基于预应力混凝土连续梁桥的设计

２０１３年第９期　（总第２３５期）　黑龙江交通科技　ＨＥＩＬＯＮＧＪＩＡＮＧ　ＪＩＡＯＴＯＮＧ　ＫＥＯ　Ｎｏ．９，２０１３　（Ｓｕｍ　Ｎｏ．２３５）　基于预应力混凝土连续梁桥的设计　李国栋　（江西省吉安市公路局吉水分局）　摘要：首先分析了预应力混凝土连续梁桥力学特点及其适用范围，接着进行了设计的立面布置、结构自重　作用下的内力计算、结构活载内力计算、超静定结构的次内力分析等方面，最后给出了预应力混凝土连续梁　桥的一个成功实例。　关键词：预应力；混凝土；连续梁桥；内力计算；超静定结构　中图分类号：Ｕ４４２　文献标识码：Ｃ　文章编号：１００８—３３８３（２０１３）０９—０１０６—０２　１预应力混凝土连续梁桥力学特点及适用范围　连续桥梁，它的整个受力体系包括自身结构重力及桥上　活动负载等，同时还有不可忽略的次内力（其产生的原因将　负这两种不同区段时，在正区段求出的为内力最大值，在负　区段求出内力最小值。当只有正号影响线时，则最小内力为　零，反之则最大内力为零。将荷载乘以横向分布系数后，即　可应用主梁内力影响线计算截面活载内力。对于车道荷载　应将其均布和集中荷载引起的内力进行叠加求出总效应。　均布荷载：　Ｓ　＝（１　）。　’ｍ　ｑ　’ｎ　集中荷载：　Ｓ　＝（１十　）’孝’ｍ　’Ｐ＾’Ｙ　车道荷载总效应：　Ｓ＝Ｓ　＋Ｓｐ　（１　）・　。ｍ　・（吼・ｎ＋　‘儿）　在下文中详细介绍）。连续桥梁在各种各样的力的作用下，　很容易毁坏造成一定不良后果。主要是基于预应力混凝土　结构进行连续梁桥设计的，值得说明的是预应力结构较传统　的结构其能够更有效的提高材料的强度，提高其韧性，同时　使整个结构趋于轻型化。与传统的钢筋混凝土连续梁桥相　比应用该结构的连续桥梁具有显著的特点：其强度大，跨越　能力大，变形缓和等特点。因此当代许多桥梁的建设均采用　这种结构。　２立面布置　事实上，预应力混凝土连续梁桥的立面布置包括许多工　式中：　为主梁在车道荷载的均布荷载作用下的内力；ｓ　为　主梁在车道荷载的集中荷载作用下的内力；　为汽车荷载的　冲击系数，按规定取值；　为多车道横向折减系数；ｍ　为荷载　横向分布系数；ｑ　为车道荷载的均布荷载；　为车道荷载的　集中荷载；仃为相应的主梁内力影响线的面积；　为对应于　车道集中荷载的影响线最大竖标值。　旦桥梁设计跨度超过１５０　ｍ，整个结构应按最大的计　一作有很多问题要处理，但其一般可以设计成等跨等截面、不　等跨变截面的这两种结构形式。　３设计计算　３．１　结构自重作用下的内力计算　结构自重内力与施工方法有很大关系。无结构体系转　换时的结构自重内力计算　结构自重作用于桥上时，只有当该结构的自身重力即结　构自重作用于桥上后，才能算作是一个完成的桥梁体系。计　算因结构自重而产生的内力有许多方法一般有力法、位移　法、弯矩分配法、平面杆系有限单元法等。其中弯矩分配法　主要是利用已有的人工制作的图表进行计算所以利用该方　法所得到的结果较精确，不过目前较常用的一种方法是平面　杆系有限单元法。结构内力也可采用影响线加载法计算，其　计算公式如下　算跨径考虑汽车荷载效应的纵向折减。人群荷载内力计算　方法同车道均布荷载，但不计冲击力影响。　３．３超静定结构的次内力分析　（１）预加力作用下的次内力计算　在超静定结构上施加预应力时，梁身挠曲变形受到赘余的　支座约束，支座上可能产生次反力，次反力又会使结构中产生次　内力。以两跨等截面连续梁为例，预应力筋按直线布置，如假想　梁在中间赘余支点上无约束的话，则预应力促使梁的变形会使　梁的中点翘离支点（图ａ），此时梁内的弯矩（图ｃ）为预加力乘　Ｓｃ。：Ｊ－ｇ（　）ｙ（　）ａｘ　式中：Ｓ　为主梁结构自重内力（弯矩或剪力）；ｇ（　）为主梁自　重集度；ｙ（　）为相应的主梁内力影响线坐标；２为梁全长。　