同济大学 混凝土桥 预应力钢束设计

1、混凝土桥混凝土桥(III)课程设计课程设计1实用精品课件PPT内容介绍内容介绍 准备知识准备知识 预应力钢束面积估算预应力钢束面积估算 预应力钢束布置预应力钢束布置 束界校核束界校核第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计2实用精品课件PPT零零. 准备知识准备知识第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计3实用精品课件PPT第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计本设计采用的规范本设计采用的规范（2004年年10月月1日起实施）日起实施） ：公路桥涵设计通用规范公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）（本课）（本课程中简称程中简称桥规桥规）公路钢筋混凝土及预应力混凝土

2、桥涵设计规范公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）（本课程中简称）（本课程中简称公预规公预规）1. 设计规范设计规范已废止的规范已废止的规范（2004年年10月月1日起废止）：日起废止）：公路桥涵设计通用规范公路桥涵设计通用规范（JTJ021-89）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTJ023-85）4实用精品课件PPT第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计2. 两类极限状态两类极限状态( (桥规桥规1.0.71.0.7条）条）承载能力极限状态承载能力极限状态：对应于桥涵结构或其构件达到最：对应于桥涵结构或

3、其构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态。大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态。控制截面达到极限承载力或极限变形控制截面达到极限承载力或极限变形刚体稳定性刚体稳定性结构转变为机动体系结构转变为机动体系结构或构件丧失稳定性结构或构件丧失稳定性重复荷载作用下的疲劳重复荷载作用下的疲劳正常使用极限状态正常使用极限状态：对应于桥涵结构或其构件达到正：对应于桥涵结构或其构件达到正常使用或耐久性的某项限值的状态。常使用或耐久性的某项限值的状态。裂缝、变形、振动裂缝、变形、振动5实用精品课件PPT第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计3. 三种设计状况三种设计状况（桥

4、规（桥规1.0.81.0.8条）条）持久状况持久状况：一般指桥梁的使用阶段。桥涵建成后承受：一般指桥梁的使用阶段。桥涵建成后承受自重、汽车荷载等持续时间很长的状况，应进行承载自重、汽车荷载等持续时间很长的状况，应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。能力极限状态和正常使用极限状态设计。短暂状况短暂状况：一般指桥梁的施工阶段。桥涵施工过程中：一般指桥梁的施工阶段。桥涵施工过程中承受临时性作用的状况，仅作承载能力极限状态设计，承受临时性作用的状况，仅作承载能力极限状态设计，必要时才作正常使用极限状态设计。必要时才作正常使用极限状态设计。偶然状况偶然状况：桥梁可能遇到的罕遇状况，如地震等。在：

5、桥梁可能遇到的罕遇状况，如地震等。在桥涵使用过程中可能偶然出现的状况，仅作承载能力桥涵使用过程中可能偶然出现的状况，仅作承载能力极限状态设计。极限状态设计。6实用精品课件PPT第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计4.承载能力极限状态计算承载能力极限状态计算（公预规（公预规5.1.55.1.5条）条）7实用精品课件PPT第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计5. 设计安全等级设计安全等级安全等级安全等级(桥规桥规1.0.9条条) ：按持久状况承载能力极限状态：按持久状况承载能力极限状态设计时，公路桥涵结构的设计安全等级，应根据结构破设计时，公路桥涵结构的设计安全等级，应根据结构

6、破坏可能产生的严重程度划分为三个设计等级（特大桥、坏可能产生的严重程度划分为三个设计等级（特大桥、重要大桥；大桥、中桥、重要小桥；小桥、涵洞）。重要大桥；大桥、中桥、重要小桥；小桥、涵洞）。二级二级桥涵分类桥涵分类(桥规桥规1.0.11条条)8实用精品课件PPT一一. 预应力钢束面积估算预应力钢束面积估算第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计9实用精品课件PPT按最不利构件设计 装配式桥梁：一般是边梁或次边梁第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计按最不利截面，最大组合弯矩值 简支梁: 跨中截面按控制计算的要求 简支梁: 正截面承载力，抗裂性及应力要求10实用精品课件PPT1.

