大跨预应力混凝土连续梁桥设计分析.pdf

第 3 7卷 ， 第 5期 2 0 1 2年 1 0月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 7，No 5 Oc t2 0 1 2 大 跨预 应 力混凝 土连 续梁桥设计分 析 卢二侠 ，冯雄辉 ，郭结义 ( 1 广西 城乡规划设计院 ， 广西 南宁5 3 0 0 2 2 ； 2 桂武高速公 路建 设开发有限公司 ，湖南 郴州4 2 3 0 0 0 ) 摘要 结 合 ( 8 0+ 1 3 5+ 8 0 ) m 预应力 混凝 土连续梁桥 的设 计实例 ， 分析了大跨预应力混凝土 连续 梁桥结构 尺寸的拟定原则 及预 应力钢柬的布置方式 。为 以后 同类 型桥 梁结构设计提 供参 考。 关键 词 】预应力混凝 土连 续梁桥 ； 结构 尺寸 ； 预应力钢 束 ； 桥 梁结构设计 中图分 类号 U 4 4 8 2 1 5 文献标识码 】A 文章编号 】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 1 2 7 0 3 De s i g n a n d Ana l y s i s o f Lo n g - s p a n Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Co n t i n u o u s Be a m Br i d g e LU Er x i a ，F ENG Xi o n g h u i ，GUO J i e y i ( 1 G u a n g x i U r b a n r u r a l P l a n n i n g D e s i g n I n s t i t u t e ， N a n n i n g ，G u a n g x i 5 3 0 0 2 2 ，C h i n a ； 2 G U I - wu h i g h w a y d e v e l o p m e n t C o L t d ， C h e n z h o u ， Hu n a n 4 2 3 0 0 0， C h i n a ) A b s t r a c t T h i s a r t i c l e a n a l y z e s t h e s t r u e t u r e d i me n s i o n S f o r m u l a t e p r i n c i p l e s a n d p r e s t r e s s e d t e n - d o n sa r r a ng e mo d e o f L o n g - s pa n p r e s t r e s s e d c o nc r e t e c o n t i n u o u s be a m br i d g e b y t h e d e s i g ni n g l i v i ng e x - a m p l e o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i n u o u s b e a m b r i d g e( 8 0+1 3 5+ 8 0 ) mI t p r o v i d e s a r e f e r e n c e f o r t h e s a me t y p e o f b r i dg e s t r uc t u r a l d e s i g n i n f u t u r e Ke y wo r d s p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i n u o u s b e a m b r i d g e ；s t r u c t u r e d i m e n s i o n ；p r e s t r e s s e d t e n d o n s；b r i d g e s t r u c t u r a l de s i g n 1 工程概 况 钦 州市 钦江 五 桥工 程位 于钦 州市 北 环路上 跨钦 江处 ， 采用单跨 1 3 5 m的方式跨越钦江。