大跨径预应力混凝土梁桥纵向预应力筋优化布置研究.pdf

公路2 0 0 9 年2 月第2 期 H I G H W A YF e b 2 0 0 9N o 2 文章编号：0 4 5 1 0 7 1 2 ( 2 0 0 9 ) 0 2 一0 0 0 l 一0 5中图分类号：U 4 4 8 3 5文献标识码：A 大跨径预应力混凝土梁桥 纵向预应力筋优化布置研究 张开银1 2 ，殷亮1 2 ，惠国旺3 ( L 武汉理工大学交通学院武汉市4 3 0 0 6 3 2 水路公路交通安全控制与装备教育部工程研究中心武汉市4 3 0 0 6 3 I 3 新疆公路规划勘察设计研究院乌鲁木齐市8 3 0 0 0 6 ) 摘要：依据大跨径预应力混凝土粱桥预应力损失机理，针对目前结构设计中影响纵向预应力损失的主要因 素。优化大跨径预应力混凝土粱桥长束纵向预应力束为较短束，以减小预应力张拉过程中产生的摩阻损失，提高悬臂 施工过程中箱粱根部的预应力储备，改善成桥后的应力状态，增强L 4 截面混凝土的抗剪能力。为大跨径预应力混 凝土粱桥的纵向预应力束的设计提供一种新的思路。 关键词：预应力混凝土 预应力优化f 摩阻损失 预应力混凝土连续梁桥和连续刚构梁桥，具有 跨越能力大、受力合理、行车平顺、施工方便、养护费 用低等优点，已成为我国大中跨径梁桥的主要桥型。 大跨径三向预应力混凝土桥箱梁结构预应力的合理 设计，是保证桥梁结构强度和耐久性的重要手段。 近年来，大跨径预应力混凝土梁桥箱梁跨中下挠和 箱梁腹板开裂的现象相当普遍，严重威胁着桥梁结 构的安全运营。引起这些病害现象发生的原因相当 复杂，如：车辆严重超载，活载过大；纵向预应力筋张 拉不足，预应力损失偏大；设计时结构构造、主拉应 力等问题考虑不周等。预应力混凝土梁桥通过纵向 预应力筋来提供混凝土主梁各截面的预压应力，以 保证各个截面的强度储备。本文依据大跨径预应力 混凝土梁桥的预应力损失机理，针对目前结构设计 中影响纵向预应力损失的主要因素，化预应力长束 为短束，优化纵向预应力束的布置，为大跨径预应力 混凝土粱桥的纵向预应力束的设计提供一种新的 思路。 l 长束纵向预应力损失分析 预应力混凝土构件在正常使用极限状态计算 中，应考虑由下列因素引起的预应力损失：( 1 ) 预应 力钢绞线与管道壁之间的摩擦乱；( 2 ) 锚具变形、钢 绞线回缩和接缝压缩毋：；( 3 ) 预应力钢绞线与台座 收稿日期：2 0 0 8 一0 6 2 5 之间的温差仃川( 4 ) 混凝土的弹性压缩仃“；( 5 ) 预应 力钢绞线的应力松弛；( 6 ) 混凝土的收缩和徐变 以。在大跨径预应力混凝土梁桥结构中，长束预应力 损失主要来自于预应力钢绞线与管道壁之间的摩擦。 根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设 计规范( J T JD 6 2 2 0 0 4 ) ，后张法构件张拉时，预 应力钢绞线与管道壁之间摩擦引起的预应力损失， 可表示为： 巩I = L 1 一e _ 矽+ 圳j( 1 ) 式中：盯。为预应力钢束锚下的张拉控制应力， M P a ；卢为预应力钢绞线与管道壁的摩擦系数；口为 从张拉端至计算截面曲线管道部分切线的夹角之 和，r a d ；五为管道每米局部偏差对摩擦的影响系数； z 为从张拉端至计算截面的管道长度，可近似地取 该段管道沿构件纵轴上的投影长度，m 。 一般来说，预应力钢绞线在张拉时受力状况比 较复杂，其摩阻引起的预应力损失很大程度上受施 工工艺的制约，以至于波纹管与钢绞线束间的偏差 影响系数愚不易合理确定。波纹管预埋是否平顺牢 固、波纹管接头是否光滑、波纹管在施工中是否有挤 压变形、混凝土浇注时有无漏浆等，这些将直接影响 到系数量的真实取值，从而减小了混凝土构件预应 力的有效储备，特别是大跨径预应力混凝土梁桥中 长束预应力损失，表现尤为明显。 万方数据 公 路 2 0 0 9 年第z 期 同时，对于管道弯曲引起的混凝土构件的预应力 损失的精确计算往往被忽视。一方面，式( 1 ) 中预应 力钢绞线与管道壁的摩擦系数口是物体间的刚性接 触时所测取的；另一方面，式( 1 ) 推导过程中预应力钢 绞线与管道壁的接触应力假设不合理。