对公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范若干问题.ppt

对 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 若干问题的探讨 哈尔滨工业大学张树仁 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTGD62 2004 以下简称桥规JTGD62 己颁实行了三年 设计单位在使用过程中发现和反映了一些疑难问题 现仅就其中某些带共性的问题 谈一下自己的看法 与桥梁界同行商榷探讨 一 配有竖向预应力筋的预应力混凝土受弯构件斜截面抗剪承载力计算方法 桥规JTGD62 5 2 7条规定 矩形 T形和工截面受弯构件 当配置箍筋和弯起钢筋时 其斜截面抗剪承载力计算应符合下列规定 1 1 其中 混凝土和箍筋共同的抗剪承载力 kN 1 2 普通弯起钢筋的抗剪承载力 kN 1 3 预应力弯起钢筋的抗剪承载力 kN 1 4 式中 异号弯矩影响系数 计算简支梁和连续梁近边支点梁段的抗剪承载力时 计算连续和悬臂梁近中间支点梁段的抗剪承载力时 预应力提高系数 对钢筋混凝土受弯构件 对预应力混凝土受弯构件 但当由钢筋合力引起的截面弯矩与外弯矩的方向相同时 或允许出现裂缝的预应力混凝土受弯构件 取 受压翼缘影响系数 取 斜截面受压端截面处 矩形截面宽度或T形和I形截面腹板宽度 mm 斜截面受压端正截面的有效高度 自纵向受拉钢筋合力点至受压边缘的距离 mm 斜截面内纵向受拉钢筋的配筋百分率 当 p 2 5时 取p 2 5 边长为150mm的混凝土立方体抗压强度标准值 Mpa 即为混凝土强度等级 斜截面内箍筋配筋率 箍筋抗拉强度设计值 MPa 斜截面内配置在同一截面的箍筋各肢总截面面积 mm2 斜截面内箍筋的间距 mm 斜截面内在同一弯起平面的普通弯起钢筋 预应力弯起钢筋的截面面积 mm2 普通弯起钢筋 预应力弯起钢筋 在斜截面受压端正截面处 的切线与水平线的夹角 普通弯起钢筋 预应力弯起钢筋抗拉强度设计 对于配有竖向预应力筋的预应力混凝土受弯构 进行斜截面抗剪承载力计算时 桥规JTGD62 5 2 7注 1 规定 可将计算的计算公式 1 2 中的箍筋配筋率和抗拉强度设计值 以竖向预应力筋配筋率和抗拉强度设计值代替 这样规定的实质是将竖向预应力钢筋的作用视为箍筋一样处理 在实际工程中 通常的作法是采用竖向预应力钢筋时 也还要配置一定数量的箍筋 箍筋和竖向预应力筋两者怎么替换 笔者认为箍筋和竖向预应力筋的作用机理是不同的 两者不能互相替换对于同时配有竖向预应力筋和箍筋的情况 建议将竖向预应力钢筋的抗剪承载力单独计算 这样 斜截面抗剪承载力计算的基本方程 1 1 可改为下形式 1 5 式中 为与斜截面相交的竖向预应力钢筋的抗剪承载力 其数值可按下式计算 1 6 式中 0 75为考虑竖向预应力钢筋应力不均匀分布的影响系数 为与斜裂缝相交的竖向预应力钢筋的截面面积 mm2 为竖向预应力钢筋的抗拉强度设计值 MPa 二使用阶段应力验算时荷载效用组合的探讨 桥规JTGD62 7 1 5和7 1 6条规定 使用阶段预应力混凝土受弯构件正截面混凝土的压应力 预应力钢筋的拉应力和斜截面的主压应力 应符合下列规定 1受压区混凝士的最大压应力 0 5fck2预应力钢筋的拉应力 0 65fpk 0 8fpk算3混凝土最大主压应力 很多设计单位反映 在使用阶段应力验算中若考虑温度作用等多种可变作用效应组合 很难满足规范规定的上述应力限值要求 使用阶段应力验算应以那种效应组合控制设计 预应力混凝土使用阶段的应力验算做承载能力极限状态的补充 应考虑结构上可能同时出现的作用 或荷载 取其最不利效应组合进行计算 并应考虑多种可变作用 或荷载 效应组合的影响 例如 在预应力连续箱梁使用阶段应力计算时 除了考虑车辆荷载和人群荷载等可变荷载作用的基本组合情况外 通常还要考虑车辆荷载 人群荷载 温度作用 支座不均匀沉陷等多种可变作用 或荷载 效应组合 在使用阶段应力验算中如何考虑不同作用 或荷载 效应组合的影响 新老规范的处理方法是不同的 众所周知 老规范 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTJ023 85 以下简称桥规JTJ023 85 规定的使用阶段应力限值 是按不同荷载组合情况分别列出的 即应符合下列规定 荷载组合 荷载组合 或 式中相当于 荷载组合 或 对钢绞线 钢丝 对冷拉粗钢筋 