预应力砼连续箱梁设计与施工介绍.ppt

组合箱梁及变截面预应力砼连续箱梁设计与施工技术报告 2011年5月18日 常用桥梁结构形式 简支预应力混凝土空心板 10 L 20m 先简支后结构连续预应力混凝土宽幅空心板 20 L 30m 先简支后结构连续部分预应力混凝土组合箱梁 20 L 40m 预应力混凝土T I 梁 现浇钢筋混凝土连续箱梁 L 22m 预应力混凝土连续箱梁 20 L 50m 变高度预应力混凝土连续箱梁 50 L 120m 中 下 承式系杆拱 主要材料及设计参数 结构特点及使用条件 组合箱梁图纸基本情况介绍 组合箱梁 施工流程 设计验算内容 组合箱梁的组成 由后张法预制箱梁 边跨边梁 中梁 中跨的边梁 中梁 横向湿接缝混凝土 纵向现浇连续接头段组合而成 为了使桥面平整 预制箱梁顶面设置8cm厚水泥混凝土调平层 厚度与板梁的不同 结构特点 桥梁纵向采用先简支后结构连续的体系 在连续接头段的顶板负弯矩区采用预应力钢束来形成结构连续 每联端部横梁部分与箱梁同时预制 各中间墩顶横梁采用现浇 3 适用条件优点 结构成熟 可以把工厂化预制施工和现浇紧密结合起来 工期短 速度快 造价省 维护方便 连续结构 负弯矩束的存在 避免连续处桥面开裂 受力均匀 行车舒适 目前宿迁地区经济跨径25 30m 根据跨径匹配 适合一般干线公路中小跨径及大跨度桥梁引桥 一 结构特点及适用条件 先简支后连续的施工方案的恒载内力图式 简支状态 简支 现浇连续段 体系转换前状态 四跨连续梁 体系转换后状态 从上图可知当临时支座 二个 转换为一个永久支座时 不管是一期恒载还是二期恒载 其最终的内力计算图式和内力图均同于静态时连续梁的模式和内力 较简支结构 正弯矩大大缩小 一 根据交通部科技项目 预应力混凝土公路桥梁通用设计图成套技术 有关会议的安排 装配式预应力混凝土箱形连续梁通用图 的编制内容如下 1 路基宽度 10m 12m 23m 24 5m 26m 28m 33 5m 34 5m 2 跨径 20m 25m 30m 35m 40m 3 斜交角 0 15 30 4 荷载等级 公路 级 公路 级 5 环境类别 类 二 装配式箱形连续梁标准图的基本情况 图纸组成 二 典型横断面及一般构造图 主要结构尺寸表 上一页下一页 上一页下一页 关于箱梁横坡设计问题本次设计桥面板及箱梁一般构造横坡按2 考虑 在具体工程项目设计当中 横坡变化时可采用下图方法予以处理 但横坡范围限于0 4 如超出范围可采用改变顶板横坡的方式调整 1 30m 35m 40m跨径设计中增设了中横隔板 混凝土数量增加约4 2 预应力钢筋用量 因现行规范在结构抗裂性等方面要求更加严格 所以与旧版本相比 预应力钢筋用量增加7 左右 3 普通钢筋用量 与旧版本相比 新版增加较多 约增加10 25 主要原因是 新规范的极限承载能力验算时需要增设普通钢筋 4 考虑到扁锚压浆问题 我们将原来的负弯矩束扁锚调整为圆锚 与旧版本相比 新版的混凝土 预应力钢筋及普通钢筋用量均有不同程度的增加 造价增加5 10 左右 三 设计假定 1 结构按后张法部分预应力混凝土A类构件设计 桥面现浇层80mmC50混凝土不参与截面组合作用 2 设计计算采用横向分布系数结合平面杆系有限元程序进行结构分析 根据组合箱梁横断面 采用荷载横向分布系数的方法将组合箱梁简化为单片梁进行计算 荷载横向分配系数采用刚性横梁法 刚 铰 接梁法和梁格法计算 取其中大值进行控制设计 采用 桥梁博士 和 Midas 计算软件进行结构分析 验算 四 主要材料及计算参数1 混凝土 预制梁及现浇湿接缝 横梁为C50 桥面现浇层为C50 2 普通钢筋 采用HRB335 3 预应力张拉控制应力值 混凝土强度达到90 时才允许张拉预应力钢束 4 预应力钢筋传力锚固时刻的混凝土龄期为7d 5 环境年平均相对湿度RH 55 6 存梁时间为30 90d 7 活载 