同济预应凝土连续梁桥

1、- 1 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 1 -2021-11-101浅谈如何规避下挠和开裂的风险浅谈如何规避下挠和开裂的风险湖南大学湖南大学 邵旭东邵旭东 教授教授2011年10月 同济大学- 2 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 2 -2021-11-10- 3 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 3 -2021-11-10vv铁路路面标高公路路面标高vv(a)(b)(c)(d)(e)vmhmvhvvvhvh(a)(c)(b)(d)(e)( f )vv铁路路面标高公路路面标高vv(a)(b)(c)(d)(e)vmhmvhvvvhvh(a)(c)(b)(d)(e)( f )- 4 -预应力混凝土连续

2、梁桥的设计- 4 -2021-11-10大跨梁式桥具有以下优点：1、造价相对较低；2、施工简易快捷；3、建筑高度小，适应能力强；4、维护费用少。 因而是因而是200m跨径以内的主力桥型。跨径以内的主力桥型。- 5 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 5 -2021-11-10概概 述述- 6 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 6 -2021-11-101978年建成通车的帕劳共和国科罗巴岛桥，主跨年建成通车的帕劳共和国科罗巴岛桥，主跨241 m的的pc连续刚构桥，通车后不久就开裂和下挠，连续刚构桥，通车后不久就开裂和下挠，1996年年9月月倒塌。倒塌。典型实例：- 7 -预应力混凝土连续梁桥的设计-

3、 7 -2021-11-10一、梁体下挠问题- 8 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 8 -2021-11-10梁体下挠梁体下挠 跨中下挠跨中下挠是十分普遍的现象。是十分普遍的现象。主因由主因由混凝土徐变引起混凝土徐变引起。 跨中下挠往往跨中下挠往往伴随伴随跨中段出现横向裂跨中段出现横向裂缝和大量斜裂缝，其下挠可达到相当大缝和大量斜裂缝，其下挠可达到相当大的程度，造成严重病害。的程度，造成严重病害。 - 9 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 9 -2021-11-10 黄石长江公路大桥跨中下挠，最大已黄石长江公路大桥跨中下挠，最大已达到达到33.5cm33.5cm，当然同时出现大量的主拉应，当然同

4、时出现大量的主拉应力斜裂缝与跨中区段横向裂缝。力斜裂缝与跨中区段横向裂缝。梁体下挠梁体下挠- 10 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 10 -2021-11-10湖北钟祥汉江大桥湖北钟祥汉江大桥 因下挠和开裂等严重病因下挠和开裂等严重病害而拆除重建！害而拆除重建！年月通车，05年拆除65m+3100m+65m，五跨连续箱梁桥- 11 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 11 -2021-11-10钟祥大桥正在拆除钟祥大桥正在拆除- 12 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 12 -2021-11-10跨中下挠的预防对策梁体下挠梁体下挠- 13 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 13 -2021-11-10

5、（一）控制负弯矩区域截面的应力梯度梁体下挠梁体下挠- 14 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 14 -2021-11-10梁体下挠梁体下挠 徐变徐变下挠大下挠大 徐变徐变下挠小下挠小沿截面高度的压应力沿截面高度的压应力分布梯度分布梯度：徐变后徐变前徐变后徐变前- 15 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 15 -2021-11-10梁体下挠梁体下挠 只有只有轴向轴向徐变徐变 徐变徐变上拱上拱沿截面高度的压应力沿截面高度的压应力分布梯度分布梯度：徐变后徐变前徐变后徐变前- 16 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 16 -2021-11-10设计对策：梁体下挠梁体下挠徐变后徐变前徐变后徐变前 上缘增大压应

6、力（加预应力） 下缘减小压应力（增加底板厚度）- 17 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 17 -2021-11-10梁体下挠梁体下挠 在梁根部区段，可使悬臂节段的自重完全由预应力抵消（零弯矩）。内支点上方底板厚度宜不小于跨径的1/140。- 18 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 18 -2021-11-10虎门辅航道桥 l=270m t/l=1/2072240120075gateway桥 l=260m t/l=1/14460148040015004005201500520700130180梁体下挠梁体下挠- 19 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 19 -2021-11-10 跨中下挠的预防对策

