公 路 交 通 科 技
JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment
Vol126 No19 Sep12009
文章编号:1002-0268(2009)09-0080-05
预应力混凝土连续箱梁不同布索方式对比分析
张文学1,龙佩恒2,王丽群2
(11北京工业大学 建筑工程学院,北京 100124;21北京建筑工程学院 土木与交通工程学院,北京 100044)摘要:从理论上对比分析了不同布索方式的优缺点,以某预应力混凝土连续箱梁桥为原型,通过数值计算对比分析了预应力损失对不同布索方式箱梁腹板主拉应力的影响。结果表明,在理论上取消下弯索,通过适当调整顶、底板索和竖向预应力筋来实现对腹板主拉应力控制是可行的;适当调整竖向预应力的大小,竖向+纵向布索方式混凝土强度提高系数优于下弯索布索方式;竖向预应力损失对竖向+纵向布索方式预应力混凝土箱梁腹板主拉应力的影响非常敏感,在实际工程中,竖向预应力损失50%后,竖向+纵向布索方式预应力混凝土箱梁腹板主应力的分布将劣于下弯索布索方式。
关键词:桥梁工程;预应力箱梁;布索方式;下弯索;竖向预应力;预应力损失中图分类号:U448135;U443138 文献标识码:A
AnalysisofDifferentTendonLayoutTypesforPCContinuousBoxGirder
ZHANGWenxue,LONGPeiheng,WANGLiqun
1
2
2
(11SchoolofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing 100124,China;21SchoolofCivilandTransportEngineering,BeijingArchitectureEngineeringInstitute,Beijing 100044,China)
Abstract:Themeritsandfaultsofdifferenttypesoftendonlayoutwasdiscussedfromtheorypointofview1TookaPCcontinuousboxgirderbridgeasanexample,theinfluenceoftheprestresslossonwebprincipaltensilestressofdifferenttendonlayouttypesforPCboxgirderwasanalyzedbyFEMmethods1Theresultshowsthat(1)itisfeasibletocontrolwebprincipaltensilestresswithoutdown-curvedtendonbyadjustingthetoptendon,bottomtendonandverticalprestresstendonintheory;(2)theconcretestrengthimprovingcoefficientwithverticalprestressandlongitudinaltendonisbetterthanthatwithdown-curvedtendonbyadjustingtheverticalprestressproperly;(3)webprincipaltensileisinfluencedbytheverticalprestresslosssensitively,theconcretewebprincipalstresswithverticalprestressandlongitudinaltendonisinferiortothatwithdown-curvedtendonintheconditionthat50%verticalprestressloss1
Keywords:bridgeengineering;PCboxgirder;tendonlayouttype;down-curvedtendon;verticalprestress;prestressloss0 引言
目前预应力混凝土连续箱梁较为常见的布索方式有:(1)取消下弯索,由纵向水平索和竖向粗预应力钢筋共同来提供抗剪;(2)布置下弯索,由下弯索来提供抗剪[1]。传统连续梁或悬臂梁纵向预应力束的布
收稿日期:2008-08-12
基金项目:交通部西部交通建设科技资助项目(200631882225)
作者简介:张文学(1975-),男,吉林伊通人,博士,从事桥梁结构设计理论、振动与控制研究1(zhangwenxue666@1631com)
