管内预应力钢管桁架组合简支桥梁结构研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中国铁建股份有限公司科技研发计划项目()作者简介:罗九林()男四川资阳人正高级工程师主要研究方向为桥梁设计、施工和装备研发:.引文格式:罗九林朵君泰梁志新.管内预应力钢管桁架组合简支桥梁结构研究.铁道建筑技术():.管内预应力钢管桁架组合简支桥梁结构研究罗九林 朵君泰 梁志新(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京)摘 要:按照桁架结构设计准则对比分析现有桁架结构形式提出了在下弦管内施加预应力束的管内预应力钢管桁架组合简支梁结构 力学特性分析结果表明施加预应力后下弦管应力值明显降低进而可减少下弦管截面从而减小结构自重提高跨越能力 其不仅具有普通组合简支梁的特点也具有连续组合梁刚度大的优势克服了以往的钢管桁架组合连续梁结构自重大和负弯矩区段开裂问题 该种管内预应力钢管桁架组合简支桥梁结构的研究具有重要意义已经获得国家发明专利为结构体系的一种创新关键词:预应力 钢管桁架 组合梁 桥梁结构中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言钢混组合梁作为新发展的桥梁结构形式其特性优于单一钢梁或单一混凝土梁桥随着桥梁设计和施工技术的快速发展组合桥式结构得到了越来越广泛的应用 钢混组合结构能够充分发挥钢材和混凝土两种材料的优势是一种较经济合理的结构形式 如混凝土抗压性能较好抗拉性能较差而钢材抗拉和抗压性能都比较优越能充分利用混凝土抗压强度大和钢材抗拉强度高的特点 其中钢桁 混凝土组合结构桥梁由钢桁架平联及桥面板组成具有受力明确绿色环保、拼装建造、可更换修复质量轻、刚度大、跨越能力强等特点 近年来钢桁 混凝土组合结构桥梁得到快速发展 在连续梁中采用组合结构虽然结构刚度大但当跨径较大时其中间支座处的负弯矩值较大会使位于受拉区的混凝土开裂降低结构的耐久性和安全度为解决负弯矩引起支座位置混凝土开裂问题必须在负弯矩区段布置预应筋或者采用预制构件以解决混凝土开裂问题这没有充分发挥两种材料的力学性能优势无形中增加了投资成本和施工难度 组合结构连续梁与组合结构简支梁相比有如下缺点:负弯矩影响铁道建筑技术 ()罗九林 等:管内预应力钢管桁架组合简支桥梁结构研究计算复杂内力分布的重分配荷载相互影响结构变形、内力负弯矩区段构造复杂计算方法影响总结以往建筑及桥梁结构形式基础上提出一种新型预应力钢 混组合桥梁结构已经获得国家发明专利:管内预应力钢管桁架组合简支梁结构可最大化利用两种材料的力学性能优势减轻结构自重、提高结构跨越能力 钢桁梁结构选型.现有桁架结构形式桁架桥往往有两种基本形式:下承式桁架和上承式桁架 钢桁架典型布置类型如图 所示图 桁架类型以上几种结构形式中图 芬克型()与图 波尔曼型()桁架由于斜撑角度较小易产生相对较高的内力且刚度较小所以现今已不再使用桁架桥的典型跨高比如表 所示表 桁架桥的典型跨高比桁架类型典型跨高比桁架类型典型跨高比公路简支桁架桥 铁路简支桁架桥 公路连续桁架桥 铁路连续桁架桥.桁架结构设计准则按照惯例把桁架当作铰接框架结构进行分析当连接处弯矩是由挠度导致时无须平衡外部荷载 这种假定成立的条件是:大多数连接良好的框架结构在连接处具有足够的变形协调能力 不过当存在节点偏心距时应考虑弯矩影响 当桁架杆件短而粗时承受的弯矩可能也比较大 当然对于空腹桁架结构(如图)其弯矩将控制设计 很多桁架参照相关文献制定了有效的设计准则按照重要性排列如下:()桁架每个开间都应该加支撑()桁架应该直接承载上承式优于下承式()桁架设计应该充分利用材料的特性如使混凝土受压和钢材受拉等()支撑尺寸应该反映承受的荷载如跨中剪力较低采用小的斜杆()开间内的支撑应该相互连接如沃伦式()桁架优于普拉特型()桁架()开间之间支撑应该连续连接如弓弦型()支撑水平夹角应该在 ()当增加另外的支撑时应遵循上述准则基于以上准则本文提出了一种上承鱼腹式预应力钢管桁架 混凝土组合梁结构预应力筋设置在下弦杆内混凝土与桁架连接采用将上弦杆置于混凝土间的形式桥型图和断面图如图 所示图 桥型图和断面图.