7、按正截面承载力要求估算按正截面承载力要求估算属承载能力极限状态第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计0dMcdfxcypdpfA0hhpapAcA基本假定：基本假定： （公预规（公预规5.1.4条）条） 在极限状态：受压砼应力图简化为矩形，达到抗压强度设计值在极限状态：受压砼应力图简化为矩形，达到抗压强度设计值 受拉砼强度不予考虑，钢筋达到抗拉强度设计值受拉砼强度不予考虑，钢筋达到抗拉强度设计值 11实用精品课件PPT 基本方程（公预规5.2.2条）：第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计砼受压区面积cA式中结构重要性系数000()dcdccMf A hy0X pdpcdcfA

8、f A0pM00()dpdpcMfA hy0cM 砼受压区面积形心至上缘距离cy12实用精品课件PPT由 解出截面受压区高度 ，再由 解得 预应力钢束设计方法：第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计精确方法0pMx0X pA近似方法由 得0cM 00()dppdcMAfhy式中力臂 可由经验值估算:0czhy(0.750.77)zh对于带下马蹄T梁 13实用精品课件PPT一根7股钢丝的 钢绞线, 公称直径假定一束钢束有6根 钢绞线 钢束“根数”与“束数”的确定：第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计15.2s15.2dmm由 6 股直径 钢丝和一股直径稍大于 的钢丝为中心螺旋绞

9、合而成5mm5mm面积22571404mm则面积21140 6840pAmm由 求束数npA1ppAnA15.2s14实用精品课件PPT2. 按正截面抗裂性要求估算按正截面抗裂性要求估算属正常使用极限状态：弹性受力阶段，平截面假定第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计对于全预应砼构件，正截面砼法向应力规定： （公预规6.3.1条）pc式中短期荷载效应组合下砼边缘应力st0.850stpc扣除全部预应力损失后的预加力 在砼边缘产生预压应力受拉为正15实用精品课件PPT第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计sMpepeNst0.85pc+16实用精品课件PPT 计算公式：第一部份第

10、一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计使用阶段预应力钢筋永存应力的合力peN式中短期荷载下弯矩组合值sM预应力钢筋合力作用点至截面形心距离砼毛截面面积A0.850stpcsstMWpepeppcNN eAWpeW砼毛截面对计算边缘弹性抵抗矩17实用精品课件PPT由前述公式可得, 应用方法：第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计10.85()spepMWNeAWpepepNA又peconl式中永存预应力张拉控制应力0.751395conpkafMP预应力损失l按张拉控制应力20%计故1(10.2)0.51()pesppconpkNMWAefAW18实用精品课件PPTv式中第一部份第一部份

11、预应力钢束设计预应力钢束设计xxIWWyI毛截面对其形心的惯性矩xy毛截面形心至下缘距离pxpeyapa预应力钢筋合力作用点至下缘距离, 可设在马蹄中心位置v最终，取两种极限状态计算的最大 或束数 为设计值pAn19实用精品课件PPT二二. 预应力钢束布置预应力钢束布置第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计跨中跨中-梁端梁端-过渡段过渡段20实用精品课件PPT1. 跨中截面钢束布置跨中截面钢束布置 原则：第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计尽可能降低钢束群重心，以产生较大的预应力抵抗力矩单数列对称布置，以便顺利弯起满足构造要求为前提21实用精品课件PPT 预应力钢束管道构造：

12、第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计本设计管道采用OVM型预应力张拉锚固体系 配套预埋铁皮波纹管公预规9.4.9：管道内径的截面面积不应小于两倍预应力钢筋截面面积 面积为840mm2，管道面积1680mm2 内径46mm。选用内径为70mm（外径77mm ）615.2s22实用精品课件PPT23实用精品课件PPT外径 内径+10mm第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计24实用精品课件PPT25实用精品课件PPT 管道距离要求：第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计预应力钢筋管道净距及保护层要求净距直线管道 不小于40mm且不宜小于管道直径0.6倍 对于预埋管在竖直方

13、向可将管道重叠最小保护层厚度直线管道 不小于30mm且不小于管道直径0.5倍 曲线管道由于会产生径向压力，混凝土有崩裂危险，因此要求更为严格。（9.4.9条）（9.1.1条）26实用精品课件PPT 示例：第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计pA3 903 167 1 2847pa 150.7mmpa钢束群重心至梁底距离 27实用精品课件PPT2. 锚固端截面钢束布置锚固端截面钢束布置 原则：第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计均匀分散布置各束锚固点，避免局部应力集中，使截面应力分布均匀满足锚具布置和预应力张拉所需操作空间的构造要求28实用精品课件PPT 构造要求：第一部份第

14、一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计锚具布置的构造要求AAbbaacde锚垫板布置最小间距210Amm215amm135bmm锚束槽口尺寸430cmm290dmm120emm29实用精品课件PPT30实用精品课件PPT第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计31实用精品课件PPT张拉施工空间要求：第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计 OVM预应力锚固体系产品参数锚具型号156,7OVM张拉千斤顶型号150 ,YCWA B32实用精品课件PPT第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计 YCW150千斤顶的施工空间DCCLAB外形尺寸最小工作空间钢绞线预留长B=1250mmC

