预应力混凝土连续箱梁桥计算.pdf
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西南交通大学硕士学位论文预应力混凝土连续箱梁桥计算姓名:
王斌申请学位级别:
硕士专业:
建筑与土木工程指导教师:
蒲黔辉;刘国学20070801西南交通大学硕士研究生学位论文第f页摘要随着交通量的快速增长,车速提高,人们出行希望有快速、舒适的交通条件,预应力混凝土连续箱梁桥能适应这一需要。
它具有桥面接缝少、梁高小、刚度大、整体性强,夕卜形美观,便于养护,跨度能力大,能充分发挥材料强度等优点,是公路、铁路上广泛推广的一种桥梁体系。
70年代我国公路上开始修建连续箱梁桥,到目前为止我国已建成了多座连续箱梁桥。
连续箱梁桥的施工方法多种多样,只能因时因地,根据安全经济、保证质量、降低造价、缩短工期等方面因素综合考虑选择。
一般常用的方法有:
立支架就地现浇、预制拼装(可以整孔、分段串联)、悬臂浇筑、顶推、用滑模逐跨现浇施工等。
由于连续箱梁在构造、施工和使用上的优点,近年来建成预应力混凝土连续箱梁桥较多。
其发展趋势为:
减轻结构自重,采用高标号混凝土4060号;随着建筑材料和预应力技术发展,其跨径逐渐增大。
中等跨径的预应力连续箱梁,如跨径4080m,一般用于特大型桥梁引桥、高速公路和城市道路的跨线桥以及通航净空要求不太高的跨河桥。
本文以修建于2004年,主跨76米的预应力混凝土变截面连续箱梁桥(绵阳市富林大桥)的设计计算过程为研究对象,结合以前有的经验和数据,根据本桥的实际情况,确定出合理的结构尺寸,在计算过程中充分利用电算程序的帮助,对全桥节段进行了划分,对恒载、活载产生的内力进行了计算,做了配筋计算,对主桥桥墩进行了计算。
关键词:
预应力混凝土;连续箱梁桥;计算西南交通大学硕士研究生学位论文第l页AbstractWiththerapidincreasingofthetrafficcapacityandtheadvanceofthevelocity,itisrequiredthatthereisfasterandmorecomfortabletrafficconditionforpeoplegoingout,whichCanbemetbytheprestressedconcreteseriesboxgirderbridgewithsuchvirtuesasfewsurfacejoints,smallerheightofthegirder,betterunitary,morebeautifulfigure,easiertomaintenanceandlargerspanscapabilityandSOon,whichisabridgesystempopularinreadandrailwayItisstartedtobuildtheseriesboxgirderbridgeat1970Sinourcountry,anduptonOW,therearemanyseriesboxgirderbridgesbuiltTherearemanykindsofthemethodsconstructingtheseriesboxgirderbridges,whichcanbeselectedbasedontheintegratedconsiderationofthesafety,thequality,thecostandthetimelimitandSOOil,themethodsusuallytakeninclude:
usebracketperfusionatfieldwork,prefabricateputtogether(canwholehole,subsectioninseries)cantileverperfusionpushout,useslipformonebyonespantoconstructConsideringtheadvantagesinstructure,construction,andusage,therearemoretheprestressedconcreteseriesboxgirderbridgebuiltthanothersinrecentyears,anditSdevelopingtrendis:
lightentheweightofthestructure,applyhigllgradeC40一C60;withthedevelopmentofthearchitecturalmaterialandprestressingforcetechnology,thespanhasgraduallyaugmentSinceseriesboxgirderhasthevirtueinstructure,constructanduseinbridge,recentyearshadconstructmoretheprestressedconcreteseriesboxgirderbridgeWhichdevelopdirection:
