大跨径预应力混凝土连续梁桥设计分析
摘 要
随着我国公路建设的飞速发展，大跨径预应力混凝土连续梁桥得到了广泛的应用，本文以一座预应力混凝土连续箱梁桥为工程背景 ,介绍了大跨径连续梁桥设计中需要考虑一些主要问题 ,针对现阶段大跨径连续梁桥的一些主要病害 ,提出了在设计过程中的相应处理措施。 关键词 大跨径 预应力 连续梁桥 桥梁设计 1 前言
连续箱梁桥结构具有变形小、刚度好、行车平顺舒适、伸缩缝少、养护简易、抗震能力强等优点。目前在40～150m跨度范围内 ,无论是城市桥梁、公路桥梁 ,还是铁路桥梁中都具有较大的优势 ,是一种被广泛使用的桥型。但近些年在一些跨径较大的已建桥梁中也出现了较多的病害,主要表现在:腹板斜裂缝较多、墩顶段横隔板开裂、悬臂板纵向裂缝、 中跨跨中下挠过大、墩身局部裂缝等现象。
针对预应力混凝土连续箱梁结构而言，裂缝形成的原因，主要有以下几方面： a．在主桥总体设计中，跨径比例、箱梁截面尺寸的拟定不合理； b．结构设计抗弯剪能力不足；
c．对由预应力钢束引起的附加力估计不足； d. 对温度应力重视不够；
e.施工质量不好、其中包括混凝土浇筑与养生；施工顺序与施工精度；预应力钢来的保护层厚度达不到设计要求；支架与模板变形过大；预应力张拉力不足；灌浆不及时或其他质量问题等。
f材料质量--如混凝土的水泥及骨料品种、材料级配及计量误差等问题。
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一般从以下几个方面采取措施:
(1)首先要保证主梁有足够的梁高,增加主梁刚度,主梁根部高跨比建议采用1/16～1/17。
(2)已发现病害中,主梁1/4跨径附近腹板开裂较普遍,可以优化梁高变化规律,减小抛物线次数,以增大1/4跨径附近截面的高度。
(3)主梁悬臂预应力束锚固时,下弯到箱梁截面型心下部以提供较大的预剪力,改善腹板的主拉应力。
(4)主梁应力分析时 ,竖向预应力对主拉应力的贡献要慎重考虑。 (5)对墩顶 0#块、局部锚固区等受力复杂的位置要进行局部空间分析。 (6)采用空心桥墩,减少大体积混凝土浇注过程中由水化热产生的局部裂缝 ,合理配置防裂构造钢筋。
(7)主梁施工中采取合理的体系转换及合拢工艺。 2 工程简介
主桥主要技术标准:桥面宽度: 0.5 m +15 m + 0.5 m ;设计荷载:城市2A 级;设计车速:80 km/ h ;通航净空:航道标准为 Ⅲ级 ,最高通航水位3. 00 m ,通航净空不小于70 m × 7 m ;温度荷载:箱梁体系温度 - 10～45 ℃,合拢温度 15 ℃。主桥拟采用大跨径预应力混凝土连续梁 ,引桥拟采用预应力混凝土简支 T 梁。 3 总体设计
主桥方案从技术先进性、 施工方便性、 经济合理性、 环境景观协调性等方面考虑 ,选定了大跨径变截面预应力混凝土连续箱梁方案 ,跨径布置为 45 m +80 m + 45 m ,箱梁顶宽 16 m ,底宽 8 m ,为单箱单室截面。根部梁高 4.5 m ,跨中梁高 2 m ,箱梁梁高、 底板厚度均按照二次抛物线变化 ,既满足了结构受力需要 ,
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又使得梁体线形显得匀称流畅。 4. 连续箱梁的设计 4.1 尺寸拟定
本着安全可靠、 经济适用的原则 ,考虑结构受力要求、 预应力钢束布置、 施工技术水平等因素 ,主梁结构尺寸拟定如下:
主桥横断面采用单箱单室箱形截面,根部梁高为4.5 m ,高跨比为 1/ 17. 8 ;跨中梁高 2.0 m ,高跨比为1/ 40.0。箱梁顶板宽16.0 m ,底板宽8. 0 m ,翼缘板悬臂长4.0 m。箱梁高度从距墩中心 1.75 m处到跨中合拢段处按二次抛物线变化,除墩顶 0 号块设一个厚350 cm的横隔板及边跨端部设厚150 cm的横隔板外,其余部位均不设横隔板。0号块两侧距墩中心1.75～3.75 m ,箱梁顶板厚度由 0. 28 m变化至0.70 m ,底板厚度由0.7 m变化至1.50 m;距墩中心3. 75 m外顶板厚度均为0.28 m ,底板厚度从0.70 m至0.30 m按二次抛物线变化。腹板厚度在 5 号块以前为 0.90 m ,6号块以后为0.50 m ,5～6号块由0.90 m按直线变化至0.50 m。横坡 2 % ,横坡由腹板高度调整。0 号块构造、箱梁截面尺寸见图2、 图3所示。
主桥连续箱梁拟采用挂篮悬臂现浇法施工。各单“T”箱梁除 0、1号块外分为 10 对梁段 ,箱梁纵向分段长度为(4×3.5 + 5×4.0) m。0、1号块总长10 m ,中跨、边跨合拢段长度均为 2.0 m。边跨现浇段长度为 4.0 m。 4.2预应力体系