15、=190mmD=285mmL=370mmA=570mm33实用精品课件PPTDCCLAB34实用精品课件PPT 示例：第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计2 4002 800 1550 18506pa 966.7mm钢束群重心至梁底距离支座中心线12()xxaa34()xxaa5xa6xa7xa35实用精品课件PPT第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计 考虑施工方便，若有位置布置， 一般可将全部钢束锚固在梁端 预制时，主梁为小截面，又无使用荷载，如果钢束在此时全部张拉完毕，有可能会在梁上缘产生拉应力，在下缘产生较大压应力 因此将7号束安排在完成现浇翼缘板后再张拉，并将此束锚

16、固端放置在梁顶 说明：36实用精品课件PPT3. 钢束纵向布置钢束纵向布置 原则：第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计钢束纵向布置应使其重心线不超出束界范围从跨中向支点逐步弯起钢束，可产生预剪力，对抵消支点附近较大的外荷载剪力很有利构造上，钢束纵向弯起有利于锚固点分散布置37实用精品课件PPT 弯起角：第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计较小角度有利于减小摩阻损失较小角度有利于马蹄高度向支点不至于过大较大角度有利于提供足够的竖向预剪力 弯起曲线形状:弯起曲线可采用圆弧线、抛物线或悬链线，实际工程中多采用圆弧线弯起半径构造要求：钢绞线的钢丝 时， 不宜小于4m（9.4.10条

17、）0205dmm T梁中常用的弯起角度不超过38实用精品课件PPT 实例：第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计 为了钢束不至于竖向交叉，本例钢束弯起角下小上大选定为： 下部钢束 ，上部钢束 ， 锚于梁顶钢束07015018 钢束线形为直线加圆弧，即从距跨中一定距离处开始按圆曲线向上弯起 由于不允许曲线段进入锚具部分，因此在锚下钢束必须保持一定的直线长度（可取1米）39实用精品课件PPT4. 钢束几何参数计算钢束几何参数计算 计算图式:第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计1x2x3x/2jLxia0iamiay1y2y1000R11000siny0miiyaa21yyy310

18、00cosx21 cosyR2sinxR123/2jxixLaxx支座中心线起弯点跨中终弯点锚固点R ? ? ?40实用精品课件PPTv钢束几何参数计算可以表格进行:第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计400903107121.9188.125239.4992.53075.9310.915742.4mia0iay1y2yR3x2x1xxiai束号12()N NiNv钢束长度计算 为了计算工程数量，需要计算每束长度1(1000) 2180iwRSxl式中钢束预留工作长度700mmwl 钢束长度41实用精品课件PPT5. 截面钢束重心计算截面钢束重心计算 计算图式:第一部份第一部份 预应

19、力钢束设计预应力钢束设计1x2x3x/2jLxia0iamiay1y2y1000R0iiaa1xx112xxxx1arcsinxxR0212()taniiaayxxx支座中心线起弯点跨中终弯点锚固点x控制截面控制截面0(1 cos )iiaaR12xxx水平段时弯曲段时斜线段时042实用精品课件PPT 实例：第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计97507480.017104.631378.7181535.80.074636987284371.5168.97928.918746.641796.5151424.20.04357167206.79703.218827.135251.9151

20、201.20.0013275889090.010412.318769.268572.77511.1-16716715742.418818.325239.47188.1-9090 x1x12xxRsin2y0iapaiai束号12()N N控制截面四分点截面34()N N5N6N7N位置水平段弯曲段水平段弯曲段弯曲段各控制截面上钢束位置及倾角计算表控制截面: 跨中截面、四分点截面、 7号钢束锚固处截面、支点截面43实用精品课件PPT三三. 束界校核束界校核第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计44实用精品课件PPT 束界基本概念：第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计 在符合截面

21、上、下缘混凝土均不会出现超限的拉应力的前提下，预应力筋（束）的重心在各截面上布置的范围， 称为束界（或索界）syxysKxK2E1EAAAA支座中心线跨中45实用精品课件PPT第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计保证梁的上缘混凝土不出现拉应力 最危险阶段：预加应力阶段10小小小小pIpIpGcsssN eNMAWWpIN式中构件截面下核心距xK11小小GpxpIMeKEN传力锚固时预加力的合力小小小sxWKA1GM一期恒载下的弯矩（受压为正）46实用精品课件PPT第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计0.85()0大大大大pepepscxxxN eNMAWWpeN式中构件截面上核心距sK20.85大大spspeMeKEN大大大xsWKAsM使用阶段永存预加力的合力短期荷载下弯矩组合值（受压为正）保证梁的下缘混凝土不出现拉应力 最危险阶段：使用阶段47实用精品课件PPT第一部份第一部份 预应力钢束设计预应力钢束设计故预应力钢束重心位置 应满足：1210.85大大小小，sGsppxpepIMMEKeeKENNpe 由于弯矩 近似按抛物线沿跨径变化, 故上下限值 近似为抛物线形, 限定了预应力钢束布