预应力混凝土系杆拱桥的设计与施工（3） .pdf

伽s 预 应 力 混 凝 土 系 杆 拱 桥 昀 设 计 与 旋 工 ( 3 ) 金 成棣 ( 同济大学 ) ( 接 上期 ) 2 3 各构件的主要尺寸 2 3 1 拱肋形状与尺寸分析 单从钢管对混凝土的箍紧作用着眼 采用 圆形截 面对提高混凝土抗压强度最为有效。但 随着跨度的增 大 ， 圆形截面尺寸太大 为了提高抗弯 能力 ， 采取哑铃 形截面 ， 但 哑铃形对抗平 面外 侧倾是不利 的 必须配 置强大的风撑 在总用钢量上不是很合理 。根据作者 设计经验 ， 拱肋高度取 h = ， 从强度方 面是可 以满 3u 足 ，但桥梁振动较大 ，为了提高拱肋刚度 ，宜取 h = t ，则强度已不再是控制 因素了。同时考虑侧 向空 间 斗u 稳定性及 吊杆锚 箱的削弱影 响 ，拱肋宽度可取 b l ，此时可采取简易风撑 即能满足稳定性要求 。简易 风撑设计 中间采 取直杆形式 二个端 门架 即在第一 对直杆风撑两端设角隅支撑予 以加强 即降低拱脚 到 第一根风撑位置内的拱肋 自由长度。当 b ， 一般 可以不设风撑。拱肋截面形状从抗弯刚度的角度来选 择 ， 一般应选择矩形截面 ， 考虑到便于泵送混凝土 以 及外形美观等 ， 可采取带 圆角 的矩 形截面 ， 或 圆端形 截面 ； 再从横断面形状对稳定性影 响 即满足几何不 变形 的要求 以及加强钢管与 昆 凝 土的连系 ， 截面内 应设置加劲如图 2 2所示。 拱肋 的宽度 与吊杆锚箱形式有关 以往采取楔形 锚具 锚箱 内均填筑混凝土 这类 吊杆调换较为困难 。 现在采用成 品索冷铸锚 ， 对拱肋 断面削弱较大 ， 吊杆 在拱肋顶为张拉端 ， 挖孔洞一般 在 4 0 c m左右 ， 另加导 管 2 2 0 。钢管拱肋 的构造 在钢管壁 内， 焊上加劲肋 板其尺寸 l o o x l o 沿拱肋通长不 间断 其 上焊有 2 0 收 稿 日期 ： 2 0 0 6 -0 2 - 0 9 2 8的连接钢筋 。隅加劲钢筋直接焊于钢管壁上 ， 钢 筋直径一般采用 l 6 2 0 。 2 3 2 系梁尺寸与预应力索配置 2 3 2 1 系梁作用之 一 提高空间稳定性 对于大跨径 系杆 拱桥 。 一般不设 系梁 只设拉杆 及索套 ， 但调换 吊杆难 而且如吊杆裂断有塌桥危险 ， 同时要加强拱肋 曲面的几何 不变形风撑 ； 中小跨径 系 杆拱桥设置系梁 其 功能用于布置纵 向预应力索 ，同 时使桥面结构 刚性连续 横 向变形时纵梁成 为上下翼 缘 提高抗侧倾 的能力 因为拱肋侧倾 时 吊杆上端 随 拱肋横移 下端 由于具有强大侧 向刚度的桥面结 构的 牵制 只要 系杆拱 桥两端具有侧 向挡块 ， 则桥 面结构 横向几乎不变形 。使 吊杆倾斜 ， 它 的水平分力提供 了 拱肋 的扶正力形成拱肋空间稳定分析 的非保 向力。对 于系杆拱桥从理论 上分析非保 向力 可提高稳定 系数 2 3左右 ， 一般稳定系数达到 5 ， 已基本上能满足使用 要求。因此 ， 在中小跨径的风撑设计 中可采用简易风 撑 ， 或者无风撑 ， 见 图 2 3 。 从 而降低 了钢材用量与施工 难度 。 节省了造价。 栓钉1 2 2 0 1 0 条钢板1 0 0 1 0 图 2 2 n 。 