对比分析验证建立 个简单模型 模型一采用平行弦钢管桁架桥 跨度 桁架高度.结间 双幅桥面桥面宽 高跨比/桥面板厚度 每隔 设置一个横梁上弦杆:靠近跨中附近腹杆:下弦杆截面:支座附近腹杆:材料:钢材模型二与模型一其他条件不变只是将桁架结构布置成鱼腹结构模型三与模型二条件相同同时在下弦管内布置预应力筋并施加初始预应力铁道建筑技术 ()罗九林 等:管内预应力钢管桁架组合简支桥梁结构研究边界条件:一端约束:/一端约束/荷载:主要考虑人群荷载、混凝土收缩、桥面铺装、结构自重和预应力等人群荷载:按城市人行天桥与人行地道技术规范取值为.混凝土收缩及徐变荷载:按温度降考虑取 结构自重按程序自动加载预应力:分别施加 、计算结果如图 图 所示图 下弦杆组合应力图 腹杆组合应力图 挠度图 桥面板应力 从图 可以看出随着下弦预应力值增加管内预应力 按 逐级增加 时下弦杆的应力值为拉应力随着 值的增加端部附近出现压应力在跨中位置拉应力减小明显从图 可以看出 腹杆应力值变化不大 说明在下弦施加预应力对腹杆受力影响较小 腹杆主要为连接上下弦承受剪力作用从图 可以看出随着预应力增加结构的挠度值减小不施加预应力时跨中挠度为 .预应力为 时跨中最大挠度变为 .预应力为 时跨中挠度减少为 .预应力为 时跨中挠度变为.即通过在下弦施加管内预应力可以有效地提高结构的刚度从图 可以看出桥面板荷载作用下主要表现为压应力 随着 值的增加轴向压应力值基本保持不变 图 由弯矩引起的应力值随着 值的增加逐渐减少 组合应力值随之减小 图 可以发现随着 值增加组合应力值在跨中附近减小、其他原来较小的部位有所增加从变化趋势来看施加预应力后桥面板的组合应力值分布比较均匀 沿轴向变化趋于平缓跨中峰值减小明显 管内预应力结构及受力特性分析.组合钢桁梁结构结构布置如图 所示断面如图、图 所示桥面板采用现浇 砼钢管采用 上弦灌注 混凝土、弦管内布置预应力筋弦端部灌注 混凝土铁道建筑技术 ()罗九林 等:管内预应力钢管桁架组合简支桥梁结构研究图 结构布置(单位:).受力特性分析从.节分析可以看出施加预应力后结构内力变化及影响下面主要对温度荷载、动力特性及稳定性进行分析.温度荷载作用对结构的影响我国大部分地区年平均温差一般为 最大升温和降温幅度为 下面假设升温 计算成桥时桥梁的变形和应力变化情况整体降温:引起的桥面板最大应力.下弦杆最大应力.腹杆最大应力.整体升温:引起的桥面板最大应力.下弦杆最大应力.腹杆最大应力.可以看出整体升、降温度对结构引起应力之变化相当桥面板和下弦作用相对较小对靠近端部腹杆影响相对较大达到 中间区域应力幅度变化较均匀在日照的作用下桥面板会产生非线性温度分布温差产生的结构自应力和次应力对结构的变形和应力都有一定的影响 日照作用下引起的桥面板最大应力.下弦杆最大应力.腹杆最大应力.梯度荷载作用下引起的桥面板最大应力.下弦杆最大应力.腹杆最大应力.可以看出日照温度变化对结构受力影响较大 考虑桥面板整体温度变化和按规范梯度变化引起结构应力变化有所区别梯度变化引起的桥面板应力值比按桥面整体温度变化值要大对腹杆和下弦杆影响相对小一些 采用梯度变化更为接近实际温度变化要求更为合理.动力特性动力特性如表 所示第一阶自振频率为.第二阶自振频率为.作为公路桥梁自振频率满足要求 人行天桥为避免共振减少行人不安全感竖向自振频率不宜小于 因此该种结构用于人行天桥要考虑下弦管内预应力对结构动力特性的影响分析表明若用于人行桥不施加预应力作用钢管桁架组合结构满足要求表 动力特性序号振型参与质量比(纵向)/振型参与质量比(横向)/振型参与质量比(竖向)/自振频率/振型主要特点.拱向上弯曲.两幅梁反对称弯曲.两幅梁竖向反对称弯曲同时出现水平向同方向弯曲.