lighterIstructureweight,applyhighgradeC40一C60;withthearchitecturalmaterialandprestressingforcetechnologydevelopingthespanhasgraduallyaugmentmoderatespansuchas40一80m,popularlyusingatsuperbridgeapproach,highwayandcityroadflyoverandriverbridge,whosenavigationheadroomisnotdemandedSOstrictlyInthisthesis,withthestudyingobjectofthedesignationandthecalculatingprocessoftheprestressedconcreteseriesboxgirderbridge(FulinbridgeinMianyangcity),integratingthefactofthebridgeandformerexperiences,thestructuresizeiscstablishedrationally,andwiththehelpofthecomputer,dividingwholebridgeintomanysects,playingacalculatetoconstantcarry,changecarrybringsinternalforce,makeacalculatetomatchsteelandpiersKeywords:
prestressedconcrete;seriesboxgirderbridge;calculate西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪论11预应力混凝土连续梁桥概述预应力混凝土连续梁桥以结构受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平顾舒适、造型简洁美观、养护工程量小、抗震能力强等而成为最富有竞争力的主要桥型之一。
由于普通钢筋混凝土结构存在不少缺点:
如过早地出现裂缝,使其不能有效地采用高强度材料,结构自重必然大,从而使其跨越能力差,并且使得材料利用率低。
为了解决这些问题,预应力混凝土结构应运而生,所谓预应力混凝土结构,就是在结构承担荷载之前,预先对混凝土施加压力。
这样就可以抵消外荷载作用下混凝土产生的拉应力。
自从预应力结构产生之后,很多普通钢筋混凝土结构被预应力结构所代替。
预应力混凝土桥梁是在二战前后发展起来的,当时西欧很多国家在战后缺钢的情况下,为节省钢材,各国开始竞相采用预应力结构代替部分的钢结构以尽快修复战争带来的创伤。
50年代,预应力混凝土桥梁跨径开始突破了100m,到80年代则达到440m。
虽然跨径太大时并不总是用预应力结构比其它结构好,但是,在实际工程中,跨径小于400m时,预应力混凝土桥梁常常为优胜方案。
我国的预应力混凝土结构起步晚,但近年来得到了飞速发展。
现在,我国已经有了简支梁、带铰或带挂梁的T构、连续梁、桁架拱、桁架梁和斜拉桥等预应力混凝土结构体系。
虽然预应力混凝土桥梁的发展还不到80年。
但是,在桥梁结构中,随着预应力理论的不断成熟和实践的不断发展,预应力混凝土桥梁结构的运用西南交通大学硕士研究生学位论文第2页必将越来越广泛。
连续梁和悬臂梁作比较:
在恒载作用下,连续梁在支点处有负弯矩,由于负弯矩的卸载作用,跨中正弯矩显著减小,其弯矩与同跨悬臂梁相差不大;但是,在活载作用下,因主梁连续产生支点负弯矩对跨中正弯矩仍有卸载作用,其弯矩分布优于悬臂梁。
虽然连续梁有很多优点,但是刚开始它并不是预应力结构体系中的佼佼者,因为限于当时施工主要采用满堂支架法,采用连续梁费工费时。
到后来,由于悬臂施工方法的应用,连续梁在预应力混凝土结构中有了飞速的发展。
60年代初期在中等跨预应力混凝土连续梁中,应用了逐跨架设法与顶推法;在较大跨连续梁中,则应用更完善的悬臂施工方法,这就使连续梁方案重新获得了竞争力,并逐步在40一200米范围内占主要地位。
无论是城市桥梁、高架道路、山谷高架栈桥,还是跨河大桥,预应力混凝土连续梁都发挥了其优势,成为优胜方案。
目前,连续梁结构体系已经成为预应力混凝土桥梁的主要桥型之一。
然而,当跨度很大时,连续梁所须的巨型支座无论是在设计制造方面,还是在养护方面都成为一个难题:
而T型刚构在这方面具有无支座的优点。
因此有人将两种结构结合起来,形成一种连续刚构体系。
这种综合了上述两种体系各自优点的体系是连续梁体系的一个重要发展,也是未来连续梁发展的主要方向。