3 2 0 0 6上够 醯1 维普资讯 正 面 图 2 3 2 3 2 2 系杆作用之二 便于配置预应力索 根据规范 2 ： 4 3 1 4规定系杆拱 当拱肋截 面刚度 与 系 杆 截 面 的 抗 弯 刚 度 比 值 为 亩 至 1 0 0 时 ， 系 杆 与 拱肋的端节点应视为刚性连接 此 时荷载引起 的弯矩 在系杆和拱肋之间应按抗弯刚度分配。对于截面 的 弯矩等于 ： mi = m o i hyi 2 1 式中 在特定荷载下简支梁截面的弯矩 ； 在特定荷载下的水平推力 它可近 似地按二铰拱计算 ： l ， i 截面 拱轴线离系梁轴线的垂直距 离。 可以认为 ， 在截面 拱 、 纵梁 的弯矩 m 及 近 似地存在以下关系 ： m a = 1 m b= m b= 1 + l 丽 ! ai ， l b i 2 2 如考虑 吊杆变形 ， 上述结论存在一定误 差 但 总 体上反映了截面 拱梁弯矩分配的关系 由于拱是压 弯构件 ， 为了提高系杆拱桥 的刚度 ， 在 中小跨径拱肋 高度偏高布置 ， 以求较大 的刚度 ， 但 强度度验算具有 富余 ， 为 了充分发挥拱的作用 设计应 尽可能降低纵 梁的刚度 ， 即压低纵梁 的高度 。 减少分配给纵梁 的弯 矩 。这样 可 以减 少 为承 担弯 矩部 分 的预应 力 索 的 配 置 2 3 2 3 纵系梁的尺寸 纵梁高度取决于横梁高度及横断面的布置 一般 纵梁 上缘 即为 隔离 带 ，它必 须 高 出铺 装层 顶 面约 2 0 c m。宽度决定 于拱肋的宽度 ， 一般 b b = b + 2 o c m， 其 中 2 0 c m是拱座比拱肋 的增宽数。纵系梁与拱座 同宽 当 2 上冯 磁 n 。 3 2 0 0 6 拱肋布置在隔离带 内 还需要设置 防撞 护栏 时 则纵 系梁上缘还应加宽 。 为了加强端节点对拱肋 的钳 固作用 需要设计强 大 的端横梁 据此纵系梁的梁端应增加高度 5 0 1 0 0 c m 左右 ， 构造上还可适应下层纵 向预应力索弯起锚 固的 需 要 。 2 3 2 4 纵 向预应力束配置 纵 向预应力束 除了克服恒活载 由拱引起 的水平 力 以外 ， 尚需抵抗活载引起的弯矩 。根据经验纵向预 应力约等 于恒载对拱作用 引起的水平力二倍 ( 不包括 桥 面板为抵抗分节段浇 的收缩 而设置 的纵 向预应力 束 ) 。 随着活载大小作适当修正。 = 1 b l 2 3 式 中 g上部结构全部恒载 v =2 h ah 2 - 4 ( a ) 根据活载大小的调整量 一般每根纵梁增减 一 束左右。 钢绞线总数 n y 2 - 5 ( b ) 选定锚具形式即求得预应力束数 每根纵梁束数 一 般为偶数 ， 以便对称布置于吊杆锚箱两旁。 纵系梁横截面预应力束 布置基本对称上下布置 。 由于预应力对轴线偏 心锚 固所造 成的偏心力矩一般 只影响拱脚附近的二个节间 对 四分点至跨 中基本上 没有影响。对于纵系梁上缘布置的索要满足施工阶段 体外索的要求 而且 尚需要多留 1 2束为后张束 否 则 ， 由于体外索范围内混凝土在 已建立纵 向预应力后 再行现浇 ， 在此后 浇的混凝土 没有 预应力 容易产生 收 缩裂 缝 。 纵系梁上下缘 配置 的钢筋须满足 公预规 抗裂 性验算的相关规定。由于纵系梁在 吊杆锚固处附近因 局部削弱而造成应力集中 一般难于避免有拉应力 出 现。