事实上，根据 弹性力学中赫兹( H e n z ) 接触理论，当两弹性体相互 接触挤压时，接触面间的应力呈椭球状分布，其大小 与接触物体间的曲率半径和弹性模量有关。在预应 力钢绞线的张拉过程中，钢绞线对弯曲部分的混凝土 将产生较大的径向压力，使得混凝土结构局部变形， 从而改变了接触面处的曲率半径R ，进而影响径向压 力p 的分布规律( 呈非均匀分布) ，直接导致了摩擦力 的计算不准。另外，式( 1 ) 中从张拉端至计算截面曲 线孔道部分切线夹角8 的取值，不应简单为所有弯 曲孔道夹角之和，而应该分别计算各个弯曲孔道的 预应力损失。特别是随着张拉力的增加，摩擦阻力 与拉力呈2 次函数关系迅速加大。显然，式( 1 ) 计算 的预应力损失将比实际情况小许多，使得设计构造 物与实际结构在应力方面具有较大的差异。 通过以上对式( 1 ) 中的、正和口取值的讨论和对 预应力钢绞线与管道壁接触应力的理论分析，对于纵 向预应力筋损失计算结果，长柬要比短束的大，且长束 预应力筋出现的不确定性影响因素较多。若能够尽量 减少长束预应力筋的布置，化长束为短束，将会较大地 减小纵向预应力损失，提高桥梁的预应力储备。 2 纵向预应力筋的优化布置 现行设计的大跨径预应力混凝土梁桥皆为全桥 或整跨布置通长预应力束。由于预应力损失过大， 很容易造成预应力储备不足。鉴于此，本文依托湖 北沪蓉高速公路马水河大桥施工监控检测工作，对 超长预应力束带来的纵向预应力损失进行分析，对 照原结构设计图，对大跨连续刚构桥的纵向预应力 筋进行优化布置。 2 1 工程背景 马水河大桥是国道沪蓉高速公路上一座分离式 预应力混凝土连续刚构桥。主桥上部构造采用5 跨 一联三向预应力混凝土变截面连续箱梁，跨径组合 为1 1 0m + 3 2 0 0m + 1 1 0m 。箱梁采用悬臂现浇 法施工，主墩0 号块长1 8m ，合龙段( 2 3 号块) 长 2m ，每侧悬臂分2 2 个节段，分段长度3 5 4 5m 。 箱梁采用三向预应力：纵向预应力束分为腹板下弯 束w C 、顶板连续束T C S T C C T C 和底板连续束 S B C c B C 、底板上弯束S w C C w C 。其中，最长的 纵向预应力束w C 2 3 为2 0 0 4 5m 。 2 2 纵向预应力优化目标 根据桥梁施工和运营阶段的预应力作用效应不 同，分阶段配置预应力束，即：在施工阶段混凝土箱 梁的预应力能够满足悬臂施工的需要条件，成桥之 后混凝土箱梁的内力能够保证结构的安全性和耐久 性。具体目标为： ( 1 ) 减小施工阶段因预应力管道摩阻损失产生 的预应力损失，以减小理论设计与实际施工产生的 误差，在悬臂施工阶段结构受力满足条件； ( 2 ) 使合龙后根部截面的应力储备较原配置方 案有较大的增加，以克服箱梁在长期使用过程中，因 温度效应、徐变等因素产生的应力损失； ( 3 ) 合理配置预应力束，以提高箱梁腹板L 4 附近的腹板抗剪能力。 2 3 纵向预应力优化方案 马水河大桥任一T 构混凝土箱梁一般构造见 图1 所示。其中，在悬臂施工阶段，第1 5 、2 0 2 2 截面布置了2 束顶板束T C 及2 束腹板下弯柬 W C ，第6 1 9 截面布置了4 束顶板束T C 及2 束腹 板下弯束W C ，合龙段主要为底板束和腹板上弯束居 多。该桥各T 构在第1 7 节段以后预应力束张拉过程 中，由应力监测资料可知，根部控制截面的应力储备 很难达到设计要求。随着节段的增加和预应力束长 度的增长，实测值与设计值相差越来越大，这也是现 阶段大跨径连续梁桥施工监控中共同面临的问题。 注：图中数字表示截面号括号内数字表示施工阶段 图l马水河大桥箱梁一般构造 为此，本文将第1 7 2 2 节段的长预应力束分 段，改设成较短的预应力束，具体的优化方案如下。 ( 1 ) 将图2 ( 1 ) 中第1 7 2 2 节段的单束顶板通 长预应力束( T C l 8 T C 2 3 ) 分成图2 ( 2 ) 中2 束平行 万方数据 2 0 0 9 年第2 期张开银等：大跨径预应力混凝土梁桥纵向预应力筋优化布置研究 的在根部“搭结”的较短预应力束( T C l 8 T C 2 3 和 T C l 8 Z T C 2 3 Z ) ，其中另加的锚固端依次位于第 9 第4 截面。