竖向出现波浪形弯曲伴有纵桥向位移.两幅梁竖向出现反对称波浪形弯曲伴有反向的纵桥向位移.竖向出现波浪形弯曲伴有纵桥向位移.两幅梁竖向出现反对称波浪形弯曲伴有反向的纵桥向位移.两幅梁竖向出现反对称波浪形弯曲伴有反向的纵桥向位移.两幅梁对称弯曲.两幅梁反对称弯曲.稳定性分析分别对施工阶段和成桥后稳定性进行稳定分析(见表、表)施工阶段考虑在桁架上直接安装模板浇筑桥面混凝土所有结构自重由钢桁架承受表 施工阶段稳定性分析结果模态特征值.表 成桥阶段稳定性分析结果模态特征值 施工和成桥阶段稳定性均满足要求 施工阶段是上弦杆平面外失稳且施工阶段弹性稳定安全系数相对较小为.大于.满足要求以上是考虑上弦管内灌注混凝土情况成桥阶段结构的整体稳定良好弹性稳定安全系数最小为 大于.主要表现为竖向失稳(下转第 页)铁道建筑技术 ()张帅:磴口黄河特大桥 构墩梁结合处空间应力状态研究竖向应力、底板竖向应力、底板纵向应力均呈现近线性增加底板横向应力呈近线性减小()墩梁固结浇筑阶段顶板、底板和腹板的温度变化过程均在 内迅速增加随后温度达到峰值呈非线性降低并在 后趋于收敛与环境温度相接近顶板、底板和腹板的主拉应力变化过程与温度一致但主拉应力峰值相对温度峰值延后底板和腹板在浇筑早期出现主拉应力大于同龄期混凝土理论早期抗拉强度的现象()施工阶段仿真分析表明墩梁固结处 块以受压为主拉应力主要出现在底板下表面最大拉应力均处于 混凝土容许压应力范围之内 在弯矩最不利施工阶段(悬浇至 节段)其正应力变化范围为.在最大悬臂施工阶段其正应力变化范围为.在合龙施工阶段其正应力变化范围为.参考文献 李传喜.高墩大跨连续刚构桥悬臂施工过程控制及关键技术研究.兰州:兰州交通大学:.陈亮.预制节段拼装连续刚构桥墩梁固结处受力性能分析.黑龙江交通科技():.王乾波.施工阶段墩梁固结处应力监测与分析.兰州工业学院学报():.王伟张玉平刘小燕等.墩梁固结处模拟方式对连续刚构桥动力特性的影响.土木工程与管理学报():.周津斌.重载铁路四线高墩大跨连续刚构设计研究.铁道标准设计():.胡玉柳.长门特大桥主桥塔梁墩固结区模型试验研究.桥梁建设():.桂水荣尧晨谢阳福等.逐跨节段拼装连续刚构桥力学性能及桥墩参数研究.世界桥梁():.卫康华罗浩杨孟刚.塔墩梁固结的三塔四跨矮塔斜拉桥成桥状态力学参数研究.铁道科学与工程学报():.杨晖.短线匹配法预制拼装连续刚构桥墩梁固结施工技术.公路():.渠述锋孟栋梁杨孟刚.考虑桥墩实测刚度的墩梁固结桥梁合龙顶推力调整简化算法.铁道科学与工程学报():.杨维威.大吨位三向预应力结构混凝土箱梁 号块施工技术研究.铁道建筑技术():.葛其宝.墩梁临时固结设计及施工.铁道建筑技术():.(上接第 页)结论从以上分析可以看出该结构具有以下特点:()结构受力合理结构采用钢管桁架形式侧面布置成鱼腹式结构截面抗弯刚度与结构承受的弯矩同时变化结构受力合理同时在下弦施加预应力结构形式使结构受力更为合理()避免桥面板开裂克服了连续梁采用组合结构存在负弯矩区段桥面板开裂问题 避免了桥面板施加纵向预应力()具有普通组合梁和连续梁的优点具有普通组合简支梁的优点即混凝土桥面板处于受压区钢桁架下弦受拉能充分利用钢材和混凝土的各自优势()具有连续梁刚度大的优点采用下弦施加预应力有效提高了结构刚度、减小结构的变形从而提高了结构跨越能力 克服了普通简支梁组合结构和连续梁组合结构的不足()充分发挥钢材和混凝土两种材料的优势普通组合简支梁跨中弯矩最大混凝土和钢均处于最大受力状态采用下弦预应力可以有效地减小下弦管应力 同时采用该结构可以避免负弯矩出现且具有刚度大的优点参考文献 李龙舟.上跨既有临枣高速钢混组合梁节段划分调整及施工技术研究.科技创新与应用():.魏辉.高墩大跨钢混组合梁架设方案优化与过程控制.铁道建筑技术():.康炜.大跨 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