因此 ， 纵系梁 的预应力配置设计。 一般应满足 a类 或 b类构件的有关规定 普通钢筋截面面积应不小于 0 o 0 3 b h 。 的要求 。钢筋直径可采用 q b 2 0 2 2不宜过粗。 例如 ： 纵系梁截面尺寸为 ： b x h = 1 5 0 x 1 5 0 c m。 取钢筋面 积 a s = 6 7 5 c m ， 需配置 1 8 2 2钢筋。 2 3 3 横梁尺寸与配索 横梁根据拱肋 的榀数决定计算图式 对于单榀或 双榀拱肋 它是单悬臂梁 或简支梁 、 双臂 梁 ： 三榀拱肋 以上它是超静定的弹性支承连续梁 。 由于 吊杆不参与 维普资讯 混凝土徐变 ， 恒载 内力重分布是向刚性支承连续梁方 向转移 因此对恒 载按刚性支承连续梁计算 ， 而活载 需按 弹性支承连续梁设计 由于 吊杆 的弹簧系数沿跨 径不同位置是个变数 。 它决定于 吊杆所在位置活载作 用下的挠度 ，近拱脚的横 梁几乎是刚性支承连续梁 ； 越接近跨中弹簧系数越少。对于 中间横梁一般采用一 种配筋方式 因此为安全计 设计 计算 的弯矩包络 图 均需 满足刚性支承连续梁及跨 中弹性支 承弯矩包 络 图。横梁末端处为简支状态 ， 活载作用下应考虑简支 计算及弹性箍 固计算 ， 即考虑纵梁的抗扭对横梁端的 箝 固作 用所 引 起 约束 影 响 。近 似 地取 0 5 计算 ( 慨厂简支梁活载引起的弯矩 ) 。 预应力束布置要考虑到 吊杆锚 箱及锚下螺旋钢 筋的影响 可通过横梁在此加腋 即加宽来锯决。 横梁属全预应力构件 ， 配置普通钢筋属构造及施 工阶段预制吊装要求 ， 一般采用 1 8 2 0 。但对于弹性 支承横梁， 普通钢筋应满足规范相关规定 a = 0 0 0 3 b h 。 为宜 。例如 ： 横梁尺寸 b h 。 = 7 0 x 1 5 0 c m， 下缘应布置 a s = 3 1 5 c m 2 配 1 o 2 o为宜 。 2 3 4 桥面板设计 桥面厚度一般根据横 梁间距来确定 横梁间距在 5 6 m之 间 板厚 为 2 0 2 5 c m 并加 腋 2 0 x l 0 0 c m( 高 长 ) ， 在无支架施工 系杆拱 时 ， 纵 梁横梁预制安装 ， 桥 面板现浇 考虑到收缩裂缝 ， 为此设 置的纵向预应 力 束可采用 b m一 5或 o v m一 5 1 0 0 c m纵 向上下层钢筋 采用 1 6 1 0 1 5 c m 随荷 载大小而定 设 置纵 向预应 力束可不再验算抗裂性 ，否则为满足抗裂性要求 ， 钢 筋直径可能需布置 1 8 1 0 1 5 c m。按构造要求布置 。 在推行商品混凝土的地方 由于商品混凝土要求塌落 度大 ， 水灰比大 水泥用量及掺合剂用得较多 细颗粒 较 多 混凝 土收缩较大 在预应力 的纵 向波纹管上下 层混凝土很容易 出现收缩裂缝 ， 究其原 因这是 由于收 缩随构件理论厚度增加而减慢 在管道上下缘收缩特 别快 容易出现裂缝 为此 必须 加强养护 ， 保持潮湿 的环境 ， 以避免过大的收缩裂缝 。在沿海地 区可在波 纹管上下方布置细钢筋 网或在混凝 土表面涂刷 防渗 水涂料。 2 3 5吊杆设计 吊杆其作用将桥面荷载传递 至拱肋 ， 在抗整体失 稳方面吊杆倾斜产生水平力 其作用可扶正拱肋 ， 提 高系杆拱桥的空间稳定性。