大跨度混凝土梁桥的合理成桥状态设计方法.pdf
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1、4 0 桥梁建设 2 0 1 0年第 1期 文章 编号 : 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 4 0 0 5 大跨度 混凝 土梁桥 的合理成桥 状态设计方法 刘 钊 , 戴 玮 , 贺志启 , 吉 林 , 李准华 , 赵君黎。 ( 1 东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 江苏 南京 2 1 0 0 9 6 ; 2 江苏省长江 公路大桥建设指挥部, 江苏 南京 2 1 0 0 0 4 ; 3 中交公路规划设计院有限公司, 北京 1 0 0 0 8 8 ) 摘 要:针对采用节段悬浇施工的大跨度混凝土梁桥普遍存在 的持续下挠 问题 , 提 出基于
2、荷 载 效应 平衡 的“ 合 理成桥 状 态” 概念 以及 相应 的预应 力 配筋设 计 方法 。通过合 理 的纵 向预 应 力配置 去适度 平衡 多种作 用效 应 , 使桥 梁处 于合 理 的成桥 状 态 ( 弯 曲状 态、 应 力状 态和 挠 曲状 态) , 以便 能 够抑制跨 中长期下挠。此外 , 还提 出控制最大压应力水平和采 用体 内一体外混合配束的设计策略。 结合持续下挠的机理讨论 , 认为合理成桥状态是一种 能有效抑制桥梁下挠的实用设计方法。 关键 词 : 混凝 土 梁桥 ; 合 理成桥 状 态 ; 预 应 力 ; 下挠 ; 桥 梁设计 中图分类 号 :U4 4 2 5 1 文献
3、 标志码 : A De s i g n M e t h o d f o r Ra t i o n a l Co mp l e t i o n S t a t u s o f Lo ng S p a n PC Gi r d e r Br i d g e s LI UZh a o ,DA1 We i ,HE Z h i q i ,J J Li n ,LJ Z h u n h u a 。 , ZHAO d u n - l i 。 ( 1 Ke y La b o r a t o r y o f Co n c r e t e a n d P r e s t r e s s e d C o n c r e
4、 t e S t r u c t u r e s o f M i n i s t r y o f Ed u c a t i o n, S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ,Na n j i n g 2 1 0 0 9 6,Ch i n a ;2 J i a n g s u Pr o v i n c i a l Ya n g t z e Ri v e r Hi g h - wa y Br i d g e Co n s t r u c t i o n Co mma n d i n g De p a r t me n t ,Na n j i n g 2 1 0
5、0 0 4,Ch i n a ; 3 CCCC Hi g h wa y C o n s u l t a n t s C o ,Lt d ,B e ij i n g 1 0 0 0 8 8,Ch i n a ) Ab s t r a c t :I n t he l i g ht o f t he s us t a i ne d d e f e c t i o n d e t e r i o r a t i o n c o mm o nl y e x i s t i ng i n t h e l o ng s p a n p r e s t r e s s e d c o n c r e t e
6、( PC)g i r d e r b r i d g e s c o n s t r u c t e d b y t h e s e g me n t a l c a n t i l e v e r c a s t i n g m e t h odt h e c o nc e p t of t he“ r a t i on a l c o mpl e t i o n s t a t us ”ba s e d on t he l o a d e f f e c t ba l a n c i ng p r i nc i p i e a n d t he c o r r e s p on d i n
7、g de s i g n me t ho d f or a r r a nge me nt o f pr e s t r e s s i ng a r e p r o p os e d By wa y o f t h e r a t i o n a l a r r a n g e me n t o f t h e l o n g i t u d i n a l p r e s t r e s s i n g,t h e d i f f e r e n t a c t i o n s o f v a r i o u s e f f e c t wi l l b e b a l a n c e d
