同济大学混凝土桥预应力钢束设计解析.pptx

预预应应力力钢钢束束设设计计混凝土桥混凝土桥混凝土桥混凝土桥(III)III)III)III)课程设计课程设计课程设计课程设计内容介绍内容介绍内容介绍内容介绍准备知识准备知识预应力钢束面积估算预应力钢束面积估算预应力钢束布置预应力钢束布置束界校核束界校核第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计零零零零.准备知识准备知识准备知识准备知识第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计本设计采用的规范本设计采用的规范（2004年年10月月1日起实施）日起实施）：公路桥涵设计通用规范公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）（本课）（本课程中简称程中简称桥规桥规）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）（本课程中简称）（本课程中简称公预规公预规）1.设计规范设计规范已废止的规范已废止的规范（2004年年10月月1日起废止）：日起废止）：公路桥涵设计通用规范公路桥涵设计通用规范（JTJ021-89）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTJ023-85）第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计2.两类极限状态两类极限状态(桥规桥规1.0.71.0.7条）条）承载能力极限状态承载能力极限状态：对应于桥涵结构或其构件达到最：对应于桥涵结构或其构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态。大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态。控制截面达到极限承载力或极限变形控制截面达到极限承载力或极限变形刚体稳定性刚体稳定性结构转变为机动体系结构转变为机动体系结构或构件丧失稳定性结构或构件丧失稳定性重复荷载作用下的疲劳重复荷载作用下的疲劳正常使用极限状态正常使用极限状态：对应于桥涵结构或其构件达到正：对应于桥涵结构或其构件达到正常使用或耐久性的某项限值的状态。常使用或耐久性的某项限值的状态。裂缝、变形、振动裂缝、变形、振动第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计3.三种设计状况三种设计状况（桥规（桥规1.0.81.0.8条）条）持久状况持久状况：一般指桥梁的使用阶段。桥涵建成后承受自：一般指桥梁的使用阶段。桥涵建成后承受自重、汽车荷载等持续时间很长的状况，应进行承载能力重、汽车荷载等持续时间很长的状况，应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。极限状态和正常使用极限状态设计。短暂状况短暂状况：一般指桥梁的施工阶段。桥涵施工过程中承：一般指桥梁的施工阶段。桥涵施工过程中承受临时性作用的状况，仅作承载能力极限状态设计，必受临时性作用的状况，仅作承载能力极限状态设计，必要时才作正常使用极限状态设计。要时才作正常使用极限状态设计。偶然状况偶然状况：桥梁可能遇到的罕遇状况，如地震等。在桥：桥梁可能遇到的罕遇状况，如地震等。在桥涵使用过程中可能偶然出现的状况，仅作承载能力极限涵使用过程中可能偶然出现的状况，仅作承载能力极限状态设计。状态设计。第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计4.承载能力极限状态计算承载能力极限状态计算（公预规（公预规5.1.55.1.5条）条）第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计5.设计安全等级设计安全等级安全等级安全等级(桥规桥规1.0.9条条)：按持久状况承载能力极限状态：按持久状况承载能力极限状态设计时，公路桥涵结构的设计安全等级，应根据结构破设计时，公路桥涵结构的设计安全等级，应根据结构破坏可能产生的严重程度划分为三个设计等级（特大桥、坏可能产生的严重程度划分为三个设计等级（特大桥、重要大桥；大桥、中桥、重要小桥；小桥、涵洞）。重要大桥；大桥、中桥、重要小桥；小桥、涵洞）。二级二级桥涵分类桥涵分类(桥规桥规1.0.11条条)一一一一.预应力钢束面积估算预应力钢束面积估算预应力钢束面积估算预应力钢束面积估算第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计按最不利构件设计 装配式桥梁：一般是边梁或次边梁第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计按最不利截面，最大组合弯矩值 简支梁:跨中截面按控制计算的要求 简支梁:正截面承载力，抗裂性及应力要求1.