置方式为顶板束下弯进入腹板内,其优点是下弯索方
向与斜向拉力的方向基本一致,所以在承受斜拉力的效果上优于竖向的箍筋[2];其缺点是由于下弯索的纵向间距比较大,同时考虑到布索和锚固的要求,一般很难把预应力索布置到截面的边缘,且预应力的有效扩散角度一般比较小,故存在较高的预应力/盲区0,
第9期 张文学,等:预应力混凝土连续箱梁不同布索方式对比分析 81
使得下弯索对腹板高度约0139h范围的预应力是无效的[3-4]。
从20世纪90年代开始的一段时期内,为了施工方便和减少预应力摩阻损失,在预应力混凝土连续箱梁的设计中较普遍地取消下弯索,采用纵向预应力索和竖向预应力粗钢筋来克服主拉应力,认为通过调整竖向预应力完全可以控制腹板不出现主拉应力。然而采用纵向水平束和竖向粗预应力钢筋布索方式设计的预应力箱梁绝大多数都出现了腹板开裂现象,而且腹板的裂缝与水平方向一般为45b左右。这说明纵向索+竖向粗预应力钢筋的布索方式也可能存在一定的弊端[4-5]。
目前虽然已经认识到2种布索方式各自的优点和不足,但是对其优缺点的研究还不够深入和全面,因此有必要对预应力混凝土连续箱梁的布索方式进行较为深入的对比分析。
1 理想状态下不同布索方式对比分析
为分析理论状态下2种不同布索方式的优缺点,对2种不同的抗剪布索方式,进行了腹板应力状态对比分析,为表述方便规定:方式1为纵向水平索+竖向粗预应力钢筋布索方式;方式2为下弯索布索方式。同时为便于讨论,做如下假定:
(1)预应力混凝土箱梁的腹板未开裂,不考虑预应力损伤。
(2)单位长度内,方式1的竖向预应力Ps与方式2的下弯索预应力Px相等,即,Ps=Px;设R1y=Rc,则,R2y=RcsinH,H为下弯索与梁纵轴线的夹角。
(3)方式1和方式2的纵向预应力是相等的,即R1x=R2x=Rx。
(4)方式1和方式2的剪应力是相等的,即S1=S2=S。
根据以上假定得2种布索方式的分项应力如下:方式1:R1x=Rx,R1y=Rc,S1=S;
方式2:RccosH,R2y=RcsinH,S2x=Rx+R2=S。通过以上分析得:
Rmax1RcRc2x+Rx-R方式1:=?+S2;
Rmin122Rmax2Rx+RccosH+RcsinH
方式2:=?
Rmin22Rx+RccosH-RcsinH+S2。
2
2通过比较可知:Rmax1 以上推导是以截面应力分布满足平截面假定为前提的,认为截面内应力是均匀变化的。为考虑预应力集中荷载的影响,以石板坡长江大桥主跨L/4附近梁段为例,进行了2种不同布索方式箱梁腹板主拉应力和主压应力有限元计算结果对比。重庆石板坡大桥原设计布索方式为下弯索+竖向索,即腹板内既布置下弯索,又布置竖向索。根据上述假定,以原设计为基础确定方式1和方式2的布索。分析结果如图1所示,图1中标识方式1的为纵向水平索+竖向粗预应力钢筋布索方式;标识方式2的为下弯索布索方式。 由图1可知,不论是在纵向预应力锚的前、后截面,还是在节段中间截面,预应力混凝土箱梁腹板的主应力状态呈现为:方式1的腹板主压应力不同程度地小于方式2的腹板主压应力;方式1的腹板主拉应力不同程度地大于方式2的腹板主拉应力,与前面理论分析结果一致。这说明在不考虑预应力损失的情况下下,方式1的主应力的分布状态优于方式2,方式1的混凝土强度提高系数优于方式2。2 预应力损失对不同布索方式的影响 以上对理想设计状态下2种不同布索方式进行了对比分析,分析表明方式1优于方式2。但是由于箱梁的竖向高度较小,竖向预应力筋的长度比较短,张拉时高强精轧螺纹粗钢筋的伸长量有限,如施工时稍有不慎,将造成钢筋的回缩量过大,使得竖向预应力难以达到设计要求。即使施工时达到了设计要求,由于混凝土收缩、徐变等因素的影响,随着时间的推移,竖向预应力损失也很严重。大量的调查研究表明[4-15]:绝大多数竖向预应力损失均在50%以上,有的甚至竖向预应力钢筋完全松动,预应力损失为100%。因此有必要分析预应力损失对不同布索方式的影响。为此以石板坡长江大桥主跨的L/4附近梁段为例,进行了各项预应力损失对箱梁腹板应力状态的影响分析。 211 竖向预应力损失的影响 首先根据以上假定,以重庆石板坡大桥原设计为基础确定方式1和方式2的布索,经分析得出竖向预应力损失对不同布索方式预应力混凝土连续箱梁腹板主拉应力的影响,如图2所示。 