凝土连续刚构桥的主梁亦不另外地采用这种断面形式。

但在国内迄今所修建的混凝土薄壁箱梁桥中，在施工阶段和/或运营阶段，箱梁上均存在较多的开裂现象，这一问题至今尚未得到较好的解决，已成为多年来困扰工程技术界的一个难题。

众所周知，如果结构上的各种作用、作用效应以及结构抗力均已确定清楚且足以反映结构的受力实际，则据此进行的结构设计在正常施工、正常使用的前提下结构应该满足相应的预定功能要求，在设计使用年限内不致发生意料之外的病害。

基于现有的分析理论和分析手段，结构在确定作用下的作用效应（内力与变形）应该能比较可靠地予以确定，如果施工质量在严格控制的前提下能得以保证，则问题的出现只有结构上的作用是否合理确定与否。

桥梁结构上所承受的作用一般有荷载（包括恒载和活载）等的直接作用以及温度、混凝土收缩徐变和支座位移等的间接作用。

至于恒载、活载等直接作用和支座位移、支座不均匀沉降等间接作用下薄壁箱梁桥的结构反应，采用现在的结构分析理论就可以对其进行切合实际的刻划和描述，这已为众多的现场和室内荷载实验结果所证实。

而温度、混凝土收缩徐变等间接作用（非荷载作用）下薄壁箱梁桥的结构反应由于结构内温度场特别是日照温差模式确定的不易以及对混凝土收缩徐变特别是徐变机理认识的有限使得采用现行分析理论所得结果具有相当的近似性和不确定性，因此一般认为薄壁箱梁桥上所出现的这些裂缝是由于日照温差和混凝土收缩徐变等非荷载因素特别是日照温差所导致的结构温度应力所致，但问题是为什么按现有规范进行计算还不能避免这种现象的出现？

其原因应该是现有计算方法和温差计算模式的不完善所致。

湖北的气候属于大陆性中亚热带季风湿润气候，光热充足，雨量丰沛，无霜期长，湿热天气为其主要特征。

因此，处于湖北地区的混凝土薄壁箱梁结构，其内的典型温度场应该带有其自身的区域特征。

结合沪蓉西线上一座典型大跨预应力混凝土箱梁桥的修建，对其在典型日照温差下结构内的温度场以及内力和应力进行测试，确定适合于湖北地区的日照温差模式以期解决混凝土薄壁箱梁开裂这一工程上迫切需要解决但又尚未解决的课题具有极为重要的理论和实际意义。

迄今人们对混凝土收缩徐变特别是混凝土徐变机理的认识还不清楚，现行有关混凝土收缩徐变的计算公式多以实验室模型实验结果为依据确定的，但由于实际混凝土箱梁结构的尺寸较大同时又处于复杂的自然环境中，因此，以实验室模型实验结果为依据确定的混凝土收缩徐变的计算公式能否应用于自然环境中的大型桥梁结构上的确有必要作进一步的审视，特别是需要实际结构中的实测结果加以验证。

因此，对混凝土薄壁箱形构件作为主梁的连续梁桥和连续刚构桥由于混凝土的收缩徐变所导致的结构反应进行现场实测亦具有极为重要的理论和实际意义。

而国内外结合实际工程以实际工程为观测对象进行这方面的详细研究目前还非常少见。

总之，混凝土薄壁箱梁桥在结构温度和混凝土收缩徐变等非荷载直接作用下的结构反应是桥梁工程界迫切需要解决但又尚未完全解决的一个极为复杂的问题，从而导致按现行规范所设计的混凝土薄壁箱梁桥的主梁上存在普遍开裂这一现象。

结合具体工程实际，对这一复杂问题进行研究，以期能获得混凝土薄壁箱梁桥在结构温度和混凝土收缩徐变等非荷载直接作用下的结构确切反应，此举对混凝土薄壁箱梁在现代大跨桥梁中的可靠应用具有极为重要的实用价值和相应的理论意义。