按正截面承载力要求估算按正截面承载力要求估算属承载能力极限状态第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计基本假定：基本假定：（公预规（公预规5.1.4条）条）在极限状态：受压砼应力图简化为矩形，达到抗压强度设计值在极限状态：受压砼应力图简化为矩形，达到抗压强度设计值 受拉砼强度不予考虑，钢筋达到抗拉强度设计值受拉砼强度不予考虑，钢筋达到抗拉强度设计值 基本方程（公预规5.2.2条）：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计砼受压区面积式中结构重要性系数砼受压区面积形心至上缘距离由 解出截面受压区高度 ，再由 解得预应力钢束设计方法：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计精确方法近似方法由 得式中力臂 可由经验值估算:对于带下马蹄T梁 一根7股钢丝的 钢绞线,公称直径假定一束钢束有6根 钢绞线钢束“根数”与“束数”的确定：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计由 6 股直径 钢丝和一股直径稍大于 的钢丝为中心螺旋绞合而成面积则面积由 求束数2.按正截面抗裂性要求估算按正截面抗裂性要求估算属正常使用极限状态：弹性受力阶段，平截面假定第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计对于全预应砼构件，正截面砼法向应力规定：（公预规6.3.1条）式中短期荷载效应组合下砼边缘应力扣除全部预应力损失后的预加力 在砼边缘产生预压应力受拉为正第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计+计算公式：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计使用阶段预应力钢筋永存应力的合力式中短期荷载下弯矩组合值预应力钢筋合力作用点至截面形心距离砼毛截面面积砼毛截面对计算边缘弹性抵抗矩由前述公式可得,应用方法：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计又式中永存预应力张拉控制应力预应力损失按张拉控制应力20%计故v式中第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计毛截面对其形心的惯性矩毛截面形心至下缘距离预应力钢筋合力作用点至下缘距离,可设在马蹄中心位置v最终，取两种极限状态计算的最大 或束数 为设计值二二二二.预应力钢束布置预应力钢束布置预应力钢束布置预应力钢束布置第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计跨中跨中-梁端梁端-过渡段过渡段1.跨中截面钢束布置跨中截面钢束布置原则：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计尽可能降低钢束群重心，以产生较大的预应力抵抗力矩单数列对称布置，以便顺利弯起满足构造要求为前提预应力钢束管道构造：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计本设计管道采用OVM型预应力张拉锚固体系 配套预埋铁皮波纹管公预规9.4.9：管道内径的截面面积不应小于两倍预应力钢筋截面面积 面积为840mm2，管道面积1680mm2 内径46mm。选用内径为70mm（外径77mm）外径 内径+10mm第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计管道距离要求：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计预应力钢筋管道净距及保护层要求净距直线管道 不小于40mm且不宜小于管道直径0.6倍 对于预埋管在竖直方向可将管道重叠最小保护层厚度直线管道 不小于30mm且不小于管道直径0.5倍 曲线管道由于会产生径向压力，混凝土有崩裂危险，因此要求更为严格。（9.4.9条）（9.1.1条）示例：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计钢束群重心至梁底距离 2.锚固端截面钢束布置锚固端截面钢束布置原则：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计均匀分散布置各束锚固点，避免局部应力集中，使截面应力分布均匀满足锚具布置和预应力张拉所需操作空间的构造要求构造要求：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计锚具布置的构造要求锚垫板布置最小间距锚束槽口尺寸第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计张拉施工空间要求：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计 OVM预应力锚固体系产品参数锚具型号张拉千斤顶型号第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计 YCW150千斤顶的施工空间外形尺寸最小工作空间钢绞线预留长B=1250mmC=190mmD=285mmL=370mmA=570mm示例：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计钢束群重心至梁底距离支座中心线第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计 考虑施工方便，若有位置布置，一般可将全部钢束锚固在梁端 预制时，主梁为小截面，又无使用荷载，如果钢束在此时全部张拉完毕，有可能会在梁上缘产生拉应力，在下缘产生较大压应力 因此将7号束安排在完成现浇翼缘板后再张拉，并将此束锚固端放置在梁顶说明：3.