３．２结构活栽内力计算　主梁活载内力是由可变作用中车道荷载、人群荷载等产　生的。由主梁活载内力产生的原因，可以清楚看出在计算活　载内力之前，整个桥梁最终体系已经完成了。因此可知其力　学计算图式已经清楚的呈现出来了。　连续梁桥为超静定结构，活载内力计算以影响线为基　础。计算影响线可按结构力学方法，亦可直接采用有限元法　计算绘制影响线。在内力影响线上按最不利荷载位置布置　活载，就可求得截面的控制内力。由于内力影响线分为正、　收稿日期：２０１３一Ｏ５一Ｏ３　以预应力中间支点位置上的，这样在中间支点上必然作用有一　个方向与梁变形相反的次反力筋偏心距（称之为初弯矩），但实　际上梁总是固定在Ｒ（图ｂ），这个次反力Ｒ就使梁内产生了次　弯矩（ｄ）。次内力的计算可采用结构力学中的力法求得。从上　图ｅ图中可以看出，总弯矩是由初弯矩与次弯矩共同作用的结　果，是两者代数和。图１ｆ为相应的总剪力图。在预加力作用　下，其次内力较大不可忽略不计。　（２）混凝土徐变次内力计算　当有重物作用在混凝土材质的构件上时，该材质会发生　弹性应变８　，作用的时问越长，对其影响就越严重，其应变　也就逐渐增加，而这种应变叫做称为徐变，用Ｆ　（ｔ）表示。混　凝土徐变在加载后的初期增长较快，经３年后趋于稳定。通　常徐变特征是用徐变系数　（ｔ）来描述，其表达式为　作者简介：李国栋（１９７１一），男，江西吉安人，工程师，研究方向：路桥工程及养护。　・１Ｏ６・　第９期　李国栋：基于预应力混凝土连续梁桥的设计　总第２３５期　暑三三三三三三蚤蚤　豸　［二＝三二二＝二］ｃ）　—　ｃ＝＝　＿－．＝＝＝忑：＝＝　＿　ｅ）　变引起的次弯矩。　４预应力混凝土连续梁桥的实例　预应力混凝土连续梁桥在我国有多这样的实例。下面　介绍其中的沙洋汉江桥。沙洋汉江桥是一座公路桥横跨汉　江连接汉口和宜昌。图４为沙洋桥的总体布置。其全长　１　８１８．５　ｍ，故其整个桥面宽１２．５　ｍ。为了确保桥梁牢固安　全同时也为了保障人民的生命财产同时由于桥位处地质情　况复杂且根据以往汉江水情变化的情况。综合多种因素考　虑主墩采用钢筋混凝土空心墩，墩高１３．６～１４．８　ｍ，每个主　—　，，　墩上设置两个承载力为１９　６００　ｋＮ的盆式橡胶支座。主桥　图１　预加力作用下的初弯矩、次弯矩及总弯矩　妒（ｔ）＝８　（ｔ）／ｅ　徐变系数的大小与加载时混凝土龄期成反比关系。　在施工的过程中预应力混凝土连续桥梁发生结构体系　转换，其混凝土结构将发生徐变。而徐变发生时，将会不断　产生内力。在图１３中清楚的展示了徐变对连续梁恒载内力　的产生影响的整个过程，从图中可知该桥梁的先期结构是两　跨简支梁，其后期结构是两跨连续梁，体系转换时间为ｒ。。　这种情况即符合预应力混凝土连续梁在现场施工时发生结　构体系转换，在这种情况下分析一下作用在先期结构上的恒　载ｔ（　）时连续梁的内力分布。　取连续梁的基本体系为两孔简支梁，在中间支点加上赘　余力　肘　为混凝土徐变引起的弯矩。在基本结构中间支　点上，由先期结构的恒载引起的沿赘余力方向的转角为６。　，　由　。引起的沿赘余力方向的转角为６。。　为＝１时基　本结构沿赘余力方向产生的转角。考虑到在任何时刻结构　必须满足变形协调条件，按结构力学方法可列出相应的方　程，并求得徐变引起的弯矩　Ｍｌ，＝Ｘ１｛１一Ｅ－￣（ｔ，ｒ０　一一　‘　’叼’｝　其中：Ｘ１：　与引桥的过渡墩基础选用４根直径１．２５　ｍ钢筋混凝土钻孔　桩。钢筋混凝土实体墩、引桥均采用直筋１．４　ｍ钢筋混凝土　双圆柱墩，直径１．５　ｍ及１．２５　ｍ钻孔灌注桩，桩长约３０　ｍ。　河道按四级航道标准设计。通航净宽５５　ｍ，净高８　ｍ，主航　道在主桥的两个边部。　沙洋汉江桥主桥为６２．４＋６×１１１＋６２．４　ｍ的预应力混　凝土连续梁桥，边跨与中跨之比为０．