另外,由于连续梁体系的发展,预应力混凝土连续梁在中等跨径范围内形成了很多不同类型,无论在桥跨布置、梁、墩截面形式,或是在体系上都不断改进。
在城市预应力混凝土连续梁中,为充分利用空间,改善交通的分道行驶,甚至已建成不少双层桥面形式。
在我国,预应力混凝土连续梁虽然也在不断地发展,然而,想要在本世纪末赶超国际先进水平,就必须解决好下面几个课题:
发展大吨位的锚固张拉体系,避免配束过多而增大箱梁构造尺寸,否则西南交通大学硕士研究生学位论文第3页混凝土保护层难以保证,密集的预应力管道与普通钢筋层层迭置又使混凝土质量难以提高。
在一切适宜的桥址,设计与修建墩梁固结的连续一刚构体系,尽可能不采用养护调换不易的大吨位支座。
充分发挥三向预应力的优点,采用长悬臂顶板的单箱截面,既可节约材料减轻结构自重,又可充分利用悬臂施工方法的特点加快施工进度。
另外,在设计预应力连续梁桥时,技术经济指针也是一个很关键的因素,它是设计方案合理性与经济性的标志。
目前,各国都以每平方米桥面的三材(混凝土、预应力钢筋、普通钢筋)用量与每平方米桥面造价来表示预应力混凝土桥梁的技术经济指针。
但是,桥梁的技术经济指针的研究与分析是一项非常复杂的工作,三材指针和造价指针与很多因素有关,例如:
桥址、水文地质、能源供给、材料供应、运输、通航、规划、建筑等地点条件;施工现代化、制品工业化、劳动力和材料价格、机械工业基础等全国基建条件。
同时,一座桥的设计方案完成后,造价指针不能仅仅反应了投资额的大小,而是还应该包括整个使用期限内的养护、维修等运营费用在内。
通过连续梁、T型刚构、连续一刚构等箱形截面上部结构的比较可见:
连续一刚构体系的技术经济指针较高。
因此,从这个角度来看,连续一刚构也是未来连续体系的发展方向。
总而言之,一座桥的设计计算包含许多考虑因素,在具体设计中。
要求设计人员综合各种因素,作分析、判断,得出可行的最佳方案。
12国内外混凝土连续梁桥的发展概况无论是城市桥梁、高架道路、山谷高架栈桥,还是跨越宽阔河流的大桥,预应力混凝土连续梁桥都发挥了它的优势,往往取代了其它体系而成为中选的优胜方案。
表1-1列出了部分主跨大于lOOm的国外预应力混凝土连续梁桥的建造情况。
西南交通大学硕士研究生学位论文第4页表1-1部分国外预应力混凝土连续梁桥11J15】【6】【81【10舻】J19-21脚序号桥名建成年份国家主跨(m)特征lNibelungen1953联邦德国1142二跨连续,现浇2Pyle1968法国llO四跨连续31110nburi1973泰国114多跨连续,现浇4Giuliama1974利比弧120二跨连续,现浇5Felsenau1975瑞七156二跨连续,现浇6Fiumareua1975意人利125六跨连续,现浇7LohrMain1976联邦德国llO多跨连续,现浇8Mangfall1979奥地利108三跨连续,项推9Kalibridge1983印度12l,9多跨连续,预制节段10Biaschma1984瑞士160多跨连续,现浇我国预应力混凝土连续梁桥在20世纪70年代首次应用于城市桥梁。
1973年修建的北京复兴门立交桥(8,25m+25m+825m)为支架拼装的预应力混凝土连续梁桥;1975年河北修建的痛惠河桥(267m+407m+267m)为单室预应力混凝土连续梁桥;1977年修建的河北洛河大桥(3027m+2x45m+3027m)为悬臂浇筑的三室箱梁;1979年9月建成的兰州黄河桥(47m+3x70m+47m)为悬臂浇筑的分离式双室箱梁,从而进一步推动了预应力混凝土连续梁桥的修建和发展。
1985年7月修建的湖北沙洋汉江公路桥,其主跨布置为63m+6x111m+63m,长792m,系八跨一联单箱单室预应力混凝土连续箱梁桥。
此后相继建成了湖南省常德沅江桥、黑龙江省哈尔滨松花江大桥、贵州省思南乌江桥、天津市东堤头桥、广西壮族自治区钦州茅岭江桥、湖南省衡阳湘江桥、浙江省桐庐富春江大桥、富阳富春江大桥、杭州钱塘江二桥、青田瓯江桥、台州灵江桥,还有云南六库怒江桥及湖北省宜城汉江大桥等都是特大公路连续梁桥。
目前我国最大跨度预应力混凝土连续梁桥是江苏省南京市长江第二大桥北汉桥,主孔跨径165m,支座吨位达65000kN。
西南交通大学硕士研究生学位论文第5页悬臂预应力混凝土连续梁桥在60150m范围内具有很强的生命力和很大的竞争力。
表1-2列出了部分国内预应力混凝土连续梁桥(主跨aOOm)的建造情况。
一般在150m以上的跨境较少采用预应力混凝土连续梁桥,主要是因为更大跨度预应力混凝土连续梁桥需要采用特大吨位的桥梁支座,而此类支座在技术、管理、养护及经济上均需要较昂贵的代价,而且其使用寿命较短,更换起来比较困难,因此多数情况下采用同体系得连续刚构桥。
