预应力混凝土薄壁箱梁桥预应力效应分析.pdf

第 3 6卷 ， 第 3期 2 0 1 1年 6 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i ng Vo 1 3 6，No 3 J u n，2 0 1 1 预应 力混凝 土薄壁箱梁桥预应 力效应分析 龙伟 良 ( 湖南省洞新高速公 路建设开发有 限公 司 ， 湖南 邵 阳4 2 2 0 0 0 ) 摘 要大跨径 预应力 混凝土箱梁桥在近 2 O一 3 O a 得到广泛 的使 用 ， 针对 这种结构 ， 通 过对 预应 力混凝土薄 壁箱梁预应力综合效应 的平面分析 ， 以便合理地配 置预应力筋来 防止裂 缝等病害 的出现 。 关键词 预应力 混凝 土箱 梁 ；预应 力 ； 平 面分析 中图分类号 U 4 4 8 2 1 3 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 1 7 9 0 4 1 前 言 Effe c t o f Pr e s t r e s s o f PC Bo x Gi r de r Br i d g e s LONG W e i l i ang ( H u n a n D o n g x i n E x p r e s s w a y ，S h a o y a n g ，H u n a n 4 2 2 0 0 0 ，C h i n a ) Ke y wo r d s P C b o x g i r d e r b r i d g e s ；p r e s t r e s s i n g f o r c e ； p l a n e a n a l y s i s 大跨 径 预应 力混 凝 土箱梁 桥 在近 二 三十 年得 到 广泛的使用 ， 在 4 0 3 0 0 m的经济跨径范 围内， 此类 桥 梁是 最有 竞 争 力 的桥 型 之 一 ， 具 有 广 阔 的前 景 。 但 目前 在预 应力 混凝 土 箱梁桥 的施工 和 运营 过程 中 出现 了一 系列 的 问题 ， 相 当数 量 箱 梁 的腹 板 、 顶 板 、 底板、 横隔板以及齿板等部位 出现 了各种形式 的裂 缝 ， 有的桥甚至在未承受 活载 的 自重 阶段就 出现 了 裂缝 ， 裂缝的存在对结构的耐久性、 安全性和正常使 用 都会 产生 十分 不 利 的 影 响 ， 其 中最 严 重 的箱 梁 腹 板 斜 裂 缝 。 从 根 本 上 说 ， 预 应 力 箱 梁 结 构 性 裂 缝 ( 受 力 裂缝 ) 都 是 由于 拉 应 力 超 过 混 凝 土 的 抗 拉 强 度 引起 的 ， 导致 出现 裂缝 等 问题 的原 因 比较 复杂 ， 预 应 力被 普遍 认 为是 其 主 要 原 因之 一 ， 所 以 明确 预 应 力 的综合效应 ， 以便更 加合理地配置 预应力筋来 防 止 裂缝 等 病 害的 出现具 有重 要 的意 义 。 2 计算模型 本文 采 用 某 大 桥 作 为 研 究 对 象 ， 其 主 桥 为 1 0 6 n l + 3 2 0 0 I T I 十1 0 6 m 的五 跨 预 应 力 连 续 刚构 箱梁桥 ， 截面为分离单箱单室的箱形截面 ， 箱梁根部 高 1 2 m， 跨 中梁 高 3 5 i n ， 底 板厚 度 由 3 2 c m逐 渐 变 化 为 1 1 0 e m， 腹板 从跨 中至根 部分 三 段 采用 4 0 c m、 5 5 c m、 7 0 e m 三 种 厚 度 ， 箱 梁 高 度 按 照 1 8次 抛 物 线 变 化 。单 幅主梁 截 面 图见 图 1 。 图 1 箱 梁 截 面 图 ( 单位 ：c m) 采 用桥 梁 分 析 软 件 ( 桥 梁 博 士 ) 建 立 平 面杆 系 结构 有 限元 模 型分 别 进 行 纵 、 竖 向预 应 力 的平 面 分 析 ， 计算模型见 图 2 。 对于纵 向预应力配筋采取 2种方案 ：方案按 照原桥设计 的纵向预应力筋情况进行 配束 ； 方案 依据有关文献而采用 与原桥配筋情况相似 ， 但是取 消弯起束 ， 仅在边跨端部保 留原弯起束 ， 再将 2种方 案 进行 比较分 析 。