第9 第4 截面箱粱内侧锚固位置 见图3 ( 1 ) 所示。 + 一T C 2 3 f 一T c l 8 O 号块中心线 ( 1 ) 原设计方案第1 7 2 2 节段顶板预应力束 T C 2 3 Z 三三兰三三= = = = = = = ：T C 2 3 代埔z i 蓠萧羲一K 坞 ( 2 ) 优化设计方案第1 7 2 2 节段顶板预应力束 ，k 、W C 2 3 W C 2 3 Z W C 再磊石i 一岍1 8 O 号块中心线 “ ( 3 ) 原设计方案第1 7 2 2 节段腹板预应力束 W C 2 3 8 ( 4 ) 优化设计方案I7 2 2 节段腹板预应力柬 图2 长束纵向预应力优化布置示意 ( 2 ) 将图2 ( 3 ) 中第1 7 2 2 节段的单束腹板通 长预应力束( w C l 8 w C 2 3 ) 分成图2 ( 4 ) 中2 束平 r 回 一r ( 1 ) 新增顶板锚固位置 P 司 J ，一 ( 2 ) 新增腹板锚固位置 图3 长束预应力筋优化后新增锚固位置示意 行的较短预应力束( w C l 8 W C 2 3 和W C l 8 Z w C 2 3 Z ) ，其中另加的锚固端依次位于第1 5 第1 0 截面。第1 5 第1 0 截面箱梁内侧锚固位置见图3 ( 2 ) 所示。 ( 3 ) 考虑到施工阶段中的应力状态和后期预应 力张拉的需要，保留第7 、8 、9 、1 0 、1 4 、1 5 节段顶板4 束预应力筋的配置，将第5 、6 、1 1 、1 2 、1 3 、1 6 节段的 顶板预应力柬由4 束减为2 束，第1 7 2 2 节段顶板 预应力束由4 长柬变为4 短束。原顶板纵向预应力 筋与优化后纵向预应力根数比较见表1 。 ( 4 ) 中跨、边跨和次边跨合龙段的预应力筋布置 位置和数量保持原设计不变。 表l 原设计顶板纵向预应力筋与优化后纵向预应力筋根数比较 纵向束 T C lT C 2T C 3T C 4T C 5T C 6T C 7T c 8T C 9T C l OT C l lT C l 2 原设计22 222444 4 4 44 优化方案 222222244442 纵向束 T C l 3T C l 4T C l 5T C l 6T C l 7T C l 8T C l 9T C 2 0T C 2 1T C 2 ZT C 2 3 原设计 4444444222Z 优化方案 2244Z444444 注：T C l 1 1 C 2 3 代表0 号块的愤厦力果编号。 2 4 纵向预应力束优化方案特点 ， 此优化方案与原设计方案相比，有以下几个 特点： ( 1 ) 将长预应力束分段改为短束后，可以有效减 小施工过程中因孔道偏差引起的预应力损失，提高 钢绞线的有效使用率； ( 2 ) 通过根部截面的钢束数量与原方案基本相 同，但优化方案中因长束张拉端离箱梁根部截面距 离小，根部预应力储备会比原方案更富裕； ( 3 ) 在箱梁L 4 附近的腹板中增配了弯起钢 束，以提高此处腹板的抗剪能力； ( 4 ) 优化方案中，预应力筋的用量为6 7 2 7 3t ， 比原方案多1 2 4 。 3 结构有限元分析 运用M j d a s c i v i l 软件，对比计算马水河大桥原 设计方案和纵向预应力筋优化设计方案，对长悬臂 施工过程、成桥状态预压应力和L 4 截面的剪应力 进行仿真。计算过程中混凝土的弹性模量按照现场 试验结果取值。由于各个T 构预应力筋的布置相 同，现就其中任一预应力混凝土T 构的计算结果进 行分析。 3 1 悬臂施工阶段应力 对比计算2 种方案，第1 7 2 2 号阶段超长预应 万方数据 一4 一 公路2 0 0 9 年第2 期 力束改为短束后，悬臂施工根部。号块截面和L 4 截面的应力储备，结果见图4 图7 所示。由图可 知，长束化短束后，在悬臂施工阶段，箱梁根部截面 和L 4 截面的上、下缘应力储备都有明显地提高， 为桥梁施工提供更可靠的保障。 ：j 薹9 藿； ； 母 凸一 芝 R 倒 l I 罡l 茎 R 倒 l l l O 9 8 7 6 5 4 图4 箱梁根部截面上缘 图5 箱梁根部截面下缘 1 0 9 罡8 乏7 妄6 崔5 4 3 1 4 1 2 蛊1 0 芝8 妄6 毯4 2 O 图6 箱梁L 4 截面上缘应力 图7 箱梁L 4 截面下缘应力 3 2 成桥状态预应力 根据M i d a s c i v i l 计算结果，对比了桥梁成桥后 某T 构的应力，结果见图8 所示，关键截面的应力 比较见表2 。 