简支转预应力连续结构受力特性分析

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简支转预应力连续结构受力特性分析第13卷第5期2005年10月安徽建筑工业学院(自然科学版)JournalofAnhuiInstituteofArchitecture&IndustryVo1.13NO.50Ct.2005简支转预应力连续结构受力特性分析周如顺(休宁县公路局,休宁245400)摘要:在公路桥梁建设中,简支转预应力连续结构是一种颇受青睐的结构型式,这种结构不仅具有简支梁桥施工简便的优点,而且保证了桥梁的连续性.文中分析先简支后连续体系型式的特点,受力特性,并与悬臂转连续的体系转换方法进行分析比较.关键词:简支转连续;体系转换;分析;预应力连续梁桥中图分类号:U448.142文献标识码:A文章编号:1006—4540(2005)05—016—04AnalysisofforcecharacteronprestressedsimplysupportedcontinuousconstructionZH0URUshun(XiuningCountyHighwayAdministrationBureauofAnhuiProvince,Xiuning245400.China)Abstract:Inordertoovercometheshortcomingsofsimplysupportedgirderbridgeconstructionwithcontinuouspavement,thestructureofsimplysupported—continuoussystemisappliedinbridge.This paperreviewsthecharacterofthissystemandanalyzestheforcecomparingwithsimplysupportedgirderbridge.Keywords:simplysupportedcontinuous;systemtransformation;analysis;prestressedcontinuousbeambridge高等级公路要求行车高速,平稳,舒适,对其桥梁结构的连续性能要求高.连续桥梁在高速公路和铁路上应用较广泛,尤其在高速公路领域.它具有外型美观,整体稳定性强,跨度大,行车平稳等优点,但也有工艺复杂,施工设备(材料)投入大的缺点.在高等级公路桥梁中为了克服这些缺点,使桥梁结构的连续性能更佳,整体协调性好,且施工快速简便,采用了简支转预应力连续结构体系.由安徽省公路设计院设计的某大桥,引桥部分就是采取的先简支后连续构造.该桥长4617.85m,引桥全长3867.85m,均为简支转预应力结构连续梁桥.引桥往往在桥梁工程量中占相当大的一部分,引桥的经济与否关系到总造价,合理的设计施工不仅降低成本,更能得到真正的连续梁桥.该桥的引桥部分为5孔跨径为30m的T梁,采用后张预应力混凝土T型梁的体系转换施工.文中主要针对这种先简支后连续的构造特征与结构受力性能进行探讨,并从设计和施工的角度与悬臂转连续的体系转换方法进行比较分析.1简支转连续结构体系的型式采用简支转连续结构的施工方法,即将预制简支梁安装在l临时支座上,在相邻两简支梁之间收稿日期:2005—01—18 作者简介:周如顺(1964一),男,工程师,主要研究方向为公路施工与管理.第5期周如顺:简支转预应力连续结构受力特性分析17浇筑湿接缝混凝土,待混凝土达到设计强度要求后,张拉内支座区域上缘设置的预应力钢筋,拆除临时支座,使梁支承在永久支座上,经支座转换形成连续梁体系,见图1.后期预应力现浇湿接缝圈1支座转换示震圈简支转连续的施工步骤大体一致,现以该大桥为例,简述施工步骤.(1)预制简支T形梁,梁端顶预留负弯短钢筋管道;(2)安放临时支座,吊装T梁就位;(3)安放桥梁永久支座,现浇湿接缝;(4)拆除临时支座,张拉负弯短区后期预应力钢筋.简支转连续的结构体系在简支阶段承受构件本身自重及前期恒载,形成连续结构后承受后期恒载,汽(挂)车荷载以及其他可变荷载.与简支弯矩O(a)倚支阶段桥面系单元弯矩圈梁相比,先简支后连续体系的跨中弯矩相对较小,而内支座处则承受比完全连续梁小得多的负弯矩.图2所示为某大桥采用桥梁计算程序(GS)所得到的在简支和连续阶段的弯矩示意图.该桥采用5孔一联的.30mT梁简支转连续结构,从中可以清楚的看到体系转换后连续结构 的跨中弯矩明显减小.简支转连续使结构在刚度上获得很大的提高,并且对配筋设计与施工都极为有利.它既保持了简支梁施工简便和节省模板支架的优点,又吸取了连续结构减小活载弯矩的长处.为了承受活载的支点负弯矩,需将跨中的正弯矩钢筋在接近梁端处弯起,并伸到接头处与相邻的简支梁的同类钢筋焊接.从以往的一些设计方案比较可知,当钢筋混凝土梁式桥的跨径超过20~25m时,如果仍采用简支体系,则其跨中恒载弯矩和活载弯矩都将迅速增加,而按先简支后连续设计的结构负弯矩比按整体现浇设计的结构负弯矩都小.其中恒载作用下约小55,恒+汽作用下约小40%.因此在设计时可减小简支梁高度,降低自重,这本身又将导致恒载内力的减小.因此,这种结构体系可以大大节省钢筋混凝土材料,据估计可节约20左右,明显提高了经济效益.也为施工带来方便.