8、 t o a n a p p r o p r i a t e d e g r e e a n d t h e b r i d g e s wi l l b e k e p t i n t h e r a t i o n a l c o mp l e t i o n s t a t u s( b e n d i n g s t a t u s ,s t r e s s s t a t u s a n d f l e x u r e s t a t u s )S O t h a t t h e mi d d l e a n d l o n g t e r m d e f l e c t i on
9、o f t h e b r i d ge s c a n b e i nhi bi t e dI n a d di t i o n,t he de s i g n s t r a t e g y o f c o n t r ol l i n g t he ma xi mu m c o m p r e s s i v e s t r e s s l e ve l a nd t he mi x e d a r r a n ge m e nt o f t he i n t e r n a l a nd e x t e r n a l pr e s t r e s s i ng i s a l 一 8
10、 0 p u t f o r wa r d W i t h r e f e r e n c e t o t h e d i s c u s s i o n s o n t h e me c h a n i s m o f t h e s u s t a i n e d d e f l e c t i o n, t h e“ r a t i o n a l c o mp l e t i o n s t a t u s ”c o n c e p t a s p r o v i d e d h e r e wi t h i s j u s t i f i e d a s a p r a c t i
11、c a l d e s i g n me t ho d t ha t c a n e f f e c t i v e l y i nh i bi t t h e s u s t a i ne d de f e c t i on o f t he b r i dg e s Ke y wo r d s :c o n c r e t e g i r d e r b r i d g e ;r a t i o n a l c o mp l e t i o n s t a t u s ; p r e s t r e s s i n g; d e f l e c t i o n ; b r i dg e d
12、e s i gn 收稿 日期:2 O 0 9 1 O 一2 9 基金项目:江苏省交 通科学研究计划项 目( 0 8 Y2 9 ) 作者简 介: 刘钊 ( 1 9 6 4 一) , 男 , 教授 , 博士生导师, 1 9 8 4年毕业于西南交通大学桥梁专业 , 工学学士 , 1 9 8 7年毕业 于西南交通 大学桥梁专业 工学硕士 , 2 0 0 1年毕业 于东 南大学结构工程专业 , 工学博士( mr 1 i u z h a o s e u e d u c n ) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 大跨度 混凝 土梁桥 的合理 成桥 状态设计方法 刘钊 , 戴
13、玮 , 贺志启 , 吉林 , 李准华 , 赵 君黎 4 1 1 引 言 调 查表 明 , 采 用 节段 悬 浇 施 工 的混 凝 土梁 桥 的 长期 下挠 问题 比较 普 遍 , 已成 为 困扰 混 凝 土梁 桥 向 大跨度发展的一个棘手问题 。毋庸置疑 , 这些下挠 量过大的桥梁在当初的变形检算中也都能满足规范 要求 。当审视我们 目前的桥梁设计过程时 , 不难发 现, 在拟定构造尺寸和预应力配筋之后 , 一般设计者 仅满足于根据规范来进行验算 , 而不 去关注桥梁内 力状态 的合理性 。实际上, 满足规范 的预应力配筋 方案可以有很多种 , 若从抑制桥梁长期变形的角度 来看 , 不是每一种
14、配筋设计方案都是合理 的。 林 同梭教授在 2 0世纪 5 O年代提出的预应力荷 载平衡设计方法 , 其基本点是 : 预应 力等效 荷 载0 恒载 + k活 载 ( 1 ) 式中 , k为被平衡活载的比例系数 , 取 0 1 。 基 于荷 载平衡 的 预应力 设 计 方法 认 为l_ 】 : 应 该用预应力等效荷载的竖向分量去平衡恒载与部分 活载; 被平衡 的活载 比例 k , 应根 据实际情 况选 取 , 而不应根据规范设计荷载组合选取 。 通过荷载 平衡将结构的初始 弹性挠度限制在较小范 围内, 以 抑制收缩徐变的时效变形 , 同时也可避免复杂的徐 变效应计算 问题 。 预应力竖 向分量在