主桥跨径 布置 为( 8 0+1 3 5+ 8 0 ) m， 全 长 2 9 5 m。主 桥 上 部 结 构采用变截面预应力混凝 土连续梁 ； 下部结构采用 箱型桥墩 ， 钻孔灌注群桩基础。主桥立面布置如 图 1所示 。 图 1 主桥立面布置 图( 单位： m ) T h e e l e v a t i o n o f t h e ma i n b r i d g e( U n i t ：i n) 2 结构设计 2 1 箱 梁梁 高的确 定 梁式 箱梁 高度 一般设 定为 跨径 的 ( 1 1 6l 2 0 ) ， 跨 中梁高为跨径 的( 1 3 01 5 0 ) 。考 虑到已 建成的公路箱梁桥较多 出现跨 中下挠、 腹板和底板 开裂病害。本桥设计通过增大梁高 ， 提高截面抗弯 刚度 ， 来控制主梁 的后期下 挠 ， 抑制梁体裂缝 的开 展 。 本桥支点梁高取为 8 5 m( 跨径 的 1 1 5 8 8 ) ， 跨 中梁高取 为 3 3 m( 跨径 的 1 Z 4 0 9， 支点 梁高的 l 2 6 ) ， 其间箱梁底板上 、 下缘 线按 二次抛物线变 化 。 2 2 箱 粱箱 室数 的确 定 本桥单幅桥 面宽度 为 l 7 7 5 m， 桥 面较 宽。若 箱梁截面型式选择为单箱单室， 可有利于悬臂挂篮 施工及两腹板均衡受力。但是这样钢束布置数量受 到限制， 致使每束钢束的预应力钢绞线的根数较多 ， 且悬臂较大， 剪力滞效应明显 。综合以上主要原因， 本桥选择单箱双室作为本桥箱梁截面型式 。 【 收稿 日期 )2 O I 2 0 7 2 6 作者简介】 s -6 ( 1 9 8 卜 ) ， 男 ， 山东临沂人 ， 硕 士， 工程师 ， 主要从事桥 梁 、 隧道 等结构设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 8 公路工程 3 7 卷 2 3 箱 梁横 断 面尺 寸 的确定 已建 大跨 径梁式桥跨 中下挠是 十分普遍 的现 象。主要是 由混凝土徐变 引起 ， 跨 中下挠往往伴随 跨中段出现横向裂缝或大量斜裂缝 。箱梁的板件越 薄 ， 混凝土的应力就越高 ， 徐变变形就越大。箱梁的 板件越薄 ， 理论厚度也越 小 ， 就会有较 大的徐变系 数。鉴于跨 中下挠往往与横 向裂缝与斜裂缝一起发 生 ， 相互促进恶化 ， 因此应该首先保证箱梁有足够的 正截面强度和斜截面强度。一定范围内增加腹板厚 度对梁体挠度影响不大， 但是 可以有效限制腹板斜 裂缝 的开展和保证混凝土浇捣质量 ， 提高箱梁抗剪 能力 。 通过以上分析 ， 并考虑纵、 横、 竖三 向预应力钢 束的布置等因素 ， 本桥箱梁横 断面主要 尺寸确定情 况 如下 ： 悬臂长度取为 3 2 5 m， 腹板外侧至箱梁 中心线 距离为 5 6 2 5 m； 支点附近底板厚度取为 1 0 0 c m ，为 跨径的( 1 1 3 5 ) ， 支点底板厚度取为 1 2 0 c m ，顶板 厚 度取为 6 0 c m； 跨中顶、 底板厚度为常用 的 2 8 c m和 3 0 c m； 跨中腹板厚 5 0 c m， 在跨径 的 3 8处 向支 点 方向变化到 6 5 c m， 再在约跨径的 1 1 0处 向支点方 向变化到 8 5 c m。具体尺寸如图 2所示 。 1 2 3 点截面l 2 q h 截面 32 5 I 5625 5 6 2 5 3 95 I I I j 5 ； 。 1 1 Q 霍 一 昌 l I 竖 8 5 2 5 6 2 5 f f I O 箱 粱 心 线 5 6 2 5 ， 图 2 箱梁横 断面 图( 单位： c m ) F i g u r e 2 B o x g i r d e r c r o s s s e c t i o n d i a g r a m( U n i t ： c m) 2 4 箱梁预 应 力钢束布 置 方式的确 定 从上世纪 9 0年代 ， 在大跨预应力混凝土梁式桥 的设计 中， 较普遍地取消弯起预应力钢束 ， 而用纵向 预应力 和竖向预应力来克服主拉应力 。这样做方便 施工， 可以减薄腹板的厚度。