公路 级 公路 级 四 主要材料及计算参数8 锚下控制张拉力 0 75fpk 9 锚具变形与钢束回缩值 一端 L 6mm 10 管道摩阻系数 0 25 11 管道偏差系数 0 00151 m 12 钢束松弛系数 0 3 13 地基及基础不均匀沉降 5mm 14 梯度温度 竖向日照正温差的温度基数按100mm沥青铺装层 考虑80mm混凝土桥面现浇层折减后采用 竖向日照反温差为正温差乘以 0 5 五 施工流程 建模顺序 施工流程 建模顺序 1 先预制主梁 待混凝土强度达到设计强度的90 后 且混凝土龄期不小于7d时 张拉正弯矩区预应力钢束 压注水泥浆 清理底板通气孔 2 设置临时支座并安装好永久支座 联端无需设临时支座 逐孔安装主梁 置于临时支座上成为简支状态 3 浇筑连续接头 中横梁及其两侧与顶板负弯矩束同长度范围内的桥面板 待混凝土强度达到设计强度的90 后 且混凝土龄期不小于7d时 张拉顶板负弯矩预应力钢束 并压注水泥浆 4 接头施工完成后 浇筑剩余部分桥面板湿接缝混凝土 应由跨中向支点浇筑 浇筑完成后拆除一联内临时支座 完成体系转换 解除临时支座时 应特别注意严防高温影响橡胶支座质量 从箱梁预制到浇筑完横向湿接缝的时间按三个月 90天 计算 六 设计验算内容根据 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTGD62 2004对主梁各截面进行验算有 A 持久状况承载能力极限状态正截面抗弯承载能力验算 斜截面抗剪承载能力验算 B 持久状况正常使用极限状态抗裂验算 挠度验算 持久状况使用阶段正截面法向应力计算 使用阶段混凝土主压应力 主拉应力计算 受拉区预应力钢筋的最大拉应力验算 C 施工阶段应力验算等 七 施工中常见问题1 湿接缝接头平整度太差 影响外观 2 箱梁底板与腹板交接处发生漏浆 不密实 出现孔洞 冷缝 水波纹等现象 腹板厚度太薄 容易出现 蜂窝 麻面 及振捣不密实等质量缺陷 钢筋规格加大后 增加振捣困难 3 预应力箱梁张拉后反拱度过大 影响桥面系施工 在桥面系施工中 经常发现反拱度偏大 特别是组合箱梁边梁有时反拱度甚至达到4 5cm 导致桥面系施工困难 4 从梁体应力计算来看 最薄弱位置位于支座附近顶底板 已出现裂缝 施工时应做好负弯矩束的张拉和横梁处普通钢筋的对应焊接 减少负弯矩区开裂 预应力筋及普通钢筋设计 结构特点及使用条件 结构设计及计算介绍 变截面连续箱梁 配套施工方案 施工中常见问题 一 结构特点及适用条件1 多孔连续 整体性好 行车舒适 造价适中 2 结构成熟 跨越能力强 其受力状态有利于悬浇施工 3 外形流畅 采用分节段悬浇或拼装 工艺成熟 对桥下交通影响小 4 有一定施工技术难度 施工中需体系转换 五跨以上的连续结构线形和应力要求将更为苛刻 5 梁高高 体量大 抗震能力强 适用于对建筑高度要求宽松 适用于150m 跨度 40m范围的大跨度桥梁 大跨度变截面预应力混凝土连续梁桥的边跨与中跨跨径搭配是否合适直接影响结构受力的合理性 从纯理论角度考虑 边跨与中跨的比值可以控制在0 5 0 8 从国内外已建工程应用情况来看 常规认为控制在0 55 0 65之间更为合理 边跨过大 加大了边跨的主拉应力 往往是产生腹板部位开裂 过小则产生负反力 中跨正弯矩大 配束多 中跨底板合拢时应力大 梁的高跨比在墩顶位置控制在1 16 1 18 跨中位置控制在1 30 1 50为宜 对于大跨度桥梁由于恒载占荷载的主要部分 建议墩顶梁高取用较大值 同时考虑到跨中合龙段施工方便 跨中梁高不宜小于1 5m 小跨径的跨中取用较大值 近年来工程应用趋势为采用大悬臂大箱室断面 悬臂大于4m 单箱宽大于7 5m 对于规范方法 仅仅适合计算不大于2 5m的悬臂板 按平面框架或者双悬臂简支梁来计算此类厚 长 大悬臂 难以准确模拟结构内力及应力分布情况 不能保证结构安全性及耐久性 