吊杆在直观上只受拉伸作 用 但短 吊杆具有一定抗弯能力 ， 活载作用下会受拉 m 弯 ， 因此 ， 短 吊杆最易疲劳。吊杆应设计成可 以调换的 构件 ， 一般采用平行钢 丝冷铸锚 也有采用钢 绞线专 用锚具 ， 以满足调换的要求 。吊杆一般采用厂制成品 索 ， 设计 者只须将钢 丝直径根数 、 锚具形式 及 吊杆长 度 ， 提供厂方 连同锚具 、 垫板 、 螺旋钢筋 ， 以及钢护套 管 锚箱防腐罩等专门加工订做 。吊杆分锚 固端与张 拉端 设计者要确定张拉端 一 般张拉端在纵横梁底 ， 锚 固端在拱肋 上层 。为 了便于安装及张拉 ， 拱肋或纵 梁必须 为上下两端锚 固体开孑 l 对拱肋及纵梁有较大 的削弱 ， 要力争把孑 l 开得小一些 但必须 满足张拉 吊 杆的操作要求 。根据实践经验 ， 锚 固端上开孑 l 3 5 o 4 0 0 mm 深 2 5 0 mm 张 拉 端 下 开 孑 l q b 4 0 0 m m 深 3 0 0 ram下开孑 l 可通过纵梁与横梁连接处的横梁横 向 加腋予 以补偿。上开孔对拱肋应设法补偿 。对于小跨 径拱肋 宽度较小 开孔后削弱 面积所 占比例较大 ， 有 的设计 将锚箱放拱肋上方外露 为 了保证结 构安全只 能作有损外观之举 。拱肋及纵 系梁除 了锚箱 与防腐 罩损失 外 还有拱肋套 管 2 0 0 x 1 0伸 出拱肋 下缘外 侧 上端 连接锚 垫 板 纵 梁套 管 2 0 0 x 1 0伸 出纵梁 上缘加防水罩 吊杆设计 高强平行钢丝的安全系数取 2 5左右 ， 为 了施工方便 吊杆 护套再加钢套 管 ， 上 下焊接成整 体 ， 可省去防水罩等 ， 而且套管参与抵抗活载作用 ， 在 此对高强钢丝 的 安全 系数可 以适当放低 ， 但不低 于 2 。 由于短 吊杆可能 弯折而易于疲劳， 设计者可参考采 用弧形垫板 的特殊锚垫板 。虽 然增加 了一些造价 但 对于改善短吊杆 的工作状态将有一定好处。 2 3 6各构件的连接 节点构造 2 - 3 6 1 拱肋与纵系粱 的连接点构造是系杆拱桥的主 要节点构造 为了使纵 系梁 的纵 向筋及 预应力管 道顺 利而连 续通过节点 ， 一般专 门设置 钢筋混凝土拱座 ， 作为钢 管混凝土拱肋 的连接措施 ， 这二者之 间的连接面必须 垂直设置。在拱座上预埋钢板 ， 其轮廓尺寸稍大于钢 管拱肋 以便 吊装时将钢管拱肋插入 ， 其 间隙在 1 0 mm 以下 过 大会影响二者焊接 质量 。拱座预埋钢管 长 4 0 0 6 0 0 m m 一般埋人钢筋混 凝土拱座 内2 0 c m。在 此范 围内沿钢 管周边焊接 ， 连接钢筋 ( i 3 2 5 1 0 - 1 5 c m。 外侧布置 1 2箍筋 ， 再加 3 5 c m保护层。一般在预埋 钢管节段外的混凝土厚度为 8 1 0 c m， 由于钢筋混凝土 拱座 的形状不同于预埋钢管节段 ， 在二者最薄处最好 布细钢筋 网以避免 由于混凝土厚度不 同收缩速度不 n o 3 2 0 0 6上踢 维3 维普资讯 一 一 致 而产生 的裂缝 。预埋连接钢管在高度的 处钻 孑 l ， 以便安装捅销 ， 形成二铰拱座落架 ， 保证拱轴线与 设计轴线 的吻合 ， 并在此上缘切掉一块 ， 以便 钢管拱 肋下放就位 ， 然后补焊封拱( 如图 2 4所示 ) 。