表1-2部分国内预应力混凝土连续梁桥5I【611811lo】119-zl肼1序号桥名建成年份省份主跨(m)特征l常得人桥1983湖南120五跨连续,现浇2沙洋汉江桥1984湖北111多跨连续,现浇3华北桥1985大津lOO二跨连续,现浇4惠州人桥1989广东124五跨连续,现浇5丹东人洋河桥1995辽宁loo三跨连续,现浇6番禺海鸥人桥1995厂+东lIO三跨连续,现浇7谭州人桥1995广东125三跨连续,现浇8奉浦丈桥1995上海125五跨连续,顶推9德庆西江人桥1999厂东128四跨连续,现浇lO南京长江_二桥2001江苏165五跨迮续,现浇13预应力混凝土连续箱梁桥计算特点在预应力混凝土连续箱梁桥计算中重点是预应力混凝土连续箱梁的计算。
预应力混凝土连续箱梁计算过程包括两次组合。
第一次组合是为了估算钢束。
此时钢束还未确定,也就无法考虑预加力的作用。
根据估束结果确定钢束数量和几何形状后,考虑预加力和收缩徐变的影响重新计算的内力是当前配束下的受力。
如各项验算均通过,那么可作为最终结果。
如个别截面不满足,但两次组合结果相差不大,可适当调整钢束后重新计算;如两次组合结果相差较大,则应将第二次组合内力作为估柬依据重新估束,再重复验算,直到各项验算全部通过且两次组合结果相差不大为止。
总之,设计计算的过西南交通大学硕士研究生学位论文第6页程就是一个逐次迭代逐次逼近的过程。
预应力混凝土连续梁采用悬臂施工法需在施工中进行体系转换,经过一系列的施工阶段而逐步形成最终的连续梁体系。
在各个旌工阶段,可能具有不同的静力体系,其中包括安装单元、拆除单元、张拉预应力、移动挂篮等工况。
因此计算其恒载内力时必须精确模拟各个施工阶段,反映在结构约束、荷载列向量和总刚矩阵等随施工阶段而发生变化。
桥梁的恒载内力由各施工阶段引起的内力迭加而成,显然对不同的施工方法,桥梁的恒载内力是有很大区别的。
而活载和温度、沉降等内力在成桥后才发生,作用在最终连续梁体系上,故与施工方法无关。
为了保证施工安全和长期正常使用,进行桥梁设计时必须对每一个受力阶段计算各种荷载作用下的应力和变形,并进行组合。
悬臂施工涉及到非常多的施工工况,且由于体系发生转换而使预加力和徐变产生的次内力的计算变得复杂,故设计时一般必须借助电算才能完成。
14本文的主要内容本文以修建于2004年、主跨76米的预应力混凝土变截面连续箱梁桥(绵阳市富林大桥)的设计计算过程为研究对象,结合以前有的经验和数据,根据本桥的实际情况,确定出合理的结构尺寸,在计算过程中充分利用电算程序的帮助,对全桥节段进行了划分,对恒载、活载产生的内力进行了计算,做了配筋计算,对主桥桥墩进行了计算。
西南交通大学硕士研究生学位论文第7页第2章桥跨总体布置及结构尺寸拟定四川省绵阳市富临涪江大桥位于绵阳市南郊经济技术开发区三江风景区,是连接三江库区桃花岛至经济技术开发区的交通纽带。
该桥建成于2004年6月,主桥为预应力混凝土变截面连续箱梁桥,为绵阳市区跨越涪江的第四座桥梁。
图21已建成的富林涪江大桥21方案介绍及上部结构尺寸拟定21I桥跨布置和结构尺寸拟定原则一、桥跨布置原则连续梁桥有做成三跨或者四跨一联的,也有做成多跨一联的,但一般不超过六跨。
对于桥孔分跨,往往要受到如下因素的影响:
桥址地形、地质与水文条件,通航要求以及墩台、基础及支座构造,力学要求,美学要求等。
西南交通大学硕士研究生学位论文第8页若采用三跨不等的桥孑L布置,一般边跨长度可取为中跨的0508倍,这样可使中跨跨中不致产生异号弯矩,此外,边跨跨长与中跨跨长之比还与施工方法有着密切的联系,对于采用现场浇筑的桥梁,边跨长度取为中跨长度的O8倍是经济合理的。
但是若采用悬臂施工法,则不然。
二、截面形式确定原则从预应力混凝土连续梁的受力特点来分析,连续梁的立面应采取变高度布置为宜;在恒、活载作用下,支点截面将出现较大的负弯矩,从绝对值来看,支点截面的负弯矩往往大于跨中截面的正弯矩,因此,采用变高度梁能较好地符合梁的内力分布规律,另外,变高度梁使梁体外形和谐,节省材料并增大桥下净空。
但是,在采用项推法、移动模架法、整孔架设法施工的桥梁,由于施工的需要,一般采用等高度梁。
等高度梁的缺点是:
在支点上不能利用增加梁高而只能增加预应力束筋用量来抵抗较大的负弯矩,材料用量多,但是其优点是结构构造简单、线形简洁美观、预制定型、施工方便。
一般用于如下情况:
1桥梁为中等跨径,以40一60米为主。
采用等截面布置使桥梁构造简单,施工迅速。
由于跨径不大,梁的各截面内力差异不大,可采用构造措施予以调节。
2等截面布置以等跨布置为宜,由于各种原因需要对个别跨径改变跨长时,也以等截面为宜。
3采用有支架施工,逐跨架设施工、移动模架法和顶推法施工的连续粱桥较多采用等截面布置。
双层桥梁在无需做大跨径的情况下,选用等截面布置可使结构构造简化。
梁式桥横截面的设计主要是确定横截面布置形式,包
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