7、： （二）足够的正截面和斜截面强度 梁体下挠梁体下挠 鉴于跨中下挠往往与横向裂缝与斜裂缝鉴于跨中下挠往往与横向裂缝与斜裂缝一起发生，相互促进恶化，因此保证梁有足一起发生，相互促进恶化，因此保证梁有足够的够的正截面强度正截面强度和和斜截面强度斜截面强度是首要的。计是首要的。计算中要充分考虑徐变的不利影响。算中要充分考虑徐变的不利影响。- 20 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 20 -2021-11-10 （三）设计文件的规定（1）混凝土加载龄期至少应在7天以上，强度和弹模至少在90以上。梁体下挠梁体下挠（2）宜采用真空压浆，减小管道摩阻、防止漏浆。（3）严格控制混凝土超方。- 21 -预应力混凝

8、土连续梁桥的设计- 21 -2021-11-10（四）特大跨径梁桥跨中区段轻型化梁体下挠梁体下挠- 22 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 22 -2021-11-10斯托尔马桥斯托尔马桥( (l l=301m=301m) )，跨中跨中182m182m为为c60c60轻质混凝土轻质混凝土 梁体下挠梁体下挠- 23 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 23 -2021-11-10重庆石板坡长江大桥跨中108m长为钢梁梁体下挠梁体下挠- 24 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 24 -2021-11-10（五）徐变计算适当考虑活载影响梁体下挠梁体下挠 徐变计算不只针对恒载，应适当考虑大交通量活载的影响。苏

9、通长江大桥辅航道桥设计考虑了二个车道的汽车荷载参与徐变计算，值得借鉴。- 25 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 25 -2021-11-10二、梁体开裂问题- 26 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 26 -2021-11-10 交通部公路科学研究院曾经对全国公路系统主交通部公路科学研究院曾经对全国公路系统主跨大于跨大于60 m60 m的近的近180座座主要预应力混凝土箱梁桥作了主要预应力混凝土箱梁桥作了裂缝调查与统计。根据统计结果：裂缝调查与统计。根据统计结果：腹板裂缝腹板裂缝顶板裂缝顶板裂缝底板裂缝底板裂缝横隔板裂缝横隔板裂缝齿板裂缝齿板裂缝86.4%90.9%54.5%86.4%36.4%

10、梁体开裂梁体开裂- 27 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 27 -2021-11-10梁体开裂斜裂缝梁体开裂斜裂缝 （一）腹板斜裂缝- 28 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 28 -2021-11-10 腹板斜裂缝腹板斜裂缝是出现最多的梁体裂缝。与梁轴线呈2550开裂。 斜裂缝的另一个特征是箱内腹板斜裂缝要比箱外腹板斜裂缝严重。这已为一些大跨径梁桥的检查结果所证实。 梁体开裂斜裂缝梁体开裂斜裂缝- 29 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 29 -2021-11-10内侧（条）内侧（条）外侧（条）外侧（条）上游腹板上游腹板808100下游腹板下游腹板1149294合合 计计1957384 黄石长江

11、公路大桥通车七年后，于黄石长江公路大桥通车七年后，于2002年年5月对大桥月对大桥进行了检测，发现严重的病害，箱梁裂缝检出进行了检测，发现严重的病害，箱梁裂缝检出2438条，其条，其中中1957条分布在箱梁腹板内表面上条分布在箱梁腹板内表面上（占（占80.3%）， 384条条分布在腹板外表面上分布在腹板外表面上（占占15.8%）， 87条分布在箱梁底板条分布在箱梁底板上上（占占3.6%）。箱梁腹板裂缝统计黄石长江公路大桥开裂现象- 30 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 30 -2021-11-108910567462#墩1234567891011121332113121163#墩3 3箱内-下

12、游腹板箱外-下游腹板黄石长江大桥腹板裂缝- 31 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 31 -2021-11-10梁体开裂斜裂缝梁体开裂斜裂缝 预防腹板斜裂缝的设计对策- 32 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 32 -2021-11-10梁体开裂斜裂缝梁体开裂斜裂缝1、腹板计算应考虑空间效应面内应力：2xyxy2zl22- 33 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 33 -2021-11-10梁体开裂斜裂缝梁体开裂斜裂缝日照温差导致箱梁内部全截面受拉面外应力温度影响按照多国规范计算，日照作用下腹板内侧拉应力可达2mpa- 34 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 34 -2021-11-10产生水平拉应力