钢束纵向布置钢束纵向布置原则：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计钢束纵向布置应使其重心线不超出束界范围从跨中向支点逐步弯起钢束，可产生预剪力，对抵消支点附近较大的外荷载剪力很有利构造上，钢束纵向弯起有利于锚固点分散布置弯起角：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计较小角度有利于减小摩阻损失较小角度有利于马蹄高度向支点不至于过大较大角度有利于提供足够的竖向预剪力弯起曲线形状:弯起曲线可采用圆弧线、抛物线或悬链线，实际工程中多采用圆弧线弯起半径构造要求：钢绞线的钢丝 时，不宜小于4m（9.4.10条）T梁中常用的弯起角度不超过实例：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计为了钢束不至于竖向交叉，本例钢束弯起角下小上大选定为：下部钢束 ，上部钢束 ，锚于梁顶钢束钢束线形为直线加圆弧，即从距跨中一定距离处开始按圆曲线向上弯起由于不允许曲线段进入锚具部分，因此在锚下钢束必须保持一定的直线长度（可取1米）4.钢束几何参数计算钢束几何参数计算计算图式:第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计支座中心线起弯点跨中终弯点锚固点R?v钢束几何参数计算可以表格进行:第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计400903107121.9188.125239.4992.53075.9310.915742.4束号v钢束长度计算为了计算工程数量，需要计算每束长度式中钢束预留工作长度700mm钢束长度5.截面钢束重心计算截面钢束重心计算计算图式:第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计支座中心线起弯点跨中终弯点锚固点控制截面控制截面水平段时弯曲段时斜线段时实例：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计97507480.017104.631378.7181535.80.074636987284371.5168.97928.918746.641796.5151424.20.04357167206.79703.218827.135251.9151201.20.0013275889090.010412.318769.268572.77511.1-16716715742.418818.325239.47188.1-9090束号控制截面四分点截面位置水平段弯曲段水平段弯曲段弯曲段各控制截面上钢束位置及倾角计算表控制截面:跨中截面、四分点截面、7号钢束锚固处截面、支点截面三三三三.束界校核束界校核束界校核束界校核第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计束界基本概念：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计 在符合截面上、下缘混凝土均不会出现超限的拉应力的前提下，预应力筋（束）的重心在各截面上布置的范围，称为束界（或索界）支座中心线跨中第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计保证梁的上缘混凝土不出现拉应力 最危险阶段：预加应力阶段式中构件截面下核心距传力锚固时预加力的合力一期恒载下的弯矩（受压为正）第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计式中构件截面上核心距使用阶段永存预加力的合力短期荷载下弯矩组合值（受压为正）保证梁的下缘混凝土不出现拉应力 最危险阶段：使用阶段第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计故预应力钢束重心位置 应满足：由于弯矩 近似按抛物线沿跨径变化,故上下限值 近似为抛物线形,限定了预应力钢束布置的区域，即束界对支点截面：注意：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计 永存预加力 由于是近似计算，可取 按扣除预应力20%损失来估算，传力锚固时预加力钢束在各控制截面束界校核计算可以用表格进行MsI大yx大A大Ks大=I/(Ayx)E2apep大=yx-apepE2跨中9110.910.66281.46710.96880.4663 1.1671 0.15071.3164 四分点6834.350.66281.46710.96880.4663 0.7590 0.16891.2982 支点00.84531.36231.57860.3931-0.3931 0.92060.4417Mg1I小ys小A小Kx小=I/(Ayx)E1apep小=yx-apepE1跨中4810.160.57250.95560.83380.7185 1.45150.15071.1937 四分点3607.620.57250.96560.83380.7111 1.2608 0.16891.1655 支点00.73521.01841.44360.50010.50010.92060.3610实例：第第一一部部份份第第一一部部份份 预预应应力力钢钢束束设设计计预预应应力力钢钢束束设设计计下缘混凝土不出现拉应力：上缘混凝土不出现拉应力：