对竖 向预应力 的效应 分析 是根 据 原 桥 配筋 图 ， 方 案 是 不 配竖 向预应 力筋 ， 方 案 配 置 竖 向预应 力 筋 ， 再将 2种 方案 进行 比较 分 析 。 收稿 日期2 0 1 1 一 O 4 2 5 作者简介龙伟 良( 1 9 7 2 一) ， 男 ， 湖南望城人 ， 工程师， 主要从事高速公 路建设与管理工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 8 O 公路工程 3 6卷 图 2计算 模型 图 3纵向预应 力效应 分析 3 1分析 思路 在过去的十几年 ， 我 国大跨径连续梁桥和连续 刚构桥发展很快。悬 臂施工工艺的成熟 ， 高强度预 应力钢材、 高标号混凝 土和大吨位预应力锚固体 系 的研制 开发和 应用 ， 这 些 是 促 进 大跨 径 预 应力 混 凝 土连续梁桥发展的重要因素。其中由于大吨位锚 固 体系的应用而导致连续桥的纵向预应力布束方案发 生了变化， 由传统的顶板束 、 底板束和腹板上下弯束 的布置型式向以顶板直线型束为主、 腹 板下弯束 为 辅的过度 ， 进而发展 到全部采用顶板直线型柬 的新 型布束方案。这种新型 的方案有比较显著的优点 ， 它为混凝土的浇注和预应力钢束的张拉带来了极大 的方便 ， 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 。 传统的纵向预应力布束方案是根据受弯梁的弯 矩包络图设计的 ， 即是根据不 同应力状态下受弯梁 的破坏形态设计 ( 见图 3 ) 。为了适应现代化标准化 施工及其简便性 的需要 ， 并适当降低 钢筋用量以降 低造价， 根据力学原理 ， 在许可的范围内， 对传统 的 纵向预应力配束方案进行了优化 ( 见图 4 ) ， 国内外 已据此成功地设计 了许多 预应力连续箱梁桥。 自 2 0世纪 8 0年代末 以来 ， 越来越 多的预应力 箱梁桥 的设计中， 又取消弯起束和连续束 ， 采用 了直筋式的 纵 向预应 力布束 方 案 ( 见 图 5 ) ， 以 竖 向预 应 力 和纵 向预应力来克服主拉应力。采用直筋布柬方案是大 跨径桥 梁设 计 中的一种 趋 势 。究 竟何 种预 应力 布束 方案更为合理 ， 更 符合一定的力学规律， 值得进行深 入的研 究 。 图 3 国内外传统 的纵 向预应 力配 索方 案示意 图 图 4优化 的纵 向预 应力配索方案 示意 图 图 5直 筋 式 纵 向预 应 力 配 索 方 案 示 意 图 本 文纵 向 预应 力 的分 析 采 用 2种 方 案 ：方 案 ， 按照原设计方案布置纵向预应力筋 ， 即保留预应 力弯起束。方案 ， 仍然参照原桥方案布置纵筋 ， 不 改 变钢束 数量 、 材 料 特性 、 截 面尺 寸 及位 置 ， 仅 将 悬 浇顶板束中的弯起束改为直线束。 3 2平 面杆 系有限元计 算结 果及 分 析 通 过建立 全 桥的平 面杆 系有 限元 模型 对保 留弯 起 钢筋 和不保 留弯起钢 筋 的两种 不 同的方 案分 别进 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 龙伟 良 ： 预应力 混凝 土薄壁箱梁桥预应力 效应分 析 1 8 1 行计 算 ， 得 到使 用状 态 下 结构 重 力 产 生 的 内力 图 以 及 竖 向位 移 图 以及 两种 方案 的 预应 力产 生 的 内力 图 以及 竖 向位 移 图分 别见 图 6一图 l 1 。 2 5O000 2 0 00 0 0 1 5O 000 l O0000 5 0 0 0 0 0 -50000 一l OO000 暑 、 趟 足 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 桥 纵 向距离 I n 图 6重 力 作 用 下 的 内 力 图 8 0 0 20000 1 00 0 0 0 一l 0000 - 20000 30OO0 40000 - 50000 60000 - 70000 图 7重 力 作 用 下 的 竖 向位 移 图 0 20 0 400 60 0 8O0 桥纵 向距离 m 