15、平衡外荷 载之后的残差 , 会使 刚度偏弱的结 构产生显著的上 拱或下挠 。 若等效荷载 的竖 向分量能够精确平 衡持久荷载, 混凝土 的弹性模量与徐变则不影响结 构的挠度。 林 氏荷载平衡法可直接应用于布置通长预应力 束的梁桥。但是 , 对于大跨度节段悬臂施工的混凝 土梁桥 , 有 新 的结 构 特点 : ( 1 )节段悬臂施工桥梁的顶板悬臂束与底板合 龙束为分段布置 , 不能提供竖 向分量去直接平衡外 荷载。在很大程度上 , 是靠 预应力 的偏心弯曲效应 来平衡恒载及其他外荷载产生的弯曲效应 , 见图 1 。 ( 2 )对 于节 段 悬 臂 施 工 所 形 成 的 桥 梁 , 不 能 用
16、初始成桥线形或预应力引起的弹性挠度的大小来控 制长期时效挠度 , 应 该通过控制成桥时的初始挠 曲 状态来控制后期的徐变挠度 。 ( 3 )在大跨度混凝土梁桥 中, 预应力所需抵消 的外荷载效应 , 不能仅包括恒载与一定 比例的活载, 还应 该全 面考虑 恒 载 、 活 载 及 其 他 可变 荷 载 的 变 异 性及其影响。 ( 4 )对于大跨 度混凝土梁桥 , 因采用节段平衡 悬臂 、 跨中合龙的方式施工 , 沿桥跨纵向的恒载 、 活 载比例大不相同。为此, 应该针对不同的部位 , 采用 q P qD +q L ( a )通长束 悬臂束 ( b )悬臂束 图 1 通长束 与悬臂 束的等效 荷
17、载 示意 不同的荷载效应平衡 系数。 ( 5 )桥梁的实际预应力损失往往超过规范公式 计算值 , 且影响因素多、 离散性大 , 所 以, 不能指望用 有效预应力来“ 精确” 平衡持久荷载的弯曲效应 。 2 预 应力 混凝 土梁 桥 的合理成 桥状 态 根据徐变的性质 , 受弯构件 的徐变变形总是加 剧初始挠曲的发展 。于是 , 可以通过控制成桥 弯曲 状态来实现预定的初始曲率状态 , 进而抑制长期徐 变 下挠 。这 种 以控 制 长期 时效变 形为 目标 的成桥 状 态 , 称为合理成桥状态 , 其定义为: 在桥梁竣工时 , 预 应力在抵消恒载产生 的弯 曲效应之后 , 使得梁体处 于恰当的轴
18、压和弯曲状态 , 使之能够平衡定 比例 的活载、 温度作用等产生的弯曲效应, 以抑制桥梁的 长期时效变形 。在合理成桥状 态下 , 连续 梁 ( 或刚 构) 的弯曲状态、 应力状态和挠曲状态有以下特征 。 ( 1 )对于弯 曲状态 : 要求梁体根部 区域储备一 定量的正弯矩 , 用以抵抗活载 ( 包括超载) 、 温度等在 根部截面产生的负弯矩 ; 跨 中部位储备一定量的负 弯矩 , 用以抵抗在长期运营中因活载、 温度等可变荷 载效应造成的不利影响。现以图 2所示三跨连续梁 桥为例, 在合理成桥状态下预应力平衡恒载效应后 的弯矩分布, 应该与活载及其他 可变荷载的弯曲效 应相反 , 即: 梁体根
19、部区域 承受正弯矩, 跨中区域承 受负弯矩。 I l r 图 2合理成 桥状态下的弯矩分布 ( 2 )对于应力状态 : 要求 梁体全截面保持一定 的压应力 , 且梁体根部截 面上缘压应力要大于下缘 压应力 , 跨中截面下缘压应力大于上缘压应力 , 这种 应力状态可以避免在长期运营及最不利荷载下出现 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 桥梁建设 2 0 1 0年第 1期 拉应力 ( 图 3 ) 。 恒载+ 预应力 恒载+ 预应力 = DD+ op 时效作用 长期应力状态 一 ( a ) I I 截面 时效作用 长期应力状态 丝 塑 活 载 、 环 境 作 用
20、l l ( b ) I I I I 截 面 图 3 合理成桥状态下的应力分布 ( 3 )对于挠曲状态 : 要求跨 中区段的初始曲率 向上凸起 , 使徐变作用下的跨 中变形趋势 向上, 这种 状态在一定程度上可以抑制因活载 、 温度及预应力 损失过 大 引起 的持 续下挠 。 根据合理成桥状态原理 , 有效预应力引起 的弯 矩与其他荷载下的弯矩平衡关系如下: MP 忌 D MD+ 走 L M L + 尼 T M T+ + 忌 u N M u N( 2 ) 式 中, MP 为有效预应力引起的弯矩 ; MD为恒载弯 矩 ; Ml , 为活 载弯矩 ; M 为温度 作用 引起 的弯矩 ; M 为其他需
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- 关 键 词:
- 跨度 混凝土 合理 状态 设计 方法
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