桥规JTJ023 85 中的荷载组合 系指基本可变荷载 平板挂车或履带车除外 的一种或几种与永久荷载的一种或几种与其他可变荷载的一种或几种相组合的情况 桥规JTJ023 在计算预应力混凝土构件使用阶段应力时 将荷载组合 或 作用下的混凝土最大压应力限值提高12 预应力钢筋最大拉应力限值提高10 7 这样处理粗略地反应了多种可变荷载组合作用的影响 桥规JTGD62 给出的使用阶段应力限值 不再区分作用 或荷载 效应组合情况 采用了相同的数值 这一限值相当于 桥规JTJ023 85 荷载组合I的水平 换句话说 在进行预应力混凝土梁使用阶段应力验算时 如何考虑多种可变作用 或荷载 效应组合的影响 在 桥规JTGD62 中没有更明确的规定 这样 势必造成参与组合的可变作用 或荷载 项目越多 计算应力越大 显然以这种多项效应组合的最大应力控制设计是不合理的 笔者建议 在预应力混凝土受弯构件使用阶段应力验算中 引入作用 或荷载 效应组合系数 c 考虑多种可变作用 或荷载 效应组合的影响 作用 或荷载 效应组合系数 c 可参照 公路桥涵设计通用规范 JTGD60 2004给出的承载能力极限状态计算的基本组合中的规定取值 这样 用于使用阶段应力验算时 作用 或荷载 效应组合标准值可表达为下列形式 2 1 式中Sk 使用阶段作用基本组合的效应组合标准值 SGik 第i个永久作用效应的标准值 SQ1k 汽车荷载效应 含汽车冲击力 离心力 的标准值 SQjk 在作用效应组合中 除汽车荷载效应 含汽车冲击力 离心力 外的其他第j个可变作用效应的标准值 c 在作用效应组合中除汽车荷载效应 含汽车冲击力 离心力 外的其他可变作用效应的组合系 当永久作用与汽车荷载和人群荷载 或其他一种可变作用 组合时 人群荷载 或其他一种可变作用 的组合系数取 c 0 8 当除汽车荷载 含汽车冲击力 离心力 外尚有两种其他可变作用参与组合时 其组合系数取 c 0 70 尚有三种可变作用参与组合时 其组合系数取 c 0 60 尚有四种及多于四种的可变作用参与组合时 取 c 0 50 例如 除汽车荷载效应外 只有一种可变作用参与组合 取 c 0 8 除汽车荷载效应外 尚有两种可变作用参与组合 取 c 0 7 除汽车荷载效应外 尚有三种可变作用参与组合 取 c 0 6 应该指出 效应组合系数 c 是承载能力计算的基本组合中 考虑多个可变作用时 对综合作用效应的影响 在保持可靠指标及恒载和汽车荷载分项系数不变的前提下 引入一个小于1 0的组合效应系数 对作用 或荷载 效应标准值作等效折减 这里将其用于使用阶段应力计算的多种可变作用 或荷载 效应组合的处理方法是近似的 三预应力混凝土受弯构件最小配筋率限值 Mud Mcr 的物理意义及计算方法 桥规JTGD62 第9 1 12条规定 预应力混凝土受弯构件最小配筋率应满足下列条件 即规范公式9 1 12 式中为受弯构件正截面抗弯承载力设计值 为受弯构件正截面开裂弯矩值 某人按全预应力混凝土要求设计的预应力混凝土连续梁桥 正截面承载力满足规范要求 使用阶段应力验算结果也都符合规范的规定 但是抗裂弯矩过大 不满足规范第9 1 12条公式 9 1 12 的限制条件 试问 正截面承载力和使用阶段应力验算均已满足规范要求 从理论上讲就可以保证结构的安全工作 在这种情况下 还要限制开裂弯矩有什么实际意义 规范中给出的开裂弯矩计算公式 6 5 26 是针对部分预应力混凝土B类结构提出的 对全预应力混凝土和部分预应力混凝土A类构件不存在开裂问题 是否可以不受规范9 1 12条限制 在实际设计工作中经常出现开裂弯矩大于承载力设计值的反常现象的原因是什么 应如何解决 1 预应力混凝土受弯构件最小配筋率限值 的物理意义 在 桥规JTGD62 编制说明中对受弯构件的最小配筋率的物理意义是这样解释的 受弯构件的受拉钢筋最小配筋率是根据混凝土的开裂弯矩与同尺寸的钢筋混凝土梁所有承担的弯矩相等而确定的 其目的是当混凝土受拉边缘出现裂缝时 梁不致因配筋过少而脆性破坏 公式 9 1 12 对于预应力混凝土最小配筋的要求 其性质与上述钢筋混凝土受弯构件类似 可表达为 混凝土结构设计规范 GB50010 2002对这一问题的解释是规范9 5 3条规定了预应力构件中各类预应力筋的最小配筋率 其基本思路为截面开裂后受力钢筋不致立即失效的原则 目的是为了使构件具有起码的延性性质 避免无预兆的脆性破坏 桥规JTGD62 9 1 12条做强制性条文是必须执行的 全预应力混凝土和部分预应力混凝土A类构件也不能例外 