图 8保 留弯起束 的纵 向预应力筋作 用下的内力图 图 9保 留弯 起 束 的 纵 向预 应 力 筋作 用 下 的 位 移 图 从 内力 图 和位 移 图 的 比较可 以 看 出 ：方案 和 2 00 00 l 00 00 0 1 00 00 -200 00 -300 00 -4 0 0 0 0 500 00 - 6 00 00 -7 00 00 桥纵 向距 离 n l 图 1 0不保 留弯起束 的纵向预应力筋作用下 的内力 图 暑 、 龄 -叵 图 1 1 不 保 留 弯起 束 的 纵 向 预 应 力 筋 作 用 下的 位 移 图 方案在成桥状态下产生 的内力和位移非常相似 ， 在某种程度来讲 ， 2种布束 的方式在力求达到内力 和位移 的效果 上来 说是 一致 的 。从 重力 产生 的 内力 和位移 图来 比较可 以看 出施 加纵 向预应 力所 产生 的 压力可以中和一部 分重力作用下所 产生 的巨大拉 力 ， 预应力产生 的弯矩也在 大多数 区域 同重力作用 下 的 弯矩 方 向相反 ， 而 纵 向 预应 力 作 用 下 跨 中的 向 上 的 竖 向位移 几乎 等 同于 重力作 用 下在 跨 中位置 产 生的 向下 的竖 向位 移 。 保 留弯起 束 和不保 留弯起束 的两种 布束 方式 虽 然在 产生 内力 这 一方 面没 有 影 响 ， 但 是 在 对 产 生 主 拉应力的贡献上却有着不同的效果 。从桥梁博士 中 选 取 第二 主跨 的 主拉应 力 ， 绘制 成 图 ， 见 图 1 2 ， 第 二 主跨 的剪 应力 的 比较 ， 见 图 l 3 。 岂 、 。R 图 l 2第 二 主 跨 主 拉 应 力 图 2 0 2 4 6 8 O 2 4 6 叭叭叭叭 0 0加 加加加 加 2 O 2 4 6 8 0 2 4 6 0 0 0 O 0 0 l 1l O 0 0 O 0 0 0 O O O 0 O 0 0 O O 0 0 O 0 一 一 一 一 一 一 一 一 、 叵 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 2 公路工程 3 6卷 寰 、 R 翱； 圈 1 3第 二 主 跨 剪 应 力 图 从 图 1 2可 以看 出在 1 4跨 径 和 3 4跨 径 处 会 产生较大的主拉应力 ， 这也就是 在 I 4跨径和 3 4 跨径处会经常出现腹板斜裂缝的主要原因。综合两 种方案来说 ， 保 留弯起束 的方案 中箱梁截面的主拉 应力 比不保 留的时候明显要小， 所以从抵抗腹板 开 裂这一因数来看 ， 保留弯起束是有利的。从图 1 3可 以看出保留弯起束的方案在抗剪作用上也优于不保 留弯起束的方案。但是就施工过程而言 ， 弯起束的 设 置在 预应 力 筋 的 施 工 过 程 中 又带 来 了极 大 的 不 便。总的来说 ， 虽然不 保留弯起钢筋会产生 比较大 的主拉应力， 但是这 种负面的影响是可以通过合理 增加竖向预应力筋来弥补的 ， 直线型的布束方案在 运营阶段来说是有利 ， 但是对于节段施工来说 ， 由于 竖向预应力筋还来不及布置， 所以这种方式在施工 阶段 比较敏 感 。 4竖 向预 应力效应分析 4 1 基 本 参数 实 桥 的竖 向 预 应 力 筋 在 每 侧 腹 板 内按 双 排 布 置 ， 每两 根 竖 向预 应 力 筋 的纵 向间 距 为 0 5 m。 由 于平面 有 限元 分 析 软 件 ( 桥 梁博 士 ) 无 法 以 筋 的 形 式模拟竖 向预应力筋 ， 所 以竖 向预应力筋被换算成 等 效荷 载 ， 以力 的形 式在 施 工 阶段 逐 一施 加 到 计 算 模 型 中。 4 2 计 算结 果及 分析 理论 和 实践 表 明 ：竖 向预应 力是 抵抗 腹板 剪应 力 和主拉 应力 的关 键 ， 混 凝 土 的 破 坏 面与 最 大 拉应 力 方 向正 交 ， 是 由拉 伸劈 裂 而造成 的 ， 没有设 置竖 向 预应 力筋 的箱 梁 腹板 开裂 更 为 严 重 。因此 ， 在 箱 梁 结构的施工过程中， 通过施工监测工作 ， 一方面可保 证 结构 有足够 的竖 向预 应 力 ； 另 一方 面通 过 实 际 测 量 的纵 向预应 力大 小 ， 合理 配 置和调 整竖 向预 应力 ， 以提高结 构 的抗破 坏能力 。 