预应力混凝土连续箱梁配筋设计相关问题讲座

预应力混凝土连续箱梁配筋设计相关问题讲座中铁第一勘察设计院集团有限公司2012.5编写：李林目录引言一总体设计二结构计算三预应力体系设计四预应力配筋设计相关问题五预应力箱梁主要病害现象及原因分析引言连续梁桥是工程上广泛使用的一种桥型,它不但具有可靠的强度,刚度及抗裂性,而且具有行车舒适平稳,养护工作量小,设计及施工经验成熟的特点。设计一座梁桥必须从桥跨布设,尺寸拟定,钢束布置以及施工方法等方面综合考虑,还要充分考虑设计参数和环境影响。混凝土连续梁桥的特点连续梁桥均布荷载q均布荷载q三跨连续梁桥三孔简支梁桥＋＋＋VS由于支点负弯矩的卸载作用，跨中正弯矩大大减小，恒载、活载均有卸载作用。由于弯矩图面积的减小，跨越能力增大。超静定结构，对基础变形及温差荷载较敏感。行车条件好。连续梁桥的体系特点混凝土连续梁桥的特点连续梁桥的适用特点连续梁桥简支梁桥连续刚构桥钢筋砼梁PC梁钢筋砼梁PC梁钢筋砼梁PC梁150m300m50m约20~30m等截面连续梁适用于中小跨度桥梁；变截面连续梁跨越能力显著增加。预应力的使用提高了连续梁桥的跨越能力。由于支座使用和更换条件的限制，混凝土连续梁的跨度不宜过大。控制值等截面连续梁变截面连续梁混凝土连续梁桥的总体布置•平面布置方式：–正交–斜交–单向曲线–反向曲线连续梁桥平面布置示例联－连续梁由若干梁跨（通常为38跨）组成一联，每联两端设置伸缩缝，整个桥梁可由一联或多联组成。平面布置连续梁桥的施工特点施工方法灵活，悬臂施工方法提高了连续梁的跨越能力；施工中通常存在体系转换的情况，不同的施工方法会产生不同的恒载内力结果，计算分析中需要考虑结构的形成过程。混凝土连续梁桥的特点满堂支架施工悬臂施工悬臂浇筑悬臂拼装预制简支－变连续施工移动支架施工顶推施工一、总体设计1.1结构形式预应力混凝土连续箱梁一般包括等高度连续梁、变高度连续梁、连续刚构，连续V构等四种，一般适用于25m以上跨径连续梁。1.等高度连续梁:具有跨越能力小、构造简单，施工方便，适用于小跨径连续梁桥，一般采用现浇施工。2.变高度连续梁：受力合理、悬臂施工；适用于中大跨径连续梁桥,桥墩较矮时宜采用。3.连续刚构：墩梁固接、省去了大吨位支座；适用于桥墩较柔的中大跨径连续梁，桥墩较矮时不宜采用。4.连续V形刚构：构造复杂，造型美观；适用于对造型要求较高的中等跨径连续梁。1.2总体布置结构总体设计主要包括桥梁跨径分配、主梁截面形式的拟定以及梁高等方面的内容。1.2.1跨径布置目前，设计工程师认为预应力混凝土连续梁桥的最大理论跨度为250～300m，经济跨度为100～240m。◆布置原则：减小弯矩、增加刚度、方便施工、美观要求◆不等跨布置——适用于中大跨度，边中跨比连续梁一般为0.6～0.8倍,连续刚构一般为0.52～0.68倍.推荐采用的边中跨比为0.55～0.60之间（小的边跨比适用情况：边墩较高或河道内难以采用落地支架时，可采用0.53,保证边墩支座压力）◆等跨布置——适用于中小跨度混凝土连续梁桥的总体布置立面布置分跨的选择等跨布置不等跨布置布置原则：减小弯矩、增加刚度、方便施工、美观要求。适用于中小跨度连续梁。边跨与中跨之比L1/L一般为0.5～0.8（过大，过小的不利情况)VS连续刚构桥总体布置要点1.2.2主梁截面形式连续梁及连续刚构多采用箱梁截面，适合于节段施工，具有很好的抗弯和抗扭性能，根据桥面宽度可采用单箱单室、单箱多室。◆一般单双线铁路桥面宽度为7~12m，均采用单箱单室截面.◆公路桥先由交通要求确定桥宽，再根据桥面宽度及跨度合理选择。◆城市桥梁由于桥面要求较宽可采用单箱多室结构。横断面的选择依据桥梁的结构体系、跨度、宽度、梁高、施工方法等确定。大跨度连续梁通常采用箱形断面。•实体截面：用于小跨度的桥梁（现浇）•空心板截面：常用于1530m的连续梁桥（现浇）•肋式截面：常用跨度在1530m范围内，常采用预制架设施工，并在梁段安装完成之后，经体系转换形成连续梁。