５６：１。横截面为单箱　单室。连续梁的墩顶高为６　ｍ。跨中梁高３　ｎｌ，底缘按二次　抛物线变化。其横截面的尺寸均符合相关规定，并且将其腹　板与底板进行加厚。主桥的横隔梁设置３—５道，主桥中跨　设置在支点、四分点、跨中截面；边跨仅设置在支点、跨中和　端部截面。在主桥与引桥相接的过度墩上设置铸钢制梳齿　板伸缩缝。　主桥采用挂篮悬臂浇筑法施工。墩顶的箱梁及横隔板　是在墩旁托架上立模现场浇筑，待桥墩与墩顶的箱梁临时固　结后进行悬臂浇筑施工。段长３．４～３．７　ｍ，最大浇筑重量　１　０００　ｋＮ。在梁段悬浇施工中，内模采用了滑升工艺，提高了　施工效率。悬浇施工的顺序是首先从两边墩向中间墩逐墩　施工，逐跨合拢，最后在第五跨的中跨合拢形成８跨一联的　连续梁。　式中：　（　，　），　（７－，７－。）为加载龄期为　的混凝土，分别在　ｔ和ｒ（ｔ・ｒ）时的徐变系数。　由上述分析可知，连续梁在现场施工时发生结构体系转　换，由于混凝土徐变作用，将会造成恒载内力重分配的现象，　其关系可以用下式表示　＝肘１　＋ＭＭ１‘＝Ｍｌ　＋ＭＸｌ｛１一ｅ　¨　＿＿　｝　令　Ｍ２‘＝Ｍ１　＋ＭＸ１　上式可写成　Ｍｖ＝　ｌｇ＋（　Ｆ一　）｛１一ｅ　¨　０Ｊ一烈　ｆ０　｝　式中：　为梁内任意截面的最后恒载弯矩；Ｍ，　为先期结构　主桥纵向预应力筋采用的是２４　高强钢丝束、钢制锥　形锚具，分有悬臂施工筋和后期筋，力筋的管道形成采用橡　胶抽拔管（直束）和０．５　ｍｍ铁皮管（弯管）成孔。竖向预应　力筋布置在腹板内，采用２５ＭｎＳｉ　５高强粗钢筋轧丝锚头，　钢筋的管道采用铁皮管形成，力筋张拉采用双作用千斤顶。　参考文献：　中的原有弯矩；Ｍ２　为后期结构体系计算的弯矩；ＭＭ　为徐　【上接第１０５页）　３采空区治理材料分类和工艺　３．１粉煤灰、矸石充填工艺　［１］徐秀丽，段好安，郎冬梅，等．预应力混凝土大跨连续梁桥隔震　设计［Ｊ］．公路交通科技，２００９，（８）：４６—５０，５６．　［２］　戴万江，何雄君，毛昌庆．ＦＲＰ筋混凝土粘结滑移有限元分析　［Ｊ］．交通科技，２０１０，（２）：７８—８１．　［３］　张运涛，盂少平，惠卓，等．苏通大桥连续刚构桥主梁混凝土徐　变试验研究［Ｊ］．公路交通科技，２０１０，（０４）：１０１—１０４，１３２．　结底、不凝固。　总之，高水充填开采系统与其他充填方法相比，操作简　单，自动化程度高。与水沙、矸石、膏体三种充填料相比较，　高水材料呈液体状态，具有良好的流动性。管道自流容易输　送，不受采空区几何形状的限制。目前，该充填工艺与材料　广泛应用于采空区充填和道路抢修。　粉煤灰、矸石充填工艺是在地面制备成为含水量约　１５％左右的半干式充填料，其配比成份为地面的矸石、粉煤　灰、水泥、水组成。在地面制备成合格的半干式充填料，直接　　投入充填井内采用重力落井底的皮带输送机，由输送机送人　参考文献：［１］仇益梅．隧道工程喷射混凝土质量控制与检测［Ｊ］．混凝土，　工作面，由开采支架进行捣实。　３．２　高水材料充填工艺　高水材料充填工艺简单、凝结速度快、性能稳定，用于公　路隧道穿越急倾斜采空区的治理具有科学性和合理性。高　水材料配比含水率高达９０％，重量水固比２．５７：１；速凝性　强，甲、乙浆液混合后，２４　ｈ强度可达４．０　ＭＰａ以上；高水材　料充填工艺具有良好的可泵性能，输送能保持２４　ｈ之后不　２０１１，（７）：１４３—１４５．　［２］　贾明哲．我国各种隧道的特点及相关施工方法研究［Ｊ］．交通　标准化，２０１１，（１８）：１６２—１６６．　［３］蒋正华，易震宇，傅立新．隧道拱顶塌方的一种安全处治方法　［Ｊ］．湖南交通科技，２０１１，（２）：１４７—１４９．　［４］何德华，幸江涛，文建平．隧道工程坍塌段施工方案［Ｊ］．技术　与市场，２０１１，（８），１２６—１２７．　・１０７－