其目的是控制受拉钢筋总量不能过少 以保证梁的塑性破坏性质 2 开裂弯矩计算公式的探讨 桥规JTGD62 第9 1 12条规定 开裂弯矩按规范公式 6 5 2 6 计算 6 5 2 6 6 5 2 7 式中 扣除全部预应力损失后预应力钢筋和普通钢筋合力在构件抗裂验算边缘产生的混凝土预压力 换算截面抗裂验算边缘的弹性抵抗矩 笔者认为对后张法构件而言 此处的应改为净截面抗裂验算边缘的弹性抵抗矩 扣除预应力筋孔道 但应计入普通钢筋影响 因为预加力时孔道尚未灌浆 预加力是作用在净截面上的 把公式 6 5 2 6 开展后可以看出 其中第一项为预加力提供的抗裂能力 只能与预加力作用 或预压应力储备 时的净截面几何性质有关 第二项为混凝土自身抗拉强度提供的抗裂能力只能与混凝土净截面有关 计算结果表明 对全预应力混凝土构件换算截面的几何特征值比净截面的几何特征值大 20 30 这样 如果将规范公式 9 1 12 中的改为 然后再将其与抗弯承载力设计值比较 就有可能满足规范第9 1 1 2条要求 3 是根本不可能出现的计算 幻影 若所加预应力过大 在排除计算上的错误后仍可能出现的反常现象 众所周知 一个配筋适当的预应力混凝土梁从施加预加力至构件的最后破坏要经历 预施应力阶段 从承受使用荷载到构件出现裂缝的整体工作阶段 带裂缝工作阶段和破坏阶段等四个过程 开裂弯矩是按带裂缝工作阶段未期的修正后的三角形应力图计算的 而承载力设计值是按破坏阶段塑性应力图计算的 换句话说 一个正常配筋的预应力混凝土只有先开裂 随着变形的不断发展 才能达到最后的塑性破坏状态 从预应力混凝土梁的破坏机理分析可以判断 计算中出现的预应力混凝土梁 在开裂前梁的变形很小 预应力筋的高抗性能很难发挥作用 一旦构件承担的内力值接近或达到抗弯承载力设计值时 梁会立即发生脆性破坏 这种无任何预兆的脆性破坏是很危险的 设计中是绝对不能采用的 4 解决这一问题的积极办法是适当降低预压应力水平 优先采用混合配筋方案 由于受传统的全预应力设计思想的影响 很多设计者习惯于 从正截面承载力需要出发 即强度条件 选择预应力筋的数量 然后进行抗裂性及使用阶段的应力验算的设计方法 只要抗裂性及使用阶段的应力满足规范要求 不够有多大的富余量 即认为可以保证结构安全工作 例如 桥规JTGD62规定对特大桥和重要大桥在承载力计算中引入了结构重要性系数 11 即将荷载效应组合设计值提高10 这样 按着上述根据强度条件选择预应力筋数量 要比过去增加10 而抗裂性及使用阶段应力验算时 荷载效应组合设计值与以前设计相比并没有增加 这样势必会造成预压应力增加 致使在短期预应组合或使用荷载作用下梁的下缘保持较大的压应力富余量 应该指出 从预应力混凝土的工作性能分析 预压应力储备过大会带来梁体上拱 易出现纵向裂缝等一系列不良后果 预应力混凝土梁的配筋设计应满足不同设计状况下规范规定控制条件要求 例如 承载力 抗裂性 裂缝宽度 变形及应力等 在这些控制条件中最重要的是满足结构在正常使用极限状态下使用功能要求 抗裂性和裂缝宽度 和保证结构对达到承载力极限状态时具有一定的安全储备 在截面尺寸已知的情况下 结构的抗裂性和裂缝宽度主要与预加力的大小有关 而构件的极限承载力则与预应力筋和普通钢筋的总量有关 预应力混凝土梁钢筋数量估算的一般方法是 首先根据结构使用性能要求 即抗裂性和裂缝宽度 确定预应力筋数量 然后再由构件的承载力极限状态要求 确定普通钢筋的数量 换句话说 预应力混凝土梁钢筋数量估算的基本原则是按结构使用性能要求确定预应力筋数量 极限承载力的不足部分由普通钢筋补充 积极倡导混合配筋方案 即使是全预应力混凝土结构也应配置足够的普通钢筋 以增强结构的延性 确保结构的塑性破坏性质 四部分预应力混凝B类构件使用阶段预应力钢筋应力计算 规范JTGD62 7 1 4条给出了允许开裂的B类预应力混凝土受弯构使用阶段应力验算计算公式 使用阶段预应力钢筋的总应力为 4 1 式中 构件受拉区 受压区预应力钢筋合力作用点处 混凝土法向应力为零时预应力钢筋的应力 先张法构件按 规范JTGD62 公式 6 1 5 2 计算 后张法构件按 规范JTGD62 公式 6 1 5 5 计算 在混凝土法向应力为零时预应力钢筋和普通钢筋合力Npo作用下 开裂截面预应力钢筋的应力增量 其数值按 规范JTGD62 公式 7 1 4 3 7 1 4 5 计算 众所周知 对于后张法构件 钢筋控制应力 con是在构件自重作用后测得的 在计算使用阶段预应力钢筋的应力增量时 不应考虑构件自重弯矩MG1k的作用 但是在前面