鱼腹式•特点：构造简单，施工方便，适用于中、小跨度的连续梁桥。箱形断面•具有良好的抗弯和抗扭性能，是预应力混凝土连续梁桥的主要截面型式•单箱，单室，单箱双室截面，双箱单室、双箱双室、多箱单室等•顶板和底板－结构承受正负弯矩的主要部位•腹板－主要承受结构的弯矩剪应力以及扭转剪应力引起的主拉应力•梗腋（或称承托）－设置在腹板与顶、底板接头处•锯齿块－方便预应力张拉锚固桥型公路桥铁路桥支点梁高(m)跨中梁高(m)支点梁高(m)跨中梁高(m)等高连续梁(1/15～1/25)l(1/16～1/18)l变高连续梁(1/16～1/25)l1/(16~18)l推荐(1/30～1/50)l(1/12～1/16)l1/(12~14)l推荐(1/30～1/50)l1.2.3箱梁梁高梁高——与跨径、刚度要求、施工方法有关◆等高度梁——实用于中、小跨径连续梁，一般跨径在30～60米，现浇施工时多采用。◆变高度梁——实用于大跨径连续梁，60米以上一般均采用变高度连续梁，多采用挂篮悬臂现浇法节段施工时。对于变高梁，一般对于公路桥，支点梁高是跨中梁高的2～3倍；对于铁路桥，支点梁高是跨中梁高的1.5～2倍。梁高与跨度比例经验值梁高的选择等高度连续梁变高度连续梁等截面连续梁变高度连续梁变截面连续梁梁高不变。具有构造、制造和施工简便的特点。适用于中等跨度（4060m左右）的、较长的桥梁。可按等跨或不等跨布置。长桥多采用等跨布置，以简化构造，统一模式，便于施工。更能适应结构的内力分布规律。受力状态与其施工时的内力状态基本吻合。梁高变化规律可以是斜（直）线、圆弧线或二次抛物线。箱型截面的底板、腹板和顶板可作成变厚度，以适应梁内各截面的不同受力要求。VS高跨比h/L(公路：跨中1/30～1/50；中支点1/16～1/25)。连续梁桥均布荷载q均布荷载q高跨比h/L(公路：1/15～1/30）公路连续梁常用跨度参数我国已建成的大跨径预应力混凝土连续梁桥梁高H（m）、H/L序号桥名主桥跨径桥址建成年份截面型式H支H支/LH中H中/L1南京长江二桥北汊桥90+3165+90江苏2000双幅单箱单室8.81/18.731/552六库怒江大桥85+154+85云南1995单箱单室8.531/18.12.831/54.43宜昌乐天溪桥85.8+2125+85.8四川1990单箱单室7.71/16.23.21/39.14黄浦江奉浦大桥85+3125+85上海1995单箱单室71/17.92.81/44.65潭洲大桥75+125+75广东1996双幅单箱单室71/17.92.751/45.56常德沅水大桥84+3120+84湖南1986单箱单室6.81/17.631/407风陵渡黄河大桥87+7114+87山西19948沙洋汉江大桥63+6111+63湖北1985单箱单室6.01/18.52.51/44.49江门外海桥55+7110+55广东19885.81/19.02.51/4410珠江三桥80+110+80广东1983五箱单室5.51/202.71/40.7铁路常用等高等跨连续梁参数（多用于高速铁路）京沪高铁常用跨度连续梁主要设计参数1.2.4桥面横坡的形成方式桥面横坡一般通过下面三种方式形成1.三角铺装垫层成坡：在箱梁顶板与桥面铺装间设置不同的铺装垫层厚度（一般控制在6~8cm内），该设计方法简单，但额外增加了桥梁自重，特别是桥面较宽时造成设计不经济。(适用于桥面宽度较小时)2.箱梁顶板成坡：箱梁顶板与桥面横坡保持平行，通过桥面板倾斜来形成横坡，当箱顶为一字坡时两侧腹板不等高。（推荐采用）3.箱梁旋转成坡：当箱梁设置为一字坡时可将箱体“刚性旋转”在顶板上形成横坡，该方法设计简单，但施工时较难掌握。（多用于立交桥匝道连续梁）双线铁路箱梁一般采用顶板成坡单线铁路箱梁一般采用三角垫层形成排水横坡公路箱梁一般多采用顶板成坡铁路箱梁采用角钢支架方案的桥面布置1.3箱梁细部构造尺寸的确定箱梁横截面由顶板、底板、腹板、悬臂板、承托构成；各部分构造须满足受力、刚度、构造、施工方便的要求。