但精轧螺纹钢竖 向预 应力筋十分不可靠， 有效预应力不易得到保证 ， 结果 使箱梁腹板斜裂缝大量的出现。 本 桥 箱 梁 腹 板 下 弯 预 应 力 钢 束 采 用 2 2一西 s 1 5 2型。张拉端靠近箱梁底缘 。除最后 两个悬臂 浇筑梁段未布置腹板下弯预应力钢束外 ，在各梁段 均布置腹板下弯预应力钢束。其中0号浇筑梁段每 个腹板布置 2束 ， 共 6束 ； 其余各浇筑梁段每个腹板 布置 1 束 ， 共 3束 ， 以提高箱梁梁体的抗剪能力 。 考虑到增加顶板预应力钢束可减少底板合拢预 应力钢柬 ， 从而可克服跨 中下挠和底板崩裂。本桥 顶板预应力钢束采用 1 9一咖 s 1 5 2型。其 中0号浇 筑梁段每个腹板布置 2束 ， 共 6束 ； 其余各浇筑梁段 每个腹板布置 1束 ， 共 3束 。 本桥合拢预应力钢束采用 1 7一 s 1 5 2型。为 避免应力集中现象， 将合 拢预应力钢束布置于箱梁 腹板附近， 分多批次张拉锚固。为方便后期梁体出 现下绕、 开裂等问题处理 ， 本桥在边跨、 中跨均设置 底板备用预应力钢束管道。腹板 、 顶板、 合拢预应力 钢束布置情况如图 3所示。 边跨 1 2 中跨 图 3 1 2箱梁腹 板、 顶板 、 合拢预应 力钢束布置 图 Fi g u r e 3 t h e l a y o ut o f b o x g i r d e r we b p l a t e ，u pp e r p l a t es h ut p r e s t r e s s e d t e n d o ns 考虑到竖向预应力不足是预应力箱梁腹板 出现 斜裂缝的主要原因之一。而采用精轧螺纹钢作为腹 板竖向预应力筋存在以下问题 ： 张拉应力低 ，伸长量 小； 刚性索， 施工稍有偏差， 螺母难以拧到位； 张拉控 制应力高 ， 易断筋， 难更换。因此本桥考虑采用新型 的二次张拉低回缩钢绞线竖 向预应力锚 固系统 ，以 提高竖向预应力的有效性。 本桥横向预应力钢束采用 B M 3一 s 1 5 2扁锚 体系， 单端张拉方式 ， 相应预应力锚具张拉端与锚 固 端纵桥 向交错布置。 3 结构计算 本桥 纵向计算 采用桥梁博士 3 0平面杆系计 算 ， 取跨径布置为 7 9 9 m+1 3 5 m+7 9 9 m 的预 应 力混凝土连续箱梁， 全桥共分为 1 0 6个单元 ，1 0 7个 节点。箱梁采用 C 5 5混凝土。施工步骤 ： 悬臂挂篮 施工， 二期恒载 、 收缩徐变 1 0 a 。全桥按全预应力混 凝土构件设计计算。平面杆系的计算模型如图4所 示 。 图 4计算模型 Fi g u r e 4 c o mp ut a t i on mo d e l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 卢二侠 ， 等 ： 大跨预应 力混凝 土连续 梁桥设计分析 1 2 9 3 1 计算参数、 荷载 永久作用。钢材重力 密度 ： 7 8 5 k N m ； 预 应力混凝 土重力密度 ： 2 6 0 k N m ； 沥青混凝 土重 力密度 ： 2 4 0 k N m ； 基础相对 变位 ： 按沉降 2 0 mm 考虑； 混凝土的收缩及徐变作用、 预加力 ： 按 设计 规范 规定 计算 ； 孔道摩 阻系数 和偏差 系数 k 分别取值 0 1 7 、 0 0 0 1 5 ； 单端预应力钢束 回缩和锚 具 变形 为 6 mm。 可变作用。汽车荷载 ： 城一 A级 ， 按三车道计 算 ； 人群荷载 ： 2 9 6 k N m ； 汽车荷载制 动力及 冲击 力 ： 按 通用规范 规定计算 ； 风荷载 ： 基本风速为 3 5 0 m s ， 风压 为 0 9 k N m ； 温 度作用 ： 整体均匀 温度升高 ： 2 5 c 【 = ， 整体 均匀温度 降低 ： 一2 5。结 构高度范围 内竖向梯 度温度按 通用规 范 规定 计算。 3 2极 限承载 能 力 根据 设计规范 中第 5 1 5条规定 ， 对主梁 的承载能力极限状态进行验算。 承载能力极限状态下 ， 最大、 最小抗弯承载力包 络图如图 5 、 图 6所示。