预应力连续梁的特点及构造.ppt

预应力连续梁的特点及构造 学习项目6 1 学习目标 一 理解预应力连续梁的受力特点 二 掌握预应力连续箱梁的构造 一 预应力混凝土连续梁桥的特点 1 优点连续梁由于支点负弯矩的卸载作用 跨中正弯矩大大减小 使得弯矩图面积减小 因为连续梁的设计是以截面上最大正 负弯矩的绝对值之和即弯矩变化幅值作为标准 跨越能力增大 连续梁为超静定结构 温度变化 混凝土收缩徐变 地基不均匀沉降影响显著 对地基要求高 连续梁结构刚度大 变形小 动力性能好 主梁变形挠曲线平缓 有利于高速行车 因连续梁同时存在正 负弯矩区段 截面通常采用上下对称的箱型截面 预应力简支梁当跨径超过40 60m时 跨中恒载弯矩和活载弯矩将会迅速增大 致使梁的截面尺寸和自重显著增加 不但耗材料 且给施工带来困难 而预应力连续梁 由于支点负弯矩的存在 使跨中正弯矩值显著减小 其内力分布比同跨度简支梁更合理 当预应力连续梁跨径较大时 梁体过重不易预制架设施工 多采用现浇施工 工期较长 费用较高 通过变化连续梁相邻跨长的比值 或加大支点附近的梁高而做成变高梁时 可调整各控制截面的弯矩变化幅值 降低跨中的正弯矩 使得预应力筋大部分布置在梁的顶部 便于张拉 变高梁虽然会增大中间支点处的负弯矩 但梁的高度增加了 并不引起钢筋用量的增加 同时加大支点附近梁高 还能适应抵抗支点处很大剪力的要求 连续梁预应力钢筋的合理布置 有利于纵向顶推 悬臂法等施工方法的实现 促进了预应力混凝土梁桥施工的发展 立面上 连续梁在中间桥墩处只有一个支座 在竖直荷载作用下桥墩只受轴向的压力 故除制动墩外 其他桥墩及其基础的尺寸可做得小些 2 主要缺点预应力钢筋的布置难于发挥预加力的优点 因在梁的大部分截面内存在正 负弯矩 使得预应力钢筋合力的偏心靠近截面中性轴 从而降低了预加力的作用 且影响了梁的极限强度 梁在偏心的纵向预压力作用下 产生弯曲变形 如变形受到约束 在支承处则产生附加反力 从而降低预应力作用 超静定的连续梁结构的设计工作复杂 张拉程序 施工方法以及材料性能等对其应力状态有很大影响 较难精确计算 二 预应力混凝土连续梁桥的总体布置 1 平面布置桥梁的平面造型取决于线路的方向与河道或立交线路的方向 并受桥址地形和地物的制约 通常有正交 斜交 单向曲线和反向曲线桥梁等平面布置 正交桥最为常见 墩台位置与主梁中线垂直 构造也最简单 连续梁由若干跨组成一联 桥梁可由一联或多联组成 常见的连续梁桥每联由3 7跨组成 随着科学技术的发展 连续梁桥一联的跨数和长度都有了增加 如钱塘江二桥为18跨一联 中跨跨径80m 全长1340m 2 立面布置 预应力混凝土连续梁桥的立面布置要考虑桥孔分跨 主梁高度和梁底曲线形状等因素 按桥跨相互关系分为 等跨 a 和不等跨连续梁 b 按梁高变化分为 等高度 ad 和变高度连续梁 bc 按下部结构的支承形式分为 普通的单式桥墩 ab V形桥墩 e 和双薄壁柱式桥墩 f 按主梁梁身的构造分为 实腹式主梁 abcef 和空腹式的桁架结构 d 按主梁与下部结构的关系分为 墩梁分离连续梁和墩粱固接的连续T构桥 1 桥孔分跨 连续梁每联内主梁在各墩台顶连续通过 各支点纵向只设一排支座 墩顶纵向设两排支座 两联之间的主梁断开 等跨的连续梁结构简单 适于采用顶推法 移动模架法简支转连续法施工 但等跨布置将使边跨内力控制全桥设计 不经济 