先简支后连续结构体系浅析
胡卫东（甘肃省交通规划勘察设计院有限公司 兰州 730000 ）
[提 要] 总结多年的设计经验，探讨甘肃公路建设中多跨中等跨径桥梁应用先简支后连续的结构形式、受力分析了、结构受力的合理性等问题并结合工程应用实例进行分析比较, 对先简支后连续体系的应用提出了建议。
[关键词]桥梁；先简支后连续；合理性
一、 概述
随着甘肃最近几年高等级公路的快速发展，对连接高等级公路的桥梁的质量控制和进度要求也越来越高。目前的现状是：对于小跨径的高等级公路桥梁多采用装配式钢筋混凝土板梁的形式，中等跨径的桥梁则采用装配式预应力混凝土箱梁的形式，对于大跨径预应力混凝土连续梁桥。但由于现浇连续梁的施工复杂繁琐、费工费时，人们一直希望将简支梁的批量预制生产和连续梁的优越性能结合起来，实现用箱梁批量预制生产的方式来加快连续梁的建设进度，这就是“先简支后连续”方法得到广泛应用的背景。
先简支后连续桥梁结构就是两跨及两跨以上的预应力混凝土梁通过现浇混凝土形成连续结构，优点有以下几点：1、刚度大、变形小、伸缩缝少和行车舒适；2、简支梁的预应力钢束在工厂进行张拉，而负弯矩区的预应力钢束布置及张拉均在主梁上进行，仅需吊装设备起吊主梁，减少了施工设备，又能避免张拉预应力钢束造成地面上的障碍；3、预制梁能采用标准构件，进行工厂化统一生产和管理，有利于技术操作，节省了施工时间，缩短工期，提高经济效益。 二、 先简支后连续结构体系的型式
先简支后连续法是指:把一联连续梁、板分成几段，每段长一孔，各段在预制场预制后经移运吊放到墩台顶的临时支座上，在完成湿接缝的各项工序后浇注湿接缝混凝土，然后张拉负弯矩预应力束，拆除临时支座，使连续梁落座到永久支座上，完成结构由简支到连续的体系转换。 图1 先简支后连续的结构体系形式
图1所示为甘肃境内宕昌至迭部公路某在建大桥先简支后连续箱梁结构形式示意图。该桥采用5孔一联的30m箱梁先简支后连续结构，该形式桥梁在相邻两简支跨之间浇筑湿接缝混凝土， 待混凝土达到设计强度后， 张拉内支座区域上缘设置的预应力钢筋， 使其形成连续体系。 由于这种体系施加的预应力范围较长， 因此, 在后期外荷载作用下， 其结构连续性能更佳。 这种形式的先简支后连续结构，是一种较完整的预应力混凝土结构， 在荷载作用下桥梁上部结构的整体协调性能好。 三、 先简支后连续结构体系的受力分析
简支转连续结构存在结构体系的转换过程，从施工到建成分为两个阶段：预制简支构件的安装架设（简支阶段）；内支座区域现浇湿接缝混凝土、预应力钢筋后期张拉形成完整的连续结构（连续阶段）。简支阶段构件承受的是本身自重和前期预加力以及施工荷载等前期荷载；形成连续梁之后，构件还要承受后期恒载、车辆荷载、后期预加力，以及使用阶段的其它可变荷载等后期荷载。因此，先简支后连续结构的受力与简支梁或者完全的连续梁有较大的差别。主要差别在下面两个方面：
图2 简支阶段桥面系弯矩图
图3 连续阶段桥面系弯矩图
（1）结构变形 在简支阶段由自重、前期预应力筋张拉力、收缩徐变及预应力损失等因素使结构产生的变形, 在湿接缝混凝土浇筑及后期预应力筋张拉后, 其变形即被约束。这样, 前期与后期荷载分别在两个不同的结构体系下产生变形,且变形互不干挠。因此, 后期预应力筋张拉后, 结构的线形将更趋平顺, 使桥梁保持良好的线性。
（2） 内力及内力重分布 结构体系转换过程中, 内力变化比较复杂。在预
制装配为简支结构时, 混凝土的龄期较早, 收缩与徐变的变形量都较大, 这时的变形结构是静定体系, 不产生支座反力, 没有内力重分布问题。此时支座产生的不均匀沉陷也不产生次内力。在张拉后期预应力筋后, 张拉力对结构内力及截面应力产生影响。在结构形成连续体系之后, 对于收缩、徐变以及支座不均匀沉陷的分析则应按连续梁体系计算, 这时还应考虑其次内力以及内力重分布等。一般情况下, 从预制张拉、简支拼装到形成连续体系要经历2～3个月以上, 这一期间是混凝土收缩与徐变发生量最大的时期, 结构处于静定结构状态, 混凝土的收缩与徐变的影响仅发生结构的变形而不产生次内力。在形成连续体系后, 部分的后期恒载（主要是桥面铺装）将会产生徐变次内力, 但是与完全连续梁相比, 其产生的徐变次内力要相应小得多。因此简支转预应力连续桥梁在受力性能方面具有优越性, 对混凝土的收缩、徐变, 以及支座不均匀沉陷等影响较小。 四、 先简支后连续结构体系受力的合理性
中等跨径桥梁的受力特性之一是可变荷载（主要是汽车荷载）产生的内力占总荷载内力的比例较大。图4为T形截面简支梁，当跨度20～40m时，跨中弯矩中的汽车-超20级荷载产生的弯矩与总荷载弯矩的比（kM=Mp/（MG+Mp））。该简支梁最大的kM高达约50%。图5为相同截面形式的三跨连续梁跨中弯矩及内支座弯矩的kM值（图中实线为边跨跨中的数值，虚线为内支座的数值）。
图4简支梁的弯矩比kM 图5 三跨连续梁的弯矩比kM
从图4、图5的弯矩比例关系可以看出，随着跨径的增大，汽车荷载产生的弯矩占总荷载弯矩的比例趋于减小。对于中等跨径的桥梁，汽车荷载产生的弯矩约占总荷载弯矩的30%～50%。意味着结构的内力变化幅度比较大，这对全预应力混凝土结构是不利的。因为当结构按全预应力的要求设计时，为了平衡正常使用极限状态总荷载产生的内力必须施加较大的预应力、设置较多的预应力钢筋;当没有汽车荷载作用时，结构仍然处于高压应力状态，因此，结构的反拱度较大，混凝土的徐变影响也较严重，而且徐变变形还将加剧结构的反拱。先简支后连续结构体系，其跨中弯矩明显比简支结构的弯矩小，而内支座的负弯矩要比完全的连续结构内支座的负弯矩小得多。 五、 工程应用