82 公 路 交 通 科 技 第26卷 图1 不同布索方式腹板主应力状态对比 Fig11 Contrastofwebprincipaltensilestresseswithdifferenttendonlayouttypes 图2 竖向预应力损失对腹板主拉应力的影响 Fig12 Theinfluenceofverticalprestresslossonwebprincipaltensilestress 由图2可知: (1)在没有竖向预应力损失的情况下,方式1箱梁腹板主拉应力状态比较均匀,而方式2箱梁腹板的主拉应力变化比较大。由于下弯索纵向间距比较大和预应力有效扩散角比较小,导致在腹板的中间部位主拉应力安全储备相对比较高,而在腹板的上、下边缘主拉应力安全储备相对比较低,且出现预应力/盲区0。 (2)为了减少弯曲引起的摩阻力,下弯索设置了圆弧过渡段,导致在腹板与顶板相交处一定范围内下弯角度较小,竖向预应力分量不足。同时,由于纵向水平索的偏心集中力作用,引起锚前腹板与顶板相交处一定范围内出现竖向拉应力,进而导致该范围内腹板出现了主拉应力,如图2(c)所示,而方式1由于 竖向预应力的存在却可以很好地避免这一现象。 (3)随着竖向预应力的减小,方式1箱梁腹板的主拉应力储备逐渐减小,当竖向预应力为设计值的50%时,方式1箱梁腹板的主拉应力安全储备在腹板中部低于方式2,但在腹板与顶、底板相交处仍然高于方式2。虽然在设计预应力状态下,方式1腹板均有较高的主拉应力安全储备,但当竖向预应力完全损失时,即竖向预应力为0时,方式1的箱梁腹板均出现了较大的主拉应力。 212 纵向+竖向应力损失的影响 为分析纵向预应力损失+竖向预应力损失对不同布索方式箱梁腹板应力状态的影响,同样以重庆石板坡大桥第5孔L/4梁段附近为研究对象进行分析。纵向预应力损失+竖向预应力损失对不同布索方式预应 第9期 张文学,等:预应力混凝土连续箱梁不同布索方式对比分析 83 力混凝土连续箱梁腹板主拉应力的影响如图3、图4所示。图3为纵向预应力损失20%+竖向预应力损失50%时腹板的主拉应力分布情况;图4为纵向预应力损失和竖向预应力损失均为50%时腹板的主拉应力分布情况。为便于比较和表述方便,定义腹板主拉应力减小率为 k= R3-R3 @100%,Rd3 d l 2腹板主拉应力损失率为63%。3 结论 针对目前对预应力混凝土连续箱梁不同布索方式 存在较大争议这一问题,首先从理论上比较了不同布索方式的优缺点,然后考虑到工程实际情况,通过数值计算对比分析了预应力损失对不同布索方式箱梁腹板主拉应力的影响,得到主要结论如下: (1)在理论上取消下弯索,通过适当调整顶、底板索和竖向预应力筋,调整截面纵向应力Rx和竖向应力Ry的乘积,来实现对腹板主拉应力控制是可行的,不仅减少了预应力钢材用量,且可减少施工麻烦。 (2)在理论上通过适当调整竖向预应力的大小,可以使得竖向+纵向布索方式预应力混凝土箱梁腹板的主应力分布优于下弯索布索方式,竖向+纵向布索方式混凝土强度提高系数优于下弯索布索方式。 (1) l 式中,Rd3为设计预应力下腹板平均主拉应力;R3为预 应力损失后腹板平均主拉应力。 图3 纵向预应力损失20%+竖向预应力损失50%Fig13 20%longitudinalprestresslossand50% verticalprestressloss (3)竖向预应力损失对竖向+纵向布索方式预应力混凝土箱梁腹板主拉应力的影响非常敏感。而实际 工程中,由于竖向预应力精轧粗钢筋比较短,竖向预应力施工质量难以控制,因此,竖向预应力损失比较严重和普遍。在考虑竖向预应力损失50%后,竖向+纵向布索方式预应力混凝土箱梁腹板主应力的分布将劣于下弯索布索方式。 参考文献:References: 图4 纵向预应力损失50%+竖向预应力损失50%Fig14 50%longitudinalprestresslossand50% verticalprestressloss [1] 张文学1预应力混凝土连续箱梁局部应力分析及拉-压杆设计[D]1上海:同济大学,20051 ZHANGWenxue1TheLocalStressAnalysisofContinuousPC BoxGirderandStru-tand-TieDesignMethod[D]1Shanghai:TongjiUniversity,20051 [2] 黄棠,王效通1结构设计原理[M]1北京:中国铁道 出版社,19901 HUANGTang,WANGXiaotong1StructureDesignPrinciple [M]1Beijing:ChinaRailwayPublishingHouse,19901 [3] 张继尧,王昌将1悬臂浇注预应力混凝土连续梁桥 [M]1北京:人民交通出版社,20051 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