大跨度预应力混凝土变截面连续箱梁桥设计.pdf

文章编号:1003 - 4722(2003)04 - 0041 - 03 大跨度预应力混凝土变截面连续箱梁桥设计 施 颖1,宣纪明1,马春亭2 (1. 浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州310014 ; 2.中国市政华北设计研究院,天津300074) 摘 要:大跨度预应力混凝土连续箱梁开裂问题较普遍。通过参考各国设计规范的有关规 定,重点介绍大跨度预应力混凝土变截面连续箱梁设计过程中及构造处理上应考虑或注意的事项, 以尽可能减少裂缝的产生,并提出了2种竖向预应力的设置方法。 关键词:连续梁桥;箱形梁;预应力混凝土结构;桥梁设计;构造;综述 中图分类号: U448. 215 ;U442. 5文献标识码: A Design of Long2Span Prestressed Concrete Continuous Box Girder Bridge with Variable Cross Section SHI Ying1, XUAN Ji2ming1, MA Chun2ting2 (1. College of Architectural Engineering , Zhejiang University of Industrial Technology , Hangzhou 310014 , China ; 2. North China Design and Research Instituteof China Municipal Engineering , Tianjin 300074 , China) Abstract : Cracking is a problem commonly seen in long2span prestressed concrete continuous box girder. With reference to the relevant provisions in the design specifications of several countries in the world , this paper presents the matters that should be considered and noticed in the design of long2span prestressed concrete continuous box girder with variable cross section and in the handling of structural layout in order to mitigate the cracking to the possible minimum , and also proposes two kinds of layout of vertical prestressing systems. Key words : continuous girder bridge ; box girder ; prestressed concrete structure ; bridge design ; structure ; summarization 收稿日期: 2003 - 02 - 11 作者简介:施 颖(1963 - ) ,男,高级工程师,1984年毕业于西安公路学院(现为长安大学)公路系桥隧专业,工学学士。 1 前 言 大跨度预应力混凝土变截面连续箱梁桥具有结 构刚度大、 变形小、 行车平顺舒适、 伸缩缝少、 抗震能 力强等优点,因此无论是公路或城市桥梁、 高架道 路,还是跨越宽阔河流的大桥,均是首选的桥型方案 之一。但作为全预应力混凝土的大跨度连续箱梁, 在施工阶段或使用过程中,普遍出现各种不同性质 不同类型的裂缝(据某省对省内较大桥梁的调查,几 乎均出现不同程度的裂缝)。本文从设计及构造角 度介绍一些大跨度预应力混凝土变截面连续箱梁桥 的设计思路和设计过程中及构造处理上应考虑或注 意的事项和设计上的改进,与同行商榷,以尽可能避 免或减少裂缝的产生。 2 总体布置 在大跨度预应力混凝土变截面连续箱梁桥设计 中,其总体布置即主跨大小、 分跨及跨径组合、 主梁 高度、 横截面布置型式和主要尺寸的拟定是决定桥 梁是否安全、 合理、 经济和美观的重要因素,也是设 计的关键所在。 2. 1 边跨与中跨的比例及高跨比 从国内外已建成的桥梁统计分析建议:对于变 截面连续梁边中跨比通常在0. 50. 8之间取用1, 而大跨度预应力混凝土连续梁边跨与中跨之比拟控 14大跨度预应力混凝土变截面连续箱梁桥设计 施 颖,宣纪明,马春亭 制在0. 550. 6范围内为宜2。梁的高跨比跨中在 1/ 301/ 50、 支点在1/ 151/ 20范围内考虑1。 2. 2 横截面布置型式及选型 横截面布置型式很大程度上取决于桥面宽度。 