通 过计 算 加 了纵 、 竖 向预应 力 筋 和加 纵 向预 应 力筋不加竖向预应力筋的两种工况 ， 其计算结果表 明加 竖 向预应力 的时候 主拉 应 力 明 显发 生 变 化 ， 它 由不 加竖 向预应 力 的主拉应 力 变成 了加竖 向预应 力 的主压应力。也就是说 ， 竖向预应力的合理施加可 以增加截面的竖 向压应力 ， 既而达到改变主拉应力 大小和方向的效果 ， 主拉应力 因为竖向预应力的合 理施加 而在 大部分 区域 内变成 了主压应 力 。腹板 的 裂缝是因为主拉应力过大而产生 ， 所以， 合理地施加 竖向预应力可 以有效地防止腹板斜裂缝的产生 ， 能 充 分利 用混凝 土 的 良好 的抗 压 性 能 ， 使 结 构 受 力更 加合理。 5 结 论 纵向预应力可以改善混凝土抗拉能力差的 性能 ， 提高混凝土箱梁的跨越能力 ， 纵向预应力筋可 以更好更安全地为节段悬臂施工服务 ， 不论在运营 阶段还是施工阶段它都发挥着很大的作用 ； 当今 出现的以直线束为主的纵 向预应力筋 布束方式 ， 因为没有竖弯 ， 为混凝土的浇注和预应力 钢束的张拉带来 了极大的方便 ， 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非常 有利 ； 纵向预应力筋保 留竖弯 的布束方式 同直线 形布束 方式 相 比 ， 剪应 力和 主拉应 力 都较少 ， 可 以认 为竖弯束 的布置可以有效地抵抗截面开裂 ； 在悬臂施工过程 中， 当混凝土达到一定的强 度后先张拉纵向预应力束 ， 形成 了悬臂体 系之后才 张拉横 、 竖 向预应力 筋 ， 所 以在施工 过 程 中直 线型 布 束 方式悬 臂端 部 的抗 裂 性 能 较差 ， 在施 工 阶段 比较 敏 感 ； 竖向预应力可以改变主拉应力 的大小 ， 设计 中看 来它 可 以使 主 拉应 力 变成 主压 应 力 ， 充 分 地利 用混 凝土 的抗压 性 能 ， 有效 避免 裂缝 的 出现 ； 纵上所述 可 以得 出， 采用直 线 型的布束方 案 ， 并合理地配置竖 向预应力筋也可 以减少主拉应 力 ， 有效 防止腹 板开 裂 ， 但 是要 充分 考 虑施工 过程 的 合理性 ； 从一 定程 度来 说 ， 竖 向预应 力 达到 的效 果 只 是理论上的， 由于竖向预应力筋 比较短 ， 难 以建立有 效预应力 ， 达到设计的效果 ， 所以采用合理的方法提 高有 效 的竖 向预 应 力 是有 必 要 的 ， 国外 较 多 地 采用 了真 空 压浆 法使 竖 向预 应力 管 道 压浆 密 实 ， 对 改善 ( 下转 第 1 8 6页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 8 6 公路工程 3 6卷 通过及时地预警 ， 避免 了隧道更大变形或塌方的发 生 。 4 结论 通 过 理论 分 析 和工 程 实 例 应用 ， 证 明利 用灰 色 预测模 型对 隧道 开挖后 的围岩 位移进 行预 测是 可行 的。应用 G M( 1 ， 1 ) 灰色优化新 陈代谢模型能 比较 准确地反映隧道的变形情况 。 2】 3 4 】 参考文献】 杨志法， 刘华竹 位移反分析在地下工程中 的应用 J 地下 工 程 ， 1 9 8 1 ， ( 2 ) ： 2 0 2 4 朱永全 时 间序列 分析在隧 道位移施 工监测 中的应用 J 】 岩 石力学 与工程学报 ， 1 9 9 6， ( 4) ： 3 5 3 3 5 9 王建 监测数 据回归分析 中典型监测值欠拟合 释因 J 武 汉大学学报( 工学版 ) 2 0 0 3， 3 6 ， ( 6 ) ： 9一l 2 Y i n a o W ， Z h ij i e C ， Z h i q i a n g G A G e n e r a l i z a t i o n o f t h e G M( 1 ， 1 ) d i r e c t m o d e l i n g m e t h o d w i t h a s t e p b y s t e p