13、产生水平拉应力梁体开裂斜裂缝梁体开裂斜裂缝跨中张拉后期索导致腹板受弯拉、底板受弯面外应力后期索影响- 35 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 35 -2021-11-10梁体开裂斜裂缝梁体开裂斜裂缝2、腹板厚度应足够腹板内需满足：（1）置纵向下弯束；（2）置竖向束；（3）置普通钢筋。（4）混凝土浇筑密实。腹板内纵向束腹板内纵向束- 36 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 36 -2021-11-103、设置高效竖向预应力梁体开裂斜裂缝梁体开裂斜裂缝- 37 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 37 -2021-11-10 竖向预应力不足是预应力箱梁腹板出现竖向预应力不足是预应力箱梁腹板出现斜裂缝斜裂缝

14、的主要原因之一。的主要原因之一。 精轧螺纹钢精轧螺纹钢锚固体系存在以下不足：锚固体系存在以下不足：（1）张拉应力低，伸长量小；）张拉应力低，伸长量小；（2）刚性索，施工稍有偏差，螺母就拧不到位；）刚性索，施工稍有偏差，螺母就拧不到位；（3）张拉控制应力高，易断筋，难更换；）张拉控制应力高，易断筋，难更换；梁体开裂斜裂缝梁体开裂斜裂缝（4）施工质量难以检验。）施工质量难以检验。- 38 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 38 -2021-11-10 混凝土箱梁的精轧螺纹钢竖向预应力筋混凝土箱梁的精轧螺纹钢竖向预应力筋- 39 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 39 -2021-11-10 精轧螺纹钢

15、预应力筋于1956年由德国dywidag（地伟达）公司研发成功。 50多年以来，短索基本采用这一技术，没有明显改进。梁体开裂斜裂缝梁体开裂斜裂缝- 40 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 40 -2021-11-10 而钢绞线具有柔性、高强度和大延伸量的优势，强于精轧螺纹钢筋。 但对于短索，由于夹片锚回缩损失大而不宜采用。梁体开裂斜裂缝梁体开裂斜裂缝- 41 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 41 -2021-11-10 新型二次张拉低回缩预应力钢绞线锚固体系用于竖向预应力，其性能远优于精轧螺纹钢。 梁体开裂斜裂缝梁体开裂斜裂缝- 42 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 42 -2021-11-10

16、张拉端低回缩竖向锚固系统低回缩二次张拉锚具构造p型锚具系统锚具构造固定端梁体开裂斜裂缝梁体开裂斜裂缝- 43 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 43 -2021-11-10a)第一次第一次张拉张拉钢绞线钢绞线 b)第二次张拉锚杯第二次张拉锚杯 c）拧紧螺母）拧紧螺母 至设计荷载至设计荷载 至设计荷载至设计荷载 消除回缩消除回缩梁体开裂斜裂缝梁体开裂斜裂缝- 44 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 44 -2021-11-10 4m长的钢绞线经二次张拉后，回缩长的钢绞线经二次张拉后，回缩损失由损失由25降为降为3.6，预应力效率预应力效率至至少少是精轧螺纹钢的是精轧螺纹钢的2倍。倍。 2. 竖向高效

17、预应力体系- 45 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 45 -2021-11-10第二次张拉锚杯第二次张拉锚杯至设计荷载至设计荷载 螺母螺母与垫板密贴与垫板密贴 梁体开裂斜裂缝梁体开裂斜裂缝- 46 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 46 -2021-11-10梁体开裂纵向裂缝梁体开裂纵向裂缝（二）纵向裂缝 顶、底板裂缝 - 47 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 47 -2021-11-10梁体开裂纵向裂缝梁体开裂纵向裂缝原因和对策- 48 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 48 -2021-11-10n梁体开裂纵向裂缝梁体开裂纵向裂缝1、超载超载特别是超重车轴荷载的作用，对横向的影响比纵向更大，这