等跨的跨径大小主要取决于经济分孔和施工设备条件 为减小等跨布置时跨中的正弯矩 可设为不等跨形式 当跨数不多时 采用奇数跨 以3跨或5跨较常见 对3跨连续粱 边跨与中跨跨径之比一般为0 5 0 7 对预应力连续梁宜取偏小值 以增加边跨刚度 减少活载弯矩的变化幅度 从而减少预应力筋的数量 当边跨长度过短 比值小于0 3 此时边跨桥台支座将会出现负反力 在桥台上需设拉力支座或平衡压重 连续梁如采用悬臂法施工 考虑到一部分边跨采用悬臂施工外 剩余的一部分边跨须在支架上施工 为减少支架及现浇段长度 边跨长度以不超过中跨长度的0 65倍为宜 2 梁高及梁底曲线 变截面梁的变化规律可采用圆弧线 二次抛物线或折线等 最常用的是二次抛物线 因其变化规律与连续梁的弯矩变化规律基本相近 预应力混凝土连续梁桥除在梁高上选用变截面外 对箱形截面也可将截面底板 顶板和腹板做成变厚度 以满足梁内各截面的不同受力要求 变截面梁高与最大跨径之比 跨中截面可取1 30 1 50 支点截面可取1 15 1 20 边跨与中跨跨径之比可取0 5 0 7 三 预应力连续梁构造 1 主梁横截面高速铁路预应力连续梁横截面多采用箱形截面 箱形截面整体性好 抗扭刚度大 具有良好的静力和动力稳定性 同时箱形截面的顶板和底板具有较大的面积 能有效抵抗正负弯矩 满足配筋要求 因预应力混凝土连续梁多采用现浇施工 为施工方便 其箱形截面多采用单箱单室截面形式 箱梁顶板一般采用等厚度 腹板一般采用变厚度 支点处需加厚 靠近支点处受主拉应力控制 需加厚 底板一般采用变厚度 支点处需加厚 支点主要受纵向压应力控制 需加厚 箱梁腹板分为直腹板和斜腹板两种形式 2 横隔板 横隔板按位置分为端横隔板和中横隔板 一般端横隔板必须设 顶梁时作用在端横隔板处 还需在支点处设置横隔板 其作用是约束箱梁的畸变变形 扭转变形及承受和传递支反力 箱梁内的横隔板通常采用板式结构 为满足施工 维修和通风要求 在横隔板上设置过人洞 3 预应力筋构造 箱梁的预应力筋布置分分纵向 横向和竖向三向预应力体系 其中纵向预应力筋称为主筋 纵向和横向预应力筋常用钢绞线和高强碳素钢丝 竖向预应力筋主要采用冷拉高强粗钢筋 高强碳素钢丝目前主要采用镦头锚锚固形式 由于锚具应力损失小 接长方便 常用于顶推法施工 此时纵向预应力筋往往需接长 常用连接器进行接长 纵向预应力钢绞线主要采用7 5钢绞线 标准强度1860MPa 直径15 24mm 可采用单根钢绞线和由多根钢绞线组成一束 成束布置时采用群锚锚固体系 常用锚具类型有OVM QM XM等 OVM型锚具是在QM型锚具基础上改进而成的 采用钢绞线张拉时以OVM型锚具最为方便可靠 采用高强碳素钢丝时则XM型锚具较为适宜 钢束一般采用两端张拉 所以要求主桥边跨底板钢束张拉完毕之后方可进行相邻引桥跨的施工 每个OVM锚固单元由OVM锚具 钢绞线或钢丝束 金属管构成 OVM锚具分为张拉端锚具和固定端锚具 固定端锚具是埋入混凝土中不用于张拉的锚具 具有P型 H型 固定端P型锚具包括一块中间钻有孔的平板 钢绞线穿过板孔 在钢绞线末端挤压一挤压套 加上限位约束圈和螺旋箍筋 便构成P型锚具 它可以适用于需将预应力传递至梁端的结构 1 纵向预应力筋的类型 连续梁采用节段法施工时 结构体系和结构内力随施工阶段不同而变化 纵向力筋配置须针对具体阶段内力的需要 进行张拉或拆除 有些在施工阶段张拉的力筋 在使用荷载作用下将产生不利作用 