桥面宽度的增加,使单元构件的横截面发生了变化, 通常有单箱单室、 单箱多室、 双箱单室、 多箱多室和 宽翼缘倒梯形等截面型式。在截面选型上尽可能选 用宽跨比较小的单室箱为宜,这主要考虑偏心荷载 小,从而减少了横向挠曲,有利于主梁的纵向刚度; 其次,若将复杂的空间问题简化为平面问题来计算, 其结果更趋于实际。另外对国内外已建箱梁桥桥宽 与截面选型上作统计分析,可以看出,箱顶宽在22. 2 m以下时,基本采用单室箱,更宽的修上、 下行双幅 桥。因此从受力及经济角度考虑,建议横断面采用单 箱单室或单箱多室截面,分离式布置为宜,见图1。 图1 截面形式 2. 3 箱梁截面各组成部分的最小构造尺寸 2. 3. 1 腹板 增加腹板的厚度,对截面正应力、 剪应力和主拉 应力均有良好的改善,但势必会增加箱梁自重,在自 重荷载占70 %左右的当今桥梁设计,应尽可能减少 自重。腹板的最小厚度首先要满足构造需要,当然最 终取决于受力要求。对照各国规范也只给出预应力 管道间的最小净距、 保护层,由设计者去确定腹板厚 度;因此,在具体设计取用腹板厚度时一定要慎重考 虑,建议腹板厚度由跨中向支点逐渐加宽过渡,一般 跨中截面腹板厚度取3040 cm ,支点截面腹板厚度 取5060 cm ,变化点选用四分点左右较好,最后应通 过详细的计算分析,并不断加以修正确定,见图2。 图2 腹板布置 2. 3. 2 顶板与底板 对于顶板首先要满足桥面板的受力要求,其次 要满足力筋的构造要求,因此只能给出一个构造要 求下的最小尺寸,一般为20 cm。 底板需满足正弯矩下力筋通过的构造要求。从 各国规范上看也未明确一个最小构造尺寸的具体 值,只是相对值,实际上很难给出具体数字。建议按 如下方法确定。 一般国内连续梁桥,底板上只配一排7j15钢绞 线者居多,以此为例定出最小构造尺寸,见图3。 图3 底板最小尺寸构造示例 3 设计计算 3. 1 关于压应力控制值问题 如均采用C50混凝土,达到设计强度的80 %进 行张拉,按三国规范容许压应力比较见表1。 表1 运营及预加力阶段压应力控制比较 MPa 规范 运营阶段预加力阶段 英国3BS 540020. 016. 0 中国J TJ 023 - 8517. 521. 0 美国规范4(94)22. 522. 0 从表1知,运营阶段压应力容许值中国规范偏 低,趋于保守。而施工阶段容许压应力仅次于美国, 两者仅差4. 76 % ,比英国大出31. 25 %。签于中国 施工水平的实际情况;另还有许多因素在设计中是 很难精确计算的,若施工阶段容许压应力取值过高, 确实存在着冒险的因素5。建议ha= 0. 65Rba(荷 载组合 ) , 即为其两国的平均值较好。在具体进行 24桥梁建设 2003年第4期 桥梁设计时,要求结构各截面的应力具有一定的安 全储备,对截面正应力,一般要求在不利荷载组合 下,还应保持2. 03. 0 MPa的压应力储备。 3. 2 剪力滞效应 剪力滞效应在混凝土箱形梁设计中应该考虑, 特别是簿壁箱形宽翼缘截面,不能忽视其剪力滞效 应。剪力滞效应考虑过多,对钢筋混凝土结构只不 过多配筋,造成一些浪费;而对预应力混凝土结构, 由于翼缘板上的法向应力不均匀,若按大值取值或 按等间距等预应力,不按应力变化的要求设置预应 力筋,都有可能造成混凝土开裂。对箱形截面的剪 力滞效应问题,比较各国规范现阶段箱形梁桥设计 可参考德国规范DIN 1075“关于共同作用宽度” 的 条文规定执行6。 4 箱梁配筋 4. 1 纵向预应力筋 目前比较流行的一种纵向配直线束的做法,它 既简化了设计和施工,又减少了摩阻损失,对建立纵 向有效预应力有利,而剪应力需配置密排的竖向预 应力束来克服,竖向预应力束也可起到减少主拉应 力的作用,但实际效果不大。这是由于竖向直线束 太短,伸长量太小,几乎建立不起有效预应力来,建 立值与设计值相差太大,难免会出现主拉应力方向 的结构性裂缝。另外剪应力和主拉应力沿纵向是连 续分布的,配直线束加密排竖向束组合,一定存在一 段应力空白区。换句话说,密排竖向束,究竟排与排 间距为多少,才能使竖向束建立的有效预应力分布 有一个交叉范围,可消除这个空白区,这无理论依 据。因此建议应合理布置腹板内纵向预应力弯束, 让预应力提供的抗剪能力沿纵向有一个连续分布, 并尽可能多地将预应力束布置在腹板内,建立起足 够的纵向有效预应力和弯起束提供的竖向预应力, 有效减少或消除主拉应力,减少或消除腹板裂缝。 4. 2 竖向预应力筋 竖向预应力筋设置能显著地减少或消除主拉应 力,但力筋太短,难以建立有效预应力,虽在施工工 艺上加以改进,如采用超张拉或反复3次张拉,仍存 在一些问题。杭州下沙大桥做了这方面试验,从测 试的几根来看,效果应该不错,但难免多少存在着人 为因素,这与施工人员的素质分不开,如紧固螺母、 压浆饱不饱满等。从钱江三桥随机抽检35根来看, 其结果不得不让人担忧,无浆占71. 42 %;不饱满占 11. 42 %;开孔流水的占40 %7。不过这从加强管 理、 提高工人素质和技术水平上可得到控制。