普通钢筋 配置 主筋为拱肋轴线方 向， 纵系梁方向 以及垂直于拱 肋方 向 ， 其次是纵系梁 的箍筋 ， 如图 2 5所示 ， 在拱 座 范围内箍筋须伸到拱座顶面。 = h 图 2 4 图 2 5 及一般需布置四层。及构成合力用以抵 抗水平推力( 在此不计算预应力影响及抗剪能力 ) 。 7 ( s l c o s a + a 5 3 s i n o l ) = 日 2 5 拱轴线水平夹角 假设拱轴线为抛物线， 矢跨比= 1， o 【 = 3 8 1 6 ， 桥 ) 宽 2 8 m， 跨径 = 8 0 m， 单榀拱肋 h = 1 8 2 0 0 k n。假设 a s = 岛 ，分四 层布置 2 5 ， n = 1 8 2 0 丽 =2 4根， 拱肋高 h = 2 0 m， z t = 2 0丽 0 = 2 5 6 c m ，扣 除 拱 肋上下层钢筋 ， 按 2 5 1 0配置 。 4 上够 磁 n o 3 2 0 0 6 2 3 6 - 2 端横梁与纵系梁末端连接构造 端横梁提供拱肋侧向稳定 的拱脚 弹性箝 固， 同时 可改善系杆拱桥活载横向分布端节点弹性箝 固。在一 般情况下 ， 为了缩小墩柱尺寸 ， 将引桥直接搁置于 附 设在端横梁的牛腿 上 ， 牛腿上荷载使端横受扭 。 因此 端横梁多数设计成带牛腿 的箱形截面。在此纵系梁需 加高 5 0 1 0 0 c m， 加高范围纵向过墩柱再延长 5 0 c m左 右 即与端横梁后轮廓线平 齐。为了锚 固纵系梁 的上 缘纵向索及桥面板索 ， 桥面板在此加厚至 3 0 c m左右。 端横梁腹 板靠近牛腿处 的前腹板要厚 实 ，一般 6 0 1 0 0 e ra， 而后腹板要薄 ， 厚度 为 4 0 6 0 c m， 两者均在 角 隅加腋。因为前腹板受弯剪扭 。 同时还受拉 ， 前后腹板 箍筋 自行封闭 ， 以利抗扭。如图 2 6所示 。 图 2 6 其他常规配筋 ， 图上未 显示。纵梁纵向索锚 固位 置 同拱轴线有关 ， 对 于抛物线拱 ， 恒载对拱脚产生负 弯矩， 而纵 系梁为正弯矩 ， 索重心偏下锚固， 悬链线恰 相反 索重心偏上锚固。 2 3 6 3 吊杆与拱肋及纵系梁连接 该连接构造与所采用 的锚具形式 有关 根据 国内 实践经验 ， 大多数采用镦头锚 ， 经护套管 l 4 5 2 1 5 x 8 穿入拱肋或梁体 内，护套管一端直接焊于锚垫板上 另一端伸 出体外 并与 吊杆加设 的专用钢护套相焊 接 ， 此钢护套参与 吊杆高强预应力钢丝共 同作用。护 套管在体内应焊上锚筋及加设螺旋筋 ， 如图 2 7 。锚固 箱 孑 l 预 留尺 寸 ，上端 为 固定 端 ，一 般 为 d = 2 4 0 3 2 0 m m， 洞深 4 = 2 5 0 2 8 0 ram， 下端为张拉端 ， 由于旋转 螺母需要 ， 应放大 ， 一般 d = 3 0 0 4 0 0 m m， 锚 孔深 3 5 0 40 0mm。 2 3 6 4 钢筋混凝 土构件相交 钢筋混凝土构件相交 ， 为 了减少 刚性域截面突变 维普资讯 所造成的应力集 中现象 ，应在节点附近对称扩大 ， 并 在扩大范 围内布置包角钢筋 。举例 1 ： 中承式 ， 拱梁连 接点的构造措施 ， 节点附近需要对称扩大 ， 纵 系梁上 缘设拱座 以便连接钢管拱， 下缘属钢筋混凝土拱肋 ， 如 图 2 8 ， 在此未显示正常配筋。 