此类力筋在成桥阶段应予以拆除 称为临时束 临时束布置成短束 不使用连接器接长 也不压浆 将其锚固在齿板上 使锚头暴露在梁体外 多数力筋张拉后 不再拆除 成为永久束 此类力筋既抵抗施工阶段的弯矩 又抵抗运营阶段的弯矩 另一类力筋是施工阶段不需要 但运营阶段需要 如悬臂法施工连续梁的底板力筋 此类束在合拢成桥后张拉 称为后期束 一般锚固在齿板上 箱梁齿板 齿板内预应力筋张拉示意图 还有一种预应力筋的布置形式是体外布筋 体外筋又分为永久型和装拆型 前者是将力筋设置在主梁截面以外的管道内 利用横隔梁 转向块等结构物对梁施加预应力 这种体外筋不消弱主梁截面 不需预留孔道 预制节段的拼装可采用干缝接合 施工方便 迅速和便于更换 有些预应力钢筋只是在施工的某一阶段需要 装拆型体外力筋就是指在施工过程中为了满足施工荷载的要求 在主梁截面以外设预应力筋 施工完再去掉这些预应力筋 因为它们可能对桥的使用阶段是不利的 2 纵向预应力筋的布置 纵向预应力筋的布置不仅与结构形式有关 还取决于施工和运营阶段的内力分布 常用布筋方式有连续配筋和分段配筋 由连续梁的弯矩沿梁长变化的情况 连续梁跨中部分的钢筋要放置在梁的下翼缘内 中间支承附近的钢筋则应安设在梁的上翼缘内 无论哪种布筋方式 都要体现这个思想 1 连续配筋连续配筋的优点 在于其力筋的锚固与张拉都比较简单 而且锚头数目少 连续配筋可采用直线布置或曲线布置 要视梁的立面形状和荷载情况而定 当采用满布支架现浇法施工时 不存在施工内力变化问题 可直接根据成桥内力采用连续配筋 对等截面连续粱 可采用连续曲线配筋 但当梁的跨度较大时 因弯道多 预应力损失大 穿束施工难道大 故连续曲线配筋较合适的桥长 100m 连续直线布筋的连续梁要达到使跨中下翼缘内有预应力筋 而支点附近上翼缘内有预应力筋 可以通过使梁高变化的方法 图a 而等高度梁要达到这个目的 只能让力筋具有波浪形 以适应荷载内力的变化 图b 为了充分发挥预应力筋的作用 实际上变高度梁的预应力钢筋也是曲线布置的 图c 图d则根据连续梁受力特点 采用分段直线配筋方式 对于变高连续粱 因截面重心线是曲线形的 预应力筋可采用连续直线配筋 就可得到偏心距 2 分段配筋 分段配筋是节段法如顶推施工和简支变连续法施工的连续梁最常用的配筋方式 分段配筋的缺点是力筋的锚头数量多 张拉受到箱内净空限制 正弯矩力筋分散锚固于翼缘板或腹板凸出的锯齿板上 节段法施工中 永久束分为直束和弯束 直束布置在截面的上 下翼缘 弯束平弯布置在腹板宽度范围内 在抗弯不需要时 起弯锚固于腹板中 以满足抗剪需要 图示为用悬臂法施工的连续梁的弯束布置图 通过支承处的钢筋分段向下弯至腹板内 并锚固于各段的接缝处 跨中部分的钢筋 从反弯点处梁的顶部开始向下弯曲到跨中的底部 等接缝混凝土浇筑并达到设计强度后 在桥面板上进行张拉 并锚固于梁的顶部 简支变连续施工时 可采用的配筋方式有 待墩顶接缝混凝土达到张拉强度后 用设置在接缝的局部预应力筋建立结构的连续性 当采用移动模架逐孔顺序浇筑混凝土 张拉力筋 在接缝处用连接器把已张拉的钢筋和尚未张拉的钢筋连接起来 也可采用在支点顶部设置非预应力筋 现浇接缝混凝土形成连续结构 顶推法施工 在顶推阶段和使用阶段梁的受力状况差异较大 根据这两个不同的受力阶段 预应力钢筋一般相应分为 用以承受在顶推阶段的悬臂负弯矩和跨间正弯矩的前期张拉钢筋 