o p t i - mi z i n g g r e y d e i v a t i v eS wh i t e n v a l ue s a nd i t s a pp l i c at i o n s J K y b e m e t e s ， 2 0 0 4 ， 3 3 ， ( 2 0 ) ： 3 8 2 3 8 5 5 C h e n g C h u n g L e e， T e r n g J o u Wa n， Ch a o Yi n K u o ， e t a 1 M o d i f i e d G r e y Mo d e l f o r E s t i m a t i n g T r a f f i c T u n n e l A i r Q u a l i t y J E n v i r o n M o i n t A s s e s s ， 2 0 0 7 ， ( 1 3 2 ) ： 3 5 1 3 6 4 6 刘斌 ， 刘思峰 基于灰色 系统理论的时序数据挖 掘技 术 J 】 中国工程科学 ， 2 0 0 3 ， 5， ( 9 ) ： 3 23 5 7 陈勇 灰色理论在隧道 信息化施工 中的应 用及施 工数值模 拟 D 长沙： 中南大学 ， 2 0 0 5 8 】 易耀林 ， 刘松玉 ， 童立 元基 于 B P神经 网络 的隧道周边 位移 安全监测模型 J 路基工程 ， 2 0 0 7 ， ( 5 ) ： 8 8 9 O 9 刘思 峰， 郭天榜 ， 党耀 国 灰色 系统理论 及其应 用 M 北京 ： 科学 出版社 ， 1 9 9 9 1 0 刘能铸 基于灰色理 论的隧 道围岩稳 定性 预测分析 D】 重 庆 ： 重庆大学， 2 0 0 7 1 1 谭冠军 G M( 1 ， I ) 模型的背景值 构造 方法 和应用 J 系统工 程 理 论 与 实践 ， 2 0 0 0 ， ( 4 ) ： 9 81 0 3 ( 上接 第 1 8 2页) 竖 向预应力 达 到了一 定 的效果 。 2 3 】 4 参考文献】 P Re a a n d A R Ma r j ，N o n l i n e a r G e o me t r i c a n d An a l y s i s 0 f P r e s t r e s s e d C o n e r e e t G e n e r a l S h e l l S t r u t u r e s J C o m p u t e r s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 3， 4 6 ， ( 5 ) 彭俊 预应力混凝 土连续 梁桥直线 型布束相 关问题 的分析 J 上海市公 路 ， 2 0 0 1 ， ( B I 2 ) 龚建峰 预应力混凝 连续 梁布跨和 布束 探讨 c J 城市 道桥 与 防洪 ， 2 0 0 2， ( 1 ) 杨 征 宇 ， 李 强 ， 周 军 生， 等 大 跨 径 梁桥 预 应 力束 的配 置 A 中国公路 学会桥 梁和 结构工程 学会 1 9 9 9年桥梁学术 讨 5 6 7 8 9 1 0 论会论文集 C 厦门： 厦 门路桥股 份公 司， 1 9 9 9 张继尧 ， 王吕将 悬臂浇注预应 力混凝 土连续 梁桥 M 人 民 交通出版社 ， 2 0 0 4 范立础 预应力混凝土连续 粱桥 M 人 民交通 出版社 ， 1 9 8 8 朱汉华 ， 潘明军 ， 钟新谷 ， 等 预应 力混凝 土连续 粱桥结 构裂 缝成 因及设计改进 A 第一 届全 国公路 科技创 新高层论 坛 论 文集 c ， 杭州 ： 浙江省公路管理局 ， 2 o o 2 杨晓玲 ， 陈湘林 箱 梁腹板开裂与竖向预应力质量 的探 讨 J 湖南交通科技 ， 2 0 01 ， ( 1 ) 屈 国 预 应 力混 凝土 连续 刚 构设 计 J 东北 公 路， 2 0 0 3， ( 4 ) 施颖 ， 宣纪明 ， 马春亭 大跨度预应力 混凝土变截 面连续箱 梁桥设计 J 桥梁建设， 2 0 0 3 ， ( 4 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m