2O2468l O1 21 41 61 82 0 2 2 施工节段号 图8 桥梁成桥状态某T 构的应力比较 表2 桥梁成桥状态下某T 构关键截面的应力M P a 宜昌支合宜昌支宜昌支 宜昌支恩施支恩施支恩施支恩施支 位置 根部 龙段 3 L 8L 4L 8 L 8L 43 L 8 台龙段 原设计方案 6 2 36 9 16 7 79 3 29 8 5 9 9 89 8 59 3 26 7 76 9 l6 2 3 优化方案 7 5 87 7 27 1 71 0 0 4 1 1 5 51 1 6 81 1 5 51 0 0 47 1 77 7 Z7 5 8 设计一优化 1 3 5O 8 1 0 4 0O 7 21 7 01 7 01 7 0 O 7 20 4 0 O 8 11 3 5 由图8 和表2 可知：长束化短柬后，成桥状态下 桥梁结构的预压应力储备整体有了明显提高，根部 应力储备比原设计提高了1 7 0M P a ；合龙段的应力 储备比原设计提高了1 3 5M P a ；L 4 截面的应力储 备和原设计基本接近，也提高了0 4 0M P a 。 3 3 成桥状态L 4 截面剪应力 应用M i d a s c i v i l 对2 种方案进行计算，成桥状 态L 4 截面剪应力结果见图9 和图1 0 所示。由图 9 、图1 0 可知：原设计中，成桥后L 4 截面最大剪应 力为1 2 2M P a ，优化方案中此断面最大剪应力仅 o 8 9M P a ，比原设计减小了2 7 。由于增强了此 部位的下弯预应力束的配置，从而提高了腹板的抗 剪性能。 4 结语 ( 1 ) 对大跨径预应力混凝土梁桥的长束纵向预 万方数据 2 0 0 9 年第2 期张开银等：大跨径预应力混凝土梁桥纵向预应力筋优化布置研究 一5 一 单位：M P a 图9 原设计L 4 截面剪应力 单位：M P a 图1 0 优化设计L 4 截面剪应力 应力筋预应力损失计算：在施工过程中，容易引起预 应力损失不确定性因素多，若设计时将长束改为较 短束，将会提高预应力损失的计算精度。 ( 2 ) 大跨径预应力混凝土梁桥纵向预应力长束 改短束后，在不过多增加预应力钢材用量的前提 R e s e a r c ho no p t i m a lD e s i g n 下，有效地减小了预应力损失，提高了施工过程中长 悬臂状态下根部预压应力储备，保障了施工的安全 性和可靠性；同时，增加了成桥状态下桥梁结构整体 的预压应力和改善了L 4 截面的剪应力，具有较强 的实用价值和应用前景。 本文只是应用有限元软件对2 种预应力束布置 方案进行对比计算分析，并没有从理论上推导出需 要优化改用较短柬预应力筋的数量和长度理论值， 有关这方面的工作还有待于进步的试验研究和理 论探讨。 参考文献： 1 李国平预应力混凝土结构设计原理 M 北京：人民 交通出版社，2 0 0 0 2 张开银，刘利军，廖原大跨度预应力混凝土桥竖向预 应力设计探讨 J 公路交通科技，2 0 0 4 ，( 8 ) 3 J T JD 6 2 2 0 0 4 ，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵 设计规范 s 4 郭小明，赵惠麟工程结构接触问题的研究及进展 J 东南大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 3 ，9 ( 5 ) 5 刘桂生，孙国柱悬臂施工连续梁( 刚构) 预应力优化 设计 J 广东公路交通，2 0 0 0 ，( 增刊) 6 J a t u r o n g S a n g u a n m a n a s a k s t r e s sc o n c e n t r a t i o nd u et o s h e a r1 a gi nc o n “n u o u sb o ) 【g j r d e r s J E n g j n e e r j n g S t r u c t u r e s 2 0 0 6 o fL o