布置在截面上下缘的直线筋 用以满足使用阶段的要求而补充设置的后期张拉钢筋 布置在跨中底部和支点顶部的增加局部直筋 分段顶推施工是逐段预制 逐段顶推的 前期预应力筋也得分段张拉 采用连接器接长 接长长度一般采用两个梁段 间隔排列 以减少连接器数量和改善主梁受力 简化施工 如果截面的底板较薄 那么还必须在连接器处予以加厚 后期筋分为直筋和弯筋 直筋配置在支点截面的顶部和跨中截面的底部 弯筋设置在腹板内 腹板中起初只设置预应力筋的管道 当桥梁达到最终位置时 才穿束张拉 锚固在离支点截面的1 3跨径附近的腹板内侧的竖向锯齿板上 3 纵向预应力筋在箱梁截面上的布置原则 1 为避免梁体产生横向弯曲 力筋在截面上应对称布置 2 弯束尽量布置在腹板及梗肋内 尽量减少或避免平弯 以简化构造和减小预应力损失 3 顶 底板力筋应适当集中在腹板及梗肋等混凝土较厚的位置 而不宜采用均匀分散布置方式 可避免产生纵向裂缝 4 若因力筋数量较多而不得不在板的中部布筋时 应尽量避开横向正弯矩较大区域或改用小型号的预应力筋 5 力筋较多时 可分层布置 先锚固或弯起靠近腹板中部的力筋 6 当横截面的悬臂较大或箱梁腹板间距较大时 荷载作用下 截面横向受力较大 在箱梁顶板内布置横向预应力筋 竖向预应力筋的作用是抗剪 常采用粗钢筋 布置在腹板中 4 横向和竖向力筋的布置 当横截面的悬臂宽度较大或箱梁腹板间距较大时 在荷载作用下 截面横向受力较大 为了控制横向不开裂或裂缝宽度在容许范围内 此时可对行车道板施加横向预应力 其布置方式和数量应根据具体受力要求由计算确定 如采用横向曲线筋布置 当为双向或三向预应力结构时 应特别注意处理好各力筋之间的空间位置关系 必要时 可采用无粘接力筋 以简化构造 工艺 方便布置 竖向预应力筋的作用是抗剪 通常采用粗钢筋 布置在腹板中 其间距由计算确定 一般在0 3 1 0之间 4 合拢段构造 采取悬臂法建造连续体系桥梁存在合拢问题 合拢段是指各T构完成后 两相邻悬臂之间梁端的连接段 合拢段施工实现结构体系转换 是悬臂法施工技术的一道非常关键的工序 因为合拢段混凝土从浇筑到达到设计强度 直至张拉预应力筋 需要一定的时间 在此期间内 由于温差变化 新浇混凝土的早期收缩 已成梁段混凝土产生的收缩和徐变 结构体系的变化 施工荷载及外力变化等原因 在结构中要产生变形和内力 这对尚未达到强度的合拢段混凝土质量有直接影响 为保证工程质量 从合拢段混凝土开始浇筑到混凝土达到设计强度并张拉跨中段预应力筋前 既要保证新浇混凝土不承受任何外力 又要使合拢段所连接的梁体在各种因素影响下变形协调 设计和施工都必须采取相应措施 具体如下 1 在满足施工需要的前提下 尽量缩短合拢段长度 以减小现浇混凝土数量 合拢段长度一般取1 4 2 0m 2 锁定支撑 在合拢段采用设置临时劲性支撑和临时预应力束 以 锁定 左右T构 使合拢段两端形成能承受一定弯矩 剪力和轴力的刚节点 保证合拢前 后结构变形协调 防止由于温度等各种因素影响在合拢尚未完成前就产生变形 锁定 的结构措施很多 如采用劲型钢临时锁定 合拢时的临时劲性支撑 3 合拢顺序应与设计一致 使得体系转换产生的二次内力与设计相符 4 为避免新浇混凝土早期受到较大的拉力 合拢段的混凝土浇筑时间 往往选择在当天气温最低时刻 5 为了顺利合拢 使成桥内力与设计相符 还应就混凝土配合比 预应力筋张拉 结构变位控制等采取必要的措施 