1.3.1箱梁各部分组成顶板和底板－结构承受正负弯矩的主要部位腹板－主要承受结构的弯矩剪应力以及扭转剪应力引起的主拉应力梗腋（或称承托）－设置在腹板与顶、底板接头处锯齿块－方便预应力张拉锚固桥宽B底板宽b翼板宽b1翼板宽b1梁高H腹板厚度腹板厚度底板厚度顶板厚度大跨度预应力连续梁箱形断面的构成特点顶板满足横向抗弯及纵向抗压要求；一般采用等厚度，主要由横向抗弯控制（桥面板）。腹板主要承担剪应力和主拉应力；一般采用变厚度腹板：靠近跨中处受构造要求控制，靠近支点处受主拉应力控制，需加厚。底板满足纵向抗压要求；一般采用变厚度，跨中主要受构造要求控制，支点主要受纵向压应力控制，需加厚。一般在支点截面设置横隔板。横隔板箱梁纵剖面箱梁平剖面箱梁横断面1.3.2箱梁顶板尺寸箱形截面顶板厚度一般考虑两个因素：满足桥面横向弯矩的要求；满足布置纵横向预应力钢筋的要求。公路桥梁顶板经验尺寸根据行车道板要求、构造要求确定箱梁顶板厚度,跨中顶板厚度一般要求大于d/30（d为箱梁腹板净距）（一般中大跨度时，t=28~32cm为宜）；（一般在腹板间距为3.5~7.0m时，顶板厚度可采用18~30cm。）铁路连续箱梁由于刚度要求较高，顶、底、腹板厚度尺寸一般均比公路箱梁要高，顶板厚度一般为32~55cm1.3.3箱梁悬臂板尺寸根据翼板悬臂长度大小，确定翼板根部厚度及变化规律，悬臂长度宜控制在4m以内。公路桥梁悬臂板经验尺寸采用普通钢筋混凝土结构时，箱梁悬臂长一般在1.5～3.0m之间取值，大于3.0米时，需张拉横向预应力。（一般情况下，根部厚度30～70cm；端部厚度15~20cm。）铁路连续箱梁悬臂板长度一般较小（一般不超过3m），根部厚度一般为50~90cm1.3.4箱梁腹板尺寸根据抗剪要求确定腹板厚度及变化规律（一般情况下，腹板厚度从支点至跨中采用直线或折线变化）。整个箱梁的腹板厚度要根据受力需求和纵向及竖向预应力钢筋构造及锚固要求分别设置，当腹板厚度有变化时，其过渡段纵向长度要求大于12倍的腹板宽度差值，以便主应力场的变化顺畅。公路桥梁腹板经验尺寸铁路连续箱梁腹板厚度一般为45~100cm1.3.5箱梁底板尺寸根据抗弯要求确定底板厚度及变化规律（一般情况下，底板厚度从支点至跨中采用直线或抛物线变化）；箱梁底板厚度随负弯矩的增大而逐渐加厚至根部。根部底板厚度可按根部梁高的1/10~1/12，跨中底板厚度根据底板弯矩及预应力钢筋的配置要求确定，一般要求大于d/30（d为箱梁腹板净距）。公路箱梁跨中底板厚度一般经验取值为20~35cm。铁路连续箱梁跨中底板厚度一般为30~50cm1.3.6箱梁顶底板承托（梗腋）尺寸设计中一般在顶板和腹板衔接处设置承托，合理设置可以提高截面的抗扭刚度和抗弯刚度，减少扭转应力和畸变应力。桥面板在腹板支承处的刚度加大后，在箱梁的横向受力中可以吸收负弯矩，减少顶板的正弯矩。承托也使力线过渡缓和，改善应力集中现象和减少次应力。从构造上考虑，利用承托所提供的空间可方便预应力钢筋的布置及锚固，降低箱梁顶、底板的厚度。设计时可参考已建桥梁的相关统计资料，结合预应力钢筋布置及锚固的构造要求来确定承托形式和尺寸。1.3.7箱梁横隔板及锯齿块箱梁横隔板的基本作用是增加截面的横向刚度和整体刚度，限制畸变应力。同时在支承处的隔板还将承受和分布较大支承反力的作用，在中跨跨中的隔板还将克服底板钢束的径向力和箱梁的偏载扭转。横(隔)梁厚度应根据桥梁跨径、宽度，结合支座、桥墩布置具体确定，一般情况横梁在端支点处取1.0m，中支点处取2.0m，横隔梁设在跨中时厚度为30cm。对于顶板和底板的合拢钢束，一般是增设齿块进行锚固。所以齿块和顶板、底板的连接部位受力非常复杂，如果设置不好则导致齿块后面的顶板、底板表面出现横向受拉裂缝。对于此部位的受力，建议进行局部应力分析并用普通抗剪钢筋进行加强。桥梁布跨选择截面形式及尺寸拟