抗弯强度效应小于抗力值 ， 满足规范要求 。 图 5最大抗弯承载力包络 图( k N n 1 ) Fi g ur e 5 t h e e nv e l o pe di a g r am o f ma x i mu m fl e x u r a l c a p a c i t y( k N m) 图 6最小抗 弯承 载力包络图( k N I n ) F i g u r e 6 t h e e n v e l o p e d i a g r am o f mi n i mu m fl e x u r a l c a p a c i t y( k N m) 3 3短 期荷 载组 合 本桥按 全 预应 力 混 凝 土 构件 设 计 ， 设 计 规 范 第 6 3 1条要求 ： 对 于全预应力混凝土构件 ， 正截面抗裂短期效应组合 ( 预应力效应乘以 0 8 ) 下 不 出现拉应力。计算结果如图 7所示。 最小 压应 力 在 支 点 附 近 上 缘 0 8 MP a ， 跨 中 上 缘 1 8 MP a ， 跨 中下 缘 1 8 MP a 。满 足规 范要 求 。 3 4长期 荷 载组合 本桥 按 全 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 ， 设 计 规 范 第 6 3 1条要求 ： 对 于全 预应 力 混 凝 土构 件 ， 正截面抗裂长期效应组合下不允许 出现拉应力 。计 1 5 5 1 3 1 1 5 4 1 3 5 1 5 4 1 3 1 1 5 5 、 、 、 、 、 、 、 、 、 V， ， ， ， - 、 、 、 、 、 、 、 、 、 ， 一 图 7 短期 效应组合上下缘应力包络图( 单位： M P a ) F i g u r e 7 t h e e n v e l o p e d i a g r a m o f u p p e r a n d l o w e r l i mb i n c o mb i n a t i o n f o r s h o r t t e r m a c t i o n e f f e c t s(Un i t ： MP a ) 算结 果如 图 8所示 。 厂 _ 、 一 1 1 _ ， ， t ；2 4 一 1 3 1 ， 2 ， 5 6 、 ； ，= 、 = ： 图 8长期效应组合上下缘应 力包络 图( 单位： M P a ) Fi g u r e 8 t he e n v e l o p e di a g r a m o f up p e r a n d l o we r l i mb i n c o mb i n a t i o n for l o n g t e r m a c t i o n e f f e c t s (U n i t ： MP a ) 未出现拉应力。满足规范要求。 3 5标准 荷载 组合 根据 设计规范 第 7 1 5条规定 ， 对 主梁 的 压应力进行验算。标准组合下混凝土的压应力不大 于 0 = 0 5 3 5 5=1 7 7 5 MP a 。计算结果如 图 9所 示 。 、 点 ， 1 5 4 1 2、 5 、 1 5 、 、 4 一、 一 ， 5 8 一 、 图 9 标准效应组合上 下缘应力包络 图( 单位： M P a ) Fi g u r e 9 t he e n ve l o p e d i a gra m o f u p p e r a n d l o we r l i mb i n c o m b i n a t i o n fo r s t a n d a r d a c t i o n e f f e c t s ( U n i t ： MP a ) 最大压应力在支点附近上缘 l 5 4 MP a ， 支点下 缘 1 0 9 MP a ； 跨 中上缘 1 2 5 MP a ， 下缘 l 0 4 MP a 。 满足规范要求 。 4 结 语 大跨梁式桥具有造价相对较低、 施工简易快捷 、 建筑高度 小、 适应 能力强 、 维 护费用 少等特点 ， 是 2 0 0 m跨径以内的主力桥型。本文介绍了钦州市钦 江五桥工程主桥的设计要点分析 ， 可为以后 同类型 桥梁结构的设计提供参考。