本桥箱梁采用三向预应力体系。纵向、横向预应力钢束采用 精品文档 助压浆工艺。竖向预应力钢筋采用 JL32 精轧螺纹粗钢筋。 4.3横向分析 考虑箱梁受力的不利影响 ,截取1m长度的跨中箱梁梁段 ,分别采用框架结构和简支板考虑固端影响两种模式进行分析计算 ,择其大者控制截面设计。横向分析主要考虑结构自重、 底板预应力束在跨中产生的竖向分力,车辆、 车道荷载按照规范规定的分布长度换算出 1m 长度内的荷载值后 ,以各控制点出现最不利内力为原则进行横向布置。 4.4 悬臂施工预拱度计算 本桥上部采用悬臂浇筑法 ,双“T”同时施工 ,先合龙边跨 ,后合龙跨中。预拱度计算是结合悬臂施工模拟计算的 ,计算得到的扰度曲线最大值为 6. 4 cm , 设置预拱度曲线最大值为 4 cm ,对跨中额外多考虑4 cm的富余量 ,共计 8 cm。 5 设计特点 5. 1新规范、 新材料、 新工艺的采用 主桥是结合新规范[4 ]、新材料(采用塑料波纹管作为预应力钢束孔道)、新工艺(采用真空辅助压浆工艺进行预应力钢束孔道压浆)而设计的。 5. 2 新的设计理念 精品文档 精品文档 (1) 结构尺寸控制。为提高梁体的抗剪能力 ,改善主梁应力状态 ,箱梁应有足够的结构尺寸。根部箱梁高度应控制在主跨跨度的 1/ 16～1/ 18 ,本设计采用 1/ 17. 8 ;箱梁腹板最小厚度不宜小于 40 cm ,本设计采用50～90 cm ;箱梁腹板与顶底板间承托最小边长应大于 50 cm ,本设计采用 60 cm。本设计对箱梁0 号块亦有足够的重视 ,设计分析了多种工况下 0 号块的应力分布状态 ,通过消除局部应力集中和在拉应力区布设足够数量的普通钢筋等措施来改善 0 号块局部受力 ,减少其裂缝的产生。 (2) 预应力体系设计。大量实例揭示了连续梁桥出现问题往往不是理论计算不到位 ,而是构造上和施工等原因造成的。本桥在纵向预应力体系设计中 ,避免了超长束配筋方式的使用 ,按真空压浆工艺的要求进行设计 ,配置了适当的纵向腹板弯束和竖向预应力钢筋,以改善箱梁腹板的主拉应力状况 ,从而避免腹板开裂问题。在竖向预应力的考虑上 ,按其有效作用折减70 %后计入理论计算。设计中设置了备用预应力孔道以便有必要时在使用阶段增加梁体内的有效预应力。 (3) 应力和变形控制。20 世纪90 年代以来我国修建的许多大跨径连续梁在通车 3 年后跨中仍然持续下挠,部分桥下挠时间长达 10 年仍未稳定 ,充分暴露了设计时对混凝土收缩徐变影响的长期性估计不足、 温度荷载考虑不周、 预应力施工时对混凝土强度与弹性模量控制不严格等问题。 本桥的应力和变形计算充分考虑了温度和混凝土徐变的影响 ,以多种温度模式对温度影响进行计算 ,混凝土收缩徐变影响的计算时间 ,自合龙成桥后 ,不少于 10 年。成桥预拱度计入了混凝土收缩徐变的影响 ,预拱度值不小于恒载作用产生的竖向挠度、1/ 2活载作用产生的竖向挠度及额外附加挠度之和 ,并拟合成平顺曲线。预应力张拉施工时实行强度与弹性模量 90 %双控。 精品文档 精品文档 本桥预应力混凝土连续梁桥按照全预应力混凝土设计 ,正截面的最大压应力不大于规范[4]规定限值的 0.8倍 ,最小压应力储备不小于 1.0 MPa ;箱梁腹板的最大主压应力和主拉应力不大于规范规定限值的 0.8 倍。 6 结 语 在我国公路桥梁建设中，预应力混凝土连续梁于上世纪70年代首次应用于城市桥梁工程，但如今在公路、城市道路和铁路建设中广泛采用。目前我国无论在设计、施工、预应力材料和设备上都取得了很大进步和一定成就，然而与国际先进水平仍存在一定差距。今天，我们需要不断地总结经验、吸取教训，在设计理论、设计规范、预应力材料和施工技术上不断完善、不断发展、勇于创新。相信通过大家共同努力，在21世纪一定能将我国预应力混凝土梁桥的设计、施工水平推向更新的高度。 参考文献 [1]姚玲森.桥梁工程 [M ].北京:人民交通出版社, 1996. [2]范立础.预应力混凝土连续梁桥 [M ].北京:人民交通出版社,2001. [3]强士中.桥梁工程.北京 高等教育出版社2004 [4] JTG D62 - 2004 ,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 范[S] . 精品文档 精品文档 精品文档 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容