但从 根本上改观,可考虑在设计上从以下两个方面加以 改进8: (1)采用整体锚垫板 后张预应力是靠锚具保持和传递预加应力的。 采用整体锚垫板好像在梁上和梁下打上一副夹板, 把腹板夹在上下锚垫板之中,预应力可通过垫板实 行多点连续传递,减少或消除应力空白区,提高腹板 纵向整体性和抗剪能力,见图 4(a) 。 (2)采用环向预应力筋 这种方法就是通过加长预应力长度,来建立更 多的预应力,有效发挥竖向预应力筋作用,减少剪应 力和主拉应力。 环向预应力筋设置有两种方法:一种将2根竖 向力筋连在一起,在梁顶面张拉,错位布置图4 (b) ;另一种方法利用横向预应力筋间隔锚在梁底 下和悬臂端点处图4(c) 。 图4 竖向预应力筋设置方式 4. 3 关于非预应力钢筋的设置 非预应力筋的配置和加强总的来说是非常重要 的,应该说加密钢筋网间距,提高钢筋直径,如美国 规范配置收缩和温度筋,能起到抗裂作用,但要限定 最大最小配筋量,不要无限制加强。 5 结 语 曾记得一位桥梁学者说过,一个良好的计算只 占整个设计1/ 3工作量,余下的工作需要凭设计者 积累下的丰富经验去判定计算结果的可信度,去选 用计算结果,亦即取用安全度,并根据不同的结构、 跨度,选择不同的、 切合实际的构造,去弥补计算上 的某些不足,确保桥梁安全与经济。 参 考 文 献: 1 范立础.预应力混凝土连续梁桥M.北京:人民交通 出版社,1988. (下转第50页) 34大跨度预应力混凝土变截面连续箱梁桥设计 施 颖,宣纪明,马春亭 构形式。 采用单双层相结合时的内力应进行精确分析, 以确定在起升荷载作用下结构是否安全。 5 局部补强与稳定 5. 1 补强 六四军用梁可考虑采用两种方式补强,即焊接 和箍接。 对于拼组架桥机的架梁跨度在30 m以下时,一 般不必对杆件补强,其内力均能满足军用梁的使用 要求。当跨度大于30 m或梁体重量较重时,局部杆 件需要补强。补强的部位是中车和后车处的三角相 关杆件,有主斜杆、 主竖杆和副竖杆。 当采用焊接补强时,主斜杆原为8号槽钢,可焊 接钢板将其封闭,形成闭口箱形断面,同时对端部连 接板也要加强。主竖杆原为L50505角钢,可 焊接钢板将其封闭或焊接同样的角钢以增加其断面 面积,同时也要补足连接板。副竖杆的断面和补强 方法同主竖杆。当采用箍接补强时,对于角钢可取 同样角钢反扣,上下两端顶紧,内部填以硬杂木,用 特制钢板箍夹紧。对主斜杆的补强可采用结构型补 强,即在菱形的中间增加一特制竖杆即可。 当然,最终的具体补强杆件以及补强措施,需要 对结构进行详细的受力分析后确定。 5. 2 稳定 当跨度或被架梁体重量较大时,六四军用梁拼 组的架桥机有局部稳定和整体稳定问题。局部稳定 不满足要求的杆件同补强中的部位,其加固方法用 补强中的方法即可解决。 对于整体稳定问题,2片 双层军用梁试验表明,当悬臂跨度达48 m ,悬臂端 部水平荷载为10 kN时,其横向刚度也很大,能够满 足整体稳定的要求。因此,采用2片主梁以上拼组 时,其整体稳定满足要求。如若分析计算,可采用换 算横向刚度或空间有限元模型进行分析。 6 结 语 (1)六四军用梁拼组双梁式架桥机结构合理, 构成简单,操作便易;拆装迅速,可很快投入生产,提 高效益;适用范围广,拼组灵活,不同跨度的铁路桥 梁、 公路桥梁均可架设。 (2)单层军用梁拼组的架桥机可架设梁体的最 大跨度为32 m ,双层可架设梁体的最大跨度为45 m , 采用单双混合时,可架设梁体的最大跨度达55 m。 (3)随着主梁片数和跨度的不同,其可架设梁 体重量范围很大。对于常规的公路和铁路简支梁, 采用4片双层军用梁拼组即可满足要求。 (4) 2片以上六四军用梁的整体稳定能够满足 规范要求,不必进行计算。 (5)拼组大跨度架桥机时,某些局部杆件需要 补强,按文中方法处理即可。 参 考 文 献: 1 王新敏,王海林.六四式军用梁在桥梁施工中的应用技 术J .铁道建筑技术,2001 ,(4) :14 - 19. 2 范立础.桥梁工程M.北京:人民交通出版社,1988. 3 铁道部专业设计院.混凝土桥M.北京:中国铁道出 版社,1998. 4 王海林,熊学军.销接结构体系销孔位移的计算J .铁 道标准设计,1997 ,(9) :8 - 9. (上接第43页) 2 交通部公路规划设计院,湖南大学.预应力混凝土箱形 连续梁桥裂缝调查分析及研究R. 1998. 3 BS 5400 ,钢桥 混凝土桥及结合桥S. 4 美国公路桥梁设计规范 荷载与抗力系数设计法 (第一版1994) S.辛济平,万国朝,张文,等译.北京: 人民交通出版社,1998. 5 天津市政设计研究院.招宝山大桥有关设计方面的专 题报告R. 1999. 6 联邦德国桥梁规范汇编 S.彭宝华译.交通部公路规 划设计院,1997. 7 浙江省预应力连续箱梁桥裂缝防治课题组.预应力混 凝土箱形连续梁桥裂缝调查分析及防治研究报告 R. 2001. 8 浙江省公路管理局.预应力混凝土箱形连续箱梁桥裂 缝分析及设计改进R. 2002. 05桥梁建设 2003年第4期