对于大跨梁式桥梁跨 中 下挠 、 梁体开裂原因及其相应控制措施 ， 还有待进一 步 分析 和研 究 。 参考文献 ( 下转第 1 4 0页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 0 公路工程 3 7卷 墩柱组合抗推刚度 ， 既可 以不改变原有墩柱的刚度 又能够较好的降低控制全桥墩柱配筋的柱底弯矩。 通过 图 5可 以看 出 ， 采用 调整 支 座 刚 度调 整 后 的 3 一 6 墩柱底弯矩较调整墩柱刚度调整后的柱底弯矩 离散性小 ， 说明通过调整支座抗推刚度可 以有效的 调整墩柱组合抗推刚度 ， 进而使得墩柱受力更加合 理 ， 配筋更经济。 一 直 Z 一 、 缸 图 5 各墩 柱底弯矩折线 Fi g u r e 5 Li n e c h a r t o f be n d i n g mo me nt o n b o t t o m o f t h e c o l u mn 4 结语 连续梁墩柱合理设计的影响因素为 ： 孔跨布置、 纵断设计 、 墩顶水平力分配 、 支座形式的选择 ， 这些 因素最终归结为墩顶水平力。孔跨布置与纵断设计 直接影响墩柱高度 ， 进而影响墩柱刚度及墩顶水平 力分配， 墩顶水平力是进行墩柱设计的控制性因素 ， 合理的调整墩柱直径及支座厚度可有效的调整墩柱 组合抗推刚度， 进而使得墩柱受力更加合理， 配筋更 加经 济 。 【 参考文献 1 袁伦一连续桥面简支梁桥墩计算实例 M 北京 ： 人 民交通 出版社 。 1 9 9 4 2 范立础桥梁工程 【 M 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 1 3 J T G D 6 0 2 0 0 4 ， 公路桥涵设计通用规范 S 4 王伯 惠， 徐风云柔性墩台梁式桥 设计 M北京 ： 人 民交通 出版社 ， 1 9 9 4 5 J T G D 6 3 2 0 0 7 ， 公路桥涵地基与基础设计规范 S 6 檀宗斌 橡 胶支 座设置对 下部结构受 力的影 响及应用 J 公 路交通科技 ， 2 0 0 5 ， 4 ( 2 2 ) ： 4， 8 7 8 9 7 聂玉东 ， 信 岩 ， 唐立 军 连续 梁桥 柔 性墩 墩顶 水 平力 计算 J 黑龙江水专学报 。 2 0 0 0 ， 3 ( 2 7 ) ： 1 ， 3 03 2 8 温超 ， 李 楠 桥 墩顺 桥向水平分配力计 算【 J 交通科 技 ， 2 0 0 9 7： 2 32 5 9 宋娃丽 ， 王风岐 ， 宋新力 桩 柱式墩 台水平力 的分配计算 J 工程力学增刊 1 9 9 8 ， 5 2 8 5 3 1 1 O 倪丹 ， 马国红 浅析纵 向水平力在 柔性墩 台上的分配 J 山西建筑 ， 2 0 0 8 ， 9 ( 3 4 ) ： 2 6， 3 1 43 1 5 ( 上接 第 1 2 9页) 1 J T G D 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 2 J T G D 6 02 0 0 4。 公路桥涵设计通 用规范 S 3 邵旭东 ， 程翔云 ， 李立 峰 桥梁设 计与计 算 M 北 京 ： 人 民交 通 出版社 ， 2 0 0 7 4 C J J 1 1 2 0 I I ， 城市桥梁设计规范 S 5 6 7 邵旭东 。 肜辉 ， 张阳， 等 低回缩 预应 力锚具锚下混 凝士应 力 的试验研究 J 湖南大学学报 ， 2 0 1 2 ，3 7 ( 2 ) ： t一 5 郭进 ， 曹聪慧 ， 石 雪飞 主梁 梁高对于连 续刚 构长期挠 度的 影 响 J 结构工程师 ， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 5) ： 3 53 7 刘 山洪 克服大跨 P c连续刚构桥后期下挠设计措施 J 重庆 交通学院学报。 2 0 0 6， 2 5 ( 6 ) ： 47 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m