五 其他常用连续梁桥构造特点 1 桁架连续梁桥桁架连续梁有等高和变高连续粱 腹杆体系有双斜杆 单斜杆和三角式等 与实腹式连续梁相比 桁架式连续梁的特点是 重量轻 节省材料 刚度大 跨越能力强 但构造和施工复杂 桁架连续梁常用的施工方法有满布支架法和悬臂预制拼装法 主桁是桁梁桥的主要承重结构 将列车竖向荷载传给支座 主桁由上弦 下弦和腹杆组成 腹杆有斜杆和竖杆之分 竖杆视其受拉或受压分为挂杆与立柱 一般对受拉杆件施加预应力 前苏联伏尔加河上的预应力混凝土桁架连续梁桥 主跨为 106 3 166 106 m 采用变高形式 墩顶桁高18m 采用两片桁架 间距4m 主桁标准节间距11 4m 桁架腹杆为三角形体系 2 V形支撑连续梁桥 V形墩连续粱桥具有连续梁桥和斜腿刚架的受力特点 由于斜腿减小了主梁的建筑跨度 梁的弯矩峰值明显降低 使梁的建筑高度减小 采用V形墩便于悬臂浇筑时临时支架的布置 并可一次拼成两个单独的挂篮 避免了挂篮的解体 悬臂浇筑时 施工中有两个支点 具有较大的抗弯能力并能承担施工弯矩 V形斜撑与水平的夹角通常取大于40 的角 斜撑的截面形式可采用矩形 工字形和箱形 V形墩的支座可布置在V形斜撑的顶部或底部 支座布置在斜撑的顶部时 斜撑是桥墩的一部分 支座布置在底部或采用斜撑与承台刚接而不设支座时 斜撑与主梁固结 斜撑成为上部结构的组成部分 采用V形墩 梁部结构和下部结构工程量都较省 结构形式轻巧美观 但斜腿施工复杂 南盘江大桥采用了V形支撑 主跨为 54 2 90 54 m部分预应力混凝土连续粱 V形支撑斜腿为实心矩形钢筋混凝土构件 V形斜撑与主粱固结 支座设在斜撑底部 斜腿范围24m 与水平夹角为60 3 双柱式桥墩连续梁桥 双壁墩连续梁是在跨中墩位上设置两个墩柱与主梁刚接的结构体系 兼有连续刚构 V形墩连续梁和连续梁的受力特点 与V形墩相比 结构构造简单 施工方便 双壁式桥墩同连续刚构体系一样 梁部的纵向变形依靠墩身的柔性来完成 但双壁式桥墩的每一肢截面积较小 纵向抗推刚度小 而双肢截面总的抗弯刚度较大 是柔性墩的一种很好形式 适用于桥墩较高的场合 双壁式桥墩墩身截面可采用实体矩形 箱形 工字形截面等 为满足强度 柔性和稳定性要求 双壁式墩顺桥向宽度一般取 0 2 0 3 h支 当墩高增加时 可在墩中适当增加横撑 以改善墩身的稳定性 4 连续刚构桥 连续刚构桥是指部分墩梁固结的连续体系梁桥 在边墩及部分中间墩上设置支座 利用主墩的柔性来适应桥梁的纵向变形 包括纵向水平力 混凝土收缩和徐变 温度等引起的变形 所以在大跨高墩中比较适合 若桥墩不高 选用此形式不合适 当桥位地形高差较大 则边墩因高度减小而刚度增大 对纵向变形的约束增强 可采用在边墩上设支座或设铰的方式来改善边墩的约束 连续刚构桥采用墩梁固结 减少了大吨位支座和支座养护工作量 可不设专用制动墩 制动力按刚度分配给各桥墩分摊 同时也方便采用悬臂法施工 取消了连续梁在体系转换时所采取的临时固结措施 为满足抗震 变形 温度等要求 桥墩刚度不宜太大 可做成柔性墩 在受力方面 上部结构仍为连续梁特点 但必须计入桥墩受力及混凝土收缩 徐变 温度变化引起的弹塑性变形对上部结构内力的影响 桥墩因需有一定柔度 所受弯矩有所减少 而在墩梁结合处仍有刚架性质 南昆线清水河大桥 主跨为 72 128 72 m 支点梁高8 8m 跨中梁高4 4m 中间的刚构墩采用矩形空心截面 