18、是因为纵向弯矩自重占绝大部分；而横向弯矩主要由活载引起，轴重超过规范时，易出现顶板下缘的纵向裂缝。 限超- 49 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 49 -2021-11-10梁体开裂纵向裂缝梁体开裂纵向裂缝2、温差应力估计过小 我国89桥梁设计规范中，对温差应力，仅规定了翼缘与梁体的其他部位有5的温差。这样的温差偏小，与实际情况严重不符！ 根据研究，对于箱梁，温差应力可以接近甚至超过活载的应力。这是出现纵向裂缝的原因之一。- 50 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 50 -2021-11-10梁体开裂纵向裂缝梁体开裂纵向裂缝现行公路桥涵通用设计规范中已规定了比过去大得多的温度梯度。这个问题可望得

19、到解决。- 51 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 51 -2021-11-10梁体开裂纵向裂缝梁体开裂纵向裂缝3、纵向应力的泊松效应x0.2yy若混凝土的纵向压应力则相应的横向拉应力可达y10ampx2amp- 52 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 52 -2021-11-10梁体开裂纵向裂缝梁体开裂纵向裂缝由于顶板较薄，又需布置纵、横向预应力束和普通钢筋，横向预应力筋的位置较难精确控制，一旦偏差较大，易在顶板下缘出现纵向裂缝。 顶板薄导致活载作用下混凝土应力变幅过大，容易出现疲劳裂缝。 建议顶板厚度不小于30cm。4、顶板较薄- 53 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 53 -2021-11-

20、10梁体开裂纵向裂缝梁体开裂纵向裂缝5、变截面箱梁的底板由于施加后期预应力而产生径向力，当底板横向配筋不足，会在底板横向跨中下缘及横向两侧底板加腋开始的上缘，出现纵向裂缝。- 54 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 54 -2021-11-10合拢束等效荷载的竖向分力和锚固点水平作用力跨中张拉后期索导致腹板受弯拉、底板受弯跨中张拉后期索导致腹板受弯拉、底板受弯跨中区域底板横向受力分析跨中区域底板横向受力分析梁体开裂纵向裂缝梁体开裂纵向裂缝- 55 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 55 -2021-11-10跨中区域底板横向受力分析跨中区域底板横向受力分析跨中底板跨中底板病害病害类型一般有三种：类

21、型一般有三种：（基本由底板后期束引起）1 1）底板混凝土局部区域崩裂；）底板混凝土局部区域崩裂；2 2）底板上、下层钢筋网分层；）底板上、下层钢筋网分层； 应布置可靠的钩筋应布置可靠的钩筋3 3）跨中底板下缘的纵向裂缝。）跨中底板下缘的纵向裂缝。 横向钢筋配足横向钢筋配足底板上、下层钢筋网分层底板上、下层钢筋网分层梁体开裂纵向裂缝梁体开裂纵向裂缝- 56 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 56 -2021-11-10梁体开裂纵向裂缝梁体开裂纵向裂缝6、沥青高温摊铺的作用 桥面广泛采用沥青混凝土铺装，而沥青混凝土摊铺桥面广泛采用沥青混凝土铺装，而沥青混凝土摊铺时要求高温操作，时要求高温操作，摊铺温

22、度往往高达摊铺温度往往高达1501500 0c c。大气大气向上与大气热交换，导致沥青混合料及周围环境向上与大气热交换，导致沥青混合料及周围环境温度不断变化温度不断变化向下与结构热传导，导致结构温度急速升高，向下与结构热传导，导致结构温度急速升高，形成非常大的梯度温度形成非常大的梯度温度- 57 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 57 -2021-11-10梁体开裂纵向裂缝梁体开裂纵向裂缝6、沥青高温摊铺的作用较大的梯度温度对箱梁结构产生非常不利的影响！但现行规范中没有任何条文对此进行规定！- 58 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 58 -2021-11-10梁体开裂纵向裂缝梁体开裂纵向裂缝6、沥青高温摊铺的作用箱梁不同位置的温度随时间变化图箱梁不同位置的温度随时间变化图有限元有限元热分析热分析得出：得出：2 、对于沥青铺装层，温、对于沥青铺装层，温度在最初的一度在最初的一 段时间内下段时间内下降非常快，降非常快，30min之内，之内，温度下降了将近温度下降了将近500c。1、不同深度处达到的最、不同深度处达到的最高温度相差很大高温度相差很大.- 59 -预应力混凝土连续梁桥的设计- 59 -2021-11-10通过对以上参数的分析，得出：通过对以上参数的分析，得出