该专题主要研究内容及创新点为：

（1）混凝土箱梁日照温度应力和温差模式的测定

对处于自然环境中的大跨预应力混凝土薄壁箱梁桥的各种效应（包括温度效应、混凝土收缩徐变效应以及箱梁竖向预应力损失等）进行大规模的现场观测，所获得的各种翔实可靠的实测数据及其有关分析结论具有极为重要的实用价值和相应的理论意义；

（2）混凝土收缩徐变所导致的结构反应测定

a）现场试验研究：

在成桥时测定结构内的典型温度场、结构线形、结构各控制截面的应力作为结构长期观测的初始状态，在成桥后2年内与成桥时的同一季节和同一天气情况下在基本无车辆通过桥面的前提下测定结构内的典型温度场、结构线形、结构各控制截面的应力并与初始状态时的相应量进行比较，从而确定结构由于混凝土收缩徐变所导致的结构反应。

b）试验室试验研究：

在实验室进行混凝土薄壁箱梁模型长期加载下的试验研究，以期与现场试验结果进行比较而确定自然环境和尺寸效应对结构徐变效应的影响。

（3）混凝土薄壁箱梁日照温差和混凝土收缩徐变计算模式的确定

a）提出混凝土薄壁箱梁区域性的日照温差计算模式，该温差模式不仅考虑箱梁竖向温差，同时还考虑箱梁横向温差，并形成地方性的技术标准；基于能量变分法原理和等效荷载法，针对等截面简支（或悬臂）箱梁推导能同时考虑箱梁纵向应力和横向应力的箱梁温度应力计算方法；

b）提出同时考虑混凝土温度、环境相对湿度、混凝土配筋率、箱梁局部理论厚度等因素及其变化的混凝土收缩应变和徐变系数计算方法，且能够较好地应用于处于自然环境中的大跨箱梁桥的收缩徐变效应分析中。

3.高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥复杂区域的受力分析及配筋研究

结构内各部分根据其受力特征可分为两类区域：

主要区域和局部区域。

所谓主要区域是指结构受力比较单纯的区域。

对于连续刚构桥这类结构体系，在结构整体分析时，可按平面杆系结构进行考虑，对每一杆件离开两端节点的中间部分，其分析结果可足够精确地反映这部分结构的实际受力特征，亦即这部分区域可视为主要区域，在此区域，平截面假定是适用的。

对于杆端节点及节点附近区域，平截面假定并不适用，其受力要比主要区域复杂得多，因此可视为局部区域。

对于高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥，梁、墩截面的尺寸很大，使得节点附近的复杂受力区域范围较大，而现行相关规范对结构这类复杂区域的受力分析及配筋设计并未给出明确的规定，设计人员多凭经验进行处理，由此导致节点区域的配筋没有多少依据的密集配置，造成施工质量往往难以保证，而密集配筋的有效性却值得重新审视。

因此，对高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥节点复杂受力区域的内力分析及设计进行研究，提出这些区域的合理配筋方案对于结构的合理设计具有意义。

该专题主要研究内容及创新点为：

（1）节点复杂受力区域的结构受力分析、结构传力路径的合理确定；

（2）结合有限元分析，确定大跨预应力混凝土连续刚构桥墩梁固结处及附近区域D区范围并全面掌握墩梁固结处及附近区域的应力状态，利用拉压杆模型进行配筋设计。

4.高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥受力的非线性及稳定分析

由于超高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥桥墩的长细比一般较大，其在高墩本身及上部结构悬臂施工过程中对竖向不平衡荷载和纵、横向的水平风载的大小更趋敏感，结构的几何非线性效应必须考虑才能真实反映结构的实际受力形态，而且借助结构的几何非线性分析可以确定结构相应于第一类稳定问题（分枝失稳）的稳定安全系数，毕竟这类稳定问题的分析可视为结构几何非线性分析的副产品。

此外，为确定结构的实际承载能力和安全储备以及第二类稳定问题（压溃失稳）的稳定安全系数，使得对结构进行包含材料非线性在内的完全非线性分析成为必需。

该专题主要研究内容及创新点为：

（1）基于能量原理，研究双肢薄壁高墩在施工过程中的整体稳定问题。

根据墩和连系梁之间的变形协调条件，推导便于工程人员现场应用的双肢薄壁高墩在悬臂施工阶段面内和面