两高墩分别为86m和100m 六 连续梁施工方法简介 预应力连续箱梁桥施工方法多种多样 一般常用的方法有 装配变整体施工法 有支架现浇法 悬臂施工法 顶推法 移动模架逐孔制梁法等 1 装配变整体施工法装配变整体施工法又称简支变连续施工法 施工时按起吊安装能力将连续梁分段预制 然后用各种安装方法将预制构件安装至墩台上 再现浇接头混凝土 最后通过张拉部分预应力筋使梁体连接成连续梁 这种施工方法一般采用等高度梁 施工过程中存在体系转换问题 预制构件按简支梁配筋 安装时支承在墩顶两侧的临时支座上 待浇筑接头混凝土并达到规定强度后就张拉承受墩顶负弯矩的顶应力筋并锚固好 最后拆除临时支座 安上永久支座 使结构转换成连续体系 此法适用的最大跨径为40 50m左右 简支变连续施工法 2 有支架现浇法 有支架现浇法可分为固定式支架现浇和可移动式支架现浇 固定式支架现浇一般采用钢支架或钢木混合支架 此法主要特点是桥梁的整体性好 施工简便可靠 对机具和起重能力要求不高 施工中不存在结构体系转换问题 但是需要大量的施工脚手架且施工工期长 固定式支架现浇施工需在一联各跨内均搭设支架 按照一定的程序一次完成灌筑工作 待张拉预应力筋 压浆后落架拆除支架周转使用 箱梁连续梁施工时常分段进行 一种方法是水平分层施工 即先灌筑底板 待达到一定强度后进行腹板施工 最后灌筑顶板 若工程量较大 各部位也可分数次灌筑 另一种是分段施工法 根据施工能力 每隔20 45m设置连接缝 此连接缝一般设在弯矩较小的区段内 接缝的宽度约长1m 待各段混凝土灌筑完成后 最后在接缝处施工合拢 对于中小跨径连续梁桥或建造在陆地上的桥跨结构 当地基具有一定的承载力且桥梁离地面不是太高时 可以采用移动支架法施工 此法即逐孔架设支架逐孔浇筑混凝土 当对已浇筑完成的一孔梁预施应力后 将模板连同支架一起落下并移到下一孔 移动支架可采用落地式或梁式移动支架 梁式支架的承重梁支承在锚固于桥墩的横梁上 也可支承在已施工完成的梁体上 现浇施工的接头最好设在弯矩较小的部位 常取离桥墩L 5处 移动支架法与固定支架法施工有所不同 移动支架法仅在一孔跨内设置支架 待一孔施工完成后 沿桥梁纵向移动支架进行下一孔的施工 固定支架法是在连续梁的一联桥跨上满布支架连续施工 因此移动支架法施工所需支架的数量相对要少很多 且周转次数多 利用率高 施工速度快 但在施工过程中存在结构体系转换问题 移动支架逐孔现浇施工 3 悬臂施工法 悬臂施工法属于节段施工法 施工时从桥墩开始 两侧对称进行现浇梁段或将预制节段对称进行拼装 前者称悬臂浇筑施工 后者为悬臂拼装施工 节段法施工的主要特点是 梁体分节段施工 桥梁经若干施工过程后 形成设计的结构体系 在施工过程中往往存在结构体系转换问题 如预应力混凝土连续梁是由简支梁 悬臂梁或少跨连续梁经过体系转换而形成最终的多跨连续梁 悬臂施工法可不用或少用落地支架 无须大型起重及运输机具 施工不影响通航或桥下交通 从受力方面 悬臂施工宜在成桥运营阶段的受力与施工阶段的受力状态比较接近的桥梁中选用 如连续刚构桥 变截面连续梁和斜拉桥等 对于非墩梁固结的预应力混凝土梁桥 采用悬臂施工时应采取措施 使墩梁临时固结 待合拢后再恢复到原结构状态 因而在施工过程中有结构体系转换问题 4 顶推法 顶推法的施工原理 沿桥的纵轴方向的桥台后面 不方便时可另设场地 分节段预制混凝土梁身 并用纵向预应力筋连成整