张拉端 d 3 = 3 0 0 - 4 0 0 mm 锚 固端 d 3 = 3 0 0 - 4 0 0 mm 图 2 7 举例 2 ： 中承式系杆拱下风撑节点构造 ， 如图 2 9 。 拱肋 图 2 9 箍筋( 包角筋) 2 4 设计计算 的见解 系杆拱桥设 计采用专用程序来计算 ， 但是 ， 目前 所采用 的程序还不能完全符合系杆拱桥计算要求 ， 特 n 别是拱肋计算 大多数程序是 以正常使用阶段 应力 验 算为主 而作 为钢管混凝土构件 的计算 ， 如果不计 人 因钢管的箍紧作用提高 了强度的影 响 ， 它应该属 于普 通钢筋混凝土构件 。在此 ， 因纵 向预应力失效时 ， 拱的 轴力仍维持而不消失 ， 它是 非预 应力构件 ， 由于钢 管 的存在 ，正常使用极 限状态验算抗 裂性 已无意义 ， 应 该按持久状况承载能力使用极限状态计算进行 ， 其 中 除小偏心受压 的构件外均要考虑偏心增大 系数 ， 象 圆 截 面钢筋混凝 土偏 心受压法正截面 的承载力计算 那 样 对形状各异的钢管混凝土拱肋进行正截面承载力 计算 钢管既是主筋 又是箍筋 。对 于纵 系梁既要对偏 心受压构件进行 应力验算 ， 也要按 偏心 受拉 ( 即不计 预应力影响) 的正截 面承载能力极限状态计算 。应力 验算参考连续箱梁 的计算 ， 预应力应该按全断面计算 ， 即分布于纵系梁与桥面板的组合截面 而弯 曲验算应 以考虑剪滞影响的组合截面进行计算 。根据作者设计 几 十座系杆拱桥的经验 ， 对几个主要问题阐述如下。 2 4 1计算图式 的确定 系杆拱桥一般属于刚拱 刚梁 不论 持久状况承载 能力极 限状态计算 ， 或者持久状况正常使 用极 限状态 计算 ， 超静定结构 分析均 以弹性理 论为基础 ， 确定各 构件相关的变形及 内力 。而构件计算 ， 前者是 以截 面 应力塑性分布 而后者以弹性理论材料力学公式来进 行 但二者均符合应变的平截面假定 。 系杆拱桥属于杆件系统 其计算 轴线采取纵系梁 与桥 面板组合 的整体 截面形心与钢 管与混凝土组合 截面的形心 的连线作为计算 轴线。当杆件不交汇在一 点时 ， 采取以刚臂相连接 ， 如图 2 1 ( 见上期 ) 所示 。 2 4 2杆件截面的几何特征 钢管混凝土拱肋采用换算截面的几何特征 ： 单根拱肋 ( 图 3 0 ) ： a = ( 1 ) a + a c 式 中 ： 争 l o o =( 1 - ) 计算 ， 当 6 时 ， 等 a 【m b b 1 0 1 4 1 1 5 0 1 9 2 02 2 2 6 n 。 3 2 0 0 6上冯 5 维普资讯 一 沥 青 琨 合 料 抗 剪 强 度 对 车 辙 性 能 影 响 分 析 鲁正兰 孙立军 ( 海南省三亚市建设局 同济大学交通运输工程学院 ) 摘要 ： 沥青混合料的车辙性 能评价指标 的选取是混合料设计的关键技术 之一 ， 本文在分析车辙 的形成机理 以及现有 车辙性能评价指标缺 陷的基础上， 通过 大量 的不同温度 、 不 同压力 、 不 同厚度 的车 辙试 验 、 抗剪试验 以及车辙试验剪应力 的计算 然后 通过 曲线拟合法分析了抗剪强度对车辙性能 的影响 ， 提 出了将抗剪强度作为车辙 性能新评价指 标的建议 ， 对 丰富沥青混合料的车辙性能检测 、 评 价具有重要意义 。 关键词 ： 车辙 ； 机理 ；