故对该类结构需进行空间结构模拟及分析 箱宽 7 5m 一般采用单箱单室 大于则采用单箱双室 多箱多室 单箱三室以上采用较少 不但增加施工困难 而且单箱断面采用三室或多于三室对改善荷载横向分布并无多大帮助 经济观点出发 很少采多于双室的断面 腹板受力较为复杂 影响因素很多 加大腹板厚度对截面的正应力 剪应力和主应力均有良好的改善 缺点是不仅增加了恒载的重量 而且导致支座吨位增大 给制造及安装带来困难 故在选择腹板厚度时应慎重考虑 宜取不同的腹板厚度多比较 由于剪力由跨中至墩顶是逐渐增加的 腹板厚度也应作相应的变化 腹板厚度变化不宜过陡 以保证截面应力不产生剧烈变化 箱梁顶板厚度由桥面板受力 穿越顶板的纵 横向预应力波纹管道的孔径 腹板间距所决定 一般不小于25cm 底板厚度 有预应力管道通过 一般不小于25cm 箱梁断面尺寸不应片面追求 优化 不宜过于轻薄 应考虑到施工中一些不可预计因素导致结构断面尺寸程度不等的折减 要保证结构尺寸既能满足结构受力和构造的要求 同时在施工时又容易保证施工质量 公桥规 将极限状态分二类 一类是承载能力极限状态 另一类为正常使用极限状态 跨径大于100m桥梁的主要受力构件不宜进行部分预应力砼设计 预应力砼构件 全预应力混凝土构件部分预应力混凝土构件 A类 B类 辨别条件 预应力度 考虑到常用的平面杆系程序计算与实际的结构受力在诸多方面有偏差 同时在设计施工中还有很多因素是很难精准计算的 在箱梁设计中要求截面计算留有一定的安全储备 对于截面正应力 要求在使用荷载作用下箱梁截面的上 下缘保留1 5 2 5Mpa的压应力 同时应满足强度要求 用以抵抗剪力滞 局部应力 计算图式的假定不完全符合实际情况等因素 施工阶段计算建议适当减小施工阶段控制压应力 拉应力值 小于0 65ftk 减少施工阶段裂缝产生的可能 要避免 施工阶段应力可以控制松 的想法 预应力钢束种类 悬臂 3m 一般采用两向预应力体系 悬臂 3m 采用三向预应力体系预应力可分为五类 顶板束 正弯矩束 腹板束 正弯矩束 底板束 负弯矩束 竖向预应力 主拉应力 顶板横向预应力束 纵向预应力钢束布置原则 纵向预应力设计要求考虑到截面的受力特征 钢束在纵 横桥向的布置不要过于迁就施工的方便 要着眼于满足结构受力 为了使预应力能尽快的传递到箱梁全断面上 应将顶板 底板钢束尽可能靠近箱梁腹板布置 同时可采用竖弯和平弯相结合的空间曲线 以减少预应力损失 底板钢束靠近腹板布置还可以使其预应力径向分力影响大部分传递至腹板 从而大大的减少对底板的影响 纵向预应力钢束布置原则 在边跨梁端应采用弯起钢束以抵抗竖向反力 在预应力转角处应加大曲线半径 减小平弯角度 方便施工 长钢束布置在上 短钢束布置在下 可有效的发挥预应力作用 波纹管道布置时应上 下层竖向对齐 有利于混凝土的浇筑密实 从近几年工程实践来看 采用纵向直线钢束加竖向预应力设计的桥梁出现的问题较多 其中一个重要的原因是竖向预应力施工不可控制因素影响较大 故我们一般采用纵向下弯钢束设计 使预应力提供的抗剪能力沿纵桥向连续分布 束数问题 过大 易造成穿束困难 张拉困难 局部应力大 产生问题较多 且压浆难 不饱满 过小 孔数较多 截面削弱较大 施工过程中可分批张拉 分批压灌孔道砂浆 待第一批孔道砂浆达到一定强度后再张拉第二批预应力 纵向预应力安装管道直线段定位间距为50cm 60cm 曲线段定位间距为25cm 30cm 预应力波纹管的定位钢筋 作为顶板顶层钢筋的支承钢筋 竖向预应力问题竖向预应力对箱梁的斜截面强度贡献非常大 能显著的减少或者消除主拉应力 但由于预应力粗钢筋长度较短 张拉时预应力损失大 施工中各种各样的因素导致压浆后竖向预应力损失偏大甚至完全失效 往往导致腹板斜向裂缝的大量产生 因此在计算竖向预应力时一般打5 6折 并要求施工单位采取二次张拉 以减少预应力损失又可以避免漏张拉现象 