n g i t u d i n a lP r e s t r e s s e d R e i n f o r c e m e n tL a y o u tf o rL o n gS p a nP CB e a mB r i d g e Z H A N G K n f - 疗1 ”，NL 缸n 9 1 ”，H 【，JG H o - w n n g 3 ( 1 s c h o o lo fT r a n s p o r t a t i o n ，W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 6 3 ，C h i n 8 ；2 ，E n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fT r a n s p o r t a t i o n S a f e t y ，M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，W u h a n4 3 0 0 6 3 ，C h i n a ，3 X in j i a n gH i g h w a yP l a n n i n gS u r v e ya n dD e s i g nI n s t i t u t e ，W u l u m u q i8 3 0 0 0 6 ，C h i n a ) A b s t r a c t ： A c c o r d j n gt ot h ep r i n c i p l ea n dm a i nf a c t o ro fI o n g i t u d i n a lp r e s t r e s sl o s sdu r i n gt h es t r u c t u r e d e s i g na tp r e s e n t ，t h el o n gs t r a n do ft h el o n g i t u d i n a lp r e s t r e s si sc h a n g e di n t oas h o r to n ei nl o n gs p a nP C b r i d g e B yt h i so p t i m a ld e s i g nt h ef r i c t i o nl o s sw o u l db er e d u c e do b v i o u s l yi nt h es t r e t c h i n gp r o c e s sa n d t h ep r e s t r e s sr e s e r v ei nt h er o o to ft h eb o xg i r d e rw o u l db ee n h a n c e ddu r i n gt h ec a n t j l e v e rc o n s t r u c t i o n s t a g e M e a n w h i l e ，w i t ht h i sm e t h o dt h es t r e s ss t a t eo ft h ec o m p I e t e d1 0 n gs p a nP Cb r i d g ec a nb ei m p r o V e d a n dt h es h e a rc a p a b i l i t yi nL 4s e c t i o nc a nb es t r e n g t h e n e de f f e c t i v e l y I tp r o m o t e san e wd e s i g ni d e af o r l o n gs p a nP Cb r i d g ed u r i n gt h el o n g i t u d i n a Ip r e s t r e s ss t r a n dd e s i g n K e yw o r d s ：p r e s t r e s s e dc o n c r e t e ；o p t i m i z a t i o no fp r e s t r e s s ； f r i c t i o nl o s s 万方数据