竖向预应力问题设计时 主拉应力一般控制在1 0Mpa以内 竖向预应力布置间距一般为50 100cm 要求对称于腹板中心布置 尽量避免偏心现象 比较稳妥的方法是不过分依赖竖向预应力 采用纵向钢束下弯和竖向预应力相结合的原则 竖向预应力安装竖向预应力采用厂家的全套定型产品 张拉端为球面支承 螺帽上预留3个出浆槽口 下端设置压浆管 相邻两根做成u型 安装示意图如下 箱梁横向计算箱梁横向计算时应考虑到底板钢束的径向力的影响 其影响有两个 一是增加了箱梁底板横向弯距 往往导致箱梁底板横向普通钢筋配置不足 底板沿纵向局部开裂 二是导致箱梁底板混凝土容易产生劈裂现象 底板沿纵向局部开裂为避免箱梁底板受弯开裂 可适当增加底板横向普通钢筋配置密度 包括钢筋整体密度加大和局部密度加大 同时如有必要可增设底板横向预应力 底板劈裂可采取以下方法 1 加大混凝土保护层厚度 增加承力面积 2 设置足够的平衡钢筋 并要求与底板上 下层钢筋网及定位钢筋形成一个受力整体 以便把径向力传递到上层钢筋网及整个底板断面 整顿前 整顿后 3 纵向底板钢束波纹管道保持适当的净距 7 8cm 保证管道之间的混凝土浇筑质量 4 建议减少单个波纹管道内的钢束的数量 适当分散布置 即对大吨位的钢束慎重使用 从计算结果来看 中跨合拢时是连续梁施工过程中最危险的一个危险期 整个底板均处于很高压应力状态下 施工中应引起特别注意 合拢时可分批张拉 分批压灌孔道砂浆 待第一批孔道砂浆达到一定强度后再张拉第二批预应力 适当拉大张拉时间 以利应力扩散 传递 跨中位置箱梁节段梁高最矮 刚度最小 通过的底板钢束最多 故底板钢束的径向力效应影响最大 我们一般在跨中增设横隔板 以增强跨中处箱梁的局部刚度 普通钢筋的配置 特别是腹板闭口箍筋对构件的抗剪 斜截面强度和主拉应力的作用非常大 施工中经常见到波纹管道与普通钢筋尤其是箍筋打架的问题 导致箍筋大量被割断 虽部分恢复后其发挥的效应已减弱 所以在施工中应特别注意箍筋与纵向预应力波纹管道的避让问题 对于大跨度变截面预应力混凝土连续梁桥 建成后若干年跨中挠度仍处于发展中 主要原因 混凝土的收缩徐变龄期 应力为有效的控制挠度 在新建桥梁的设计中提出以下建议 一 提高混凝土加载龄期 不小于7天 做到混凝土弹性模量和强度同步增长 减少加载后难于预计的变形 二 适当的加大梁高 增加桥梁刚度 减小抛物线次数 1 5次 1 8次 加大混凝土含筋 钢 量 以限制收缩徐变的影响 三 在箱梁内增设部分备用钢束 待运营数年 收缩徐变大部分发生后补张拉 四 采用体内预应力与体外预应力相结合的布束原则 体外钢束可检查可更换 无须灌浆 避免了体内钢束灌浆不密实现象而削弱了体内预应力钢束的作用 还可以根据情况补张拉 五 将跨中合龙段附近的箱梁截面上 下缘应力差值控制在较小的范围内 减小偏压的影响 采用较高的预拱度 六 预拱度 荷载短期效应组合计算的 长期挠度 预加力的 长期反拱值 目前的理论难于准确计算 应适当加大跨中预拱度 以充分抵消箱梁的后期下挠 首先应强调施工人员对工程的责任心 某高速公路中等跨度变截面预应力混凝土连续梁桥 因种种原因 运营不到10年拆除 运营期间已经加固维修过 箱梁横断面锯开后发现 有1 3纵向波纹管道压浆密实 1 3管道压浆半密实 剩余1 3管道基本没有压浆 灌浆质量得不到保证 首先是钢束的锈蚀现象严重 其次是预应力实际发挥的效用和理论计算值的偏差难以评估 直接后果往往是导致桥梁刚度不足 梁体下挠 开裂现象严重 波纹管灌浆不密实的原因有多方面 1 首先是施工中重视不够 同时也难以检查 2 其次是所选用的波纹管本身尺寸不合理 对于横桥向扁管 施工单位普遍反映很难保证灌浆密实 究其原因是扁管高度偏小 很多设计为19mm高 钢束直径为15 24mm 侧面缝隙不足2 0mm 考虑到扁管刚度较圆管偏小 易破漏 同时位于顶板位置易受到蹬踏变形 实际往往是处于半压扁状态 相关