单元弯田Ⅱ巴兰皿皿叮理单元(b】连续阶段桥面系单元弯矩圈圈2而支转辱曩结构可矩示l田采用简支转连续的施工方法,主梁可在下部期预加力以及施工荷载等前期荷载;形成连续梁工程施工的同时进行预制,成批生产,因此可以缩之后,构件还要承受后期恒载,车辆荷载,后期预短施工周期,使施工简便快速,满足施工要求.国加力,以及使用阶段的其他可变荷载等后期荷载.内自广西柳南高速公路洛维大桥率先采用这种方因此,简支转连续结构的受力与简支梁或完全的 案后,先简支安装后用预应力使结构连续成为现连续梁有较大差别,主要表现在以下两方面.代桥梁的一种发展趋势,并向大跨径方向发展.(1)结构变形.在简支阶段由自重,前期预应2简支转连续结构的受力特性分析简支转连续结构存在结构体系的转换过程,从施工到营运主要分为两个阶段:预制简支构件的安装架设阶段,即简支阶段;现浇湿接缝混凝土,张拉后期预应力钢筋形成完整的连续结构,即连续阶段.简支阶段构件承受的是本身自重和前力筋张拉力,收缩徐变及预应力损失等因素使结构产生的变形,在湿接缝混凝土浇筑及后期预应力筋张拉后,其变形即被约束.这样,前期与后期荷载分别在两个不同的结构体系下产生变形,且变形互不干挠.因此,后期预应力筋张拉后,结构的线形将更趋平顺,使桥梁保持良好的线性.(2)内力及内力重分布.结构体系转换过程18安徽建筑工业学院(自然科学版)第13卷中,内力变化比较复杂.在预制装配为简支结构时,混凝土的龄期较早,收缩与徐变的变形量都较大,这时的变形结构是静定体系,不产生支座反力,没有内力重分布问题.此时支座产生的不均匀沉陷也不产生次内力.在张拉后期预应力筋后,张拉力对结构内力及截面应力产生影响.在结构形成连续体系之后,对于收缩,徐变以及支座不均匀沉陷的分析则应按连续梁体系计算,这时还应考虑其次内力以及内力重分布等[4].一般情况下,从预制张拉,简支拼装到形成连续体系要经历2～3个月以上,这一期间是混凝土收缩与徐变 发生量最大的时期,结构处于静定结构状态,混凝土的收缩与徐变的影响仅发生结构的变形而不产生次内力.在形成连续体系后,部分的后期恒载(主要是桥面铺装)将会产生徐变次内力,但是与完全连续梁相比,其产生的徐变次内力要相应小得多.因此简支转预应力连续桥梁在受力性能方面具有优越性,对混凝土的收缩,徐变,以及支座不均匀沉陷等影响较小.3体系转换方法的分析与比较连续梁桥在施工中为了减轻吊装重量,沿纵向要进行分段,为了连续接头的方便,一般沿桥墩中心划分开,这就是简支转连续的方法.还有一种常用的方法是从受力特点出发,在靠近反弯点处分段,称为悬臂转连续的方法.下面对这两种体系转换方法进行分析与比较.3.1由简支粱转化为连续梁从桥墩中心分段,预制构件在未进行纵向,横向连接时呈简支梁受力状态.因而,构件除了在起吊,运输过程中内力验算外,还应进行简支状态下由自重及施工荷载作用的内力验算_5].(1)简支阶段的内力验算.在自重作用下,按下式验算.跨中或支点处弯矩M一m跨中或支点处剪力一,,式中,q为恒载重集度;,为弯矩,剪力影响线面积.在施工阶段,施工载荷由施工方法决定,应根据最大荷载作用在最不利位置来控制.(2)连续阶段的内力验算.后期恒载及活载 按连续梁进行计算,可用下式进行内力计算S===(1+)>rf/PY式中,S为所求的内力值,即弯矩或剪力;1+为汽车荷载的冲击系数;为车道折减系数,4车道为0.7,3车道为0.8,少于3车道为1;rf/,P,Y为外载荷作用位置处相应的恒载分布系数,力的大小及内力影响线相应竖标.连续梁的最大负弯矩发生在支点处,而在该处分段,使接头正好处于受力最大的位置;另外与连续梁等跨的简支梁跨中正弯矩往往比连续梁相应位置大很多,安装过程中简支状态有可能成为控制弯矩,故从设计的角度来看会控制设计.3.2由悬臂梁转化为连续梁若将连接缝设在靠近反弯点即弯矩接近零或较小处,则成为悬臂结构.如图3所示三跨连续梁,中跨跨长L,边跨跨长L,边跨自重反弯点在E及F,将全桥分为AE,EF,FD三段安装,显然中孔为一双悬臂锚固孔,E,F又位于反弯点处,所以安装时的受力状态与安装后相一致,无需再作验算.但是,反弯点随着受力状态的不同而不同,也随着各跨的跨长改变而改变,而预制长度又受到施工条件制约.而且这种方法需要设置悬空的接头模板或者搭设临时支架.EFD围3悬壁转连续结构及恒载弯矩接头位置的选择,除了考虑吊装重量和受力特点外,还应考虑连接的方法.若现浇湿接缝要在支架上进行,则支架的架设还要受到地形的限制. 总之,由简支梁转化连续梁的施工方法简单,接头在墩顶上进行,无需支架,而由悬臂梁转化为连续梁,其受力状态良好,一般不因安装而增加材料,但需要支架,而且受到地形条件的制约.加上简支梁设计时一般可采用等跨度,因此可以成批预制简支梁,使施工简便快捷.4结束语由于简支转预应力连续结构在桥梁建设中占第5期周如顺:简支转预应力连续结构受力特性分析19有相当比例,特别是在中,小跨度桥梁的设计中,所以对这种结构形式的研究具有通用性,其应用前景广阔.由于体系转换过程对结构的受力特性产生的影响比较大,为了指导设计与施工,在理论特别是实验方面还有待进一步的探讨研究.参考文献1刘中林.张全.徐变及温度在先简支后连续结构匕(上接第15页)M坤一dAp(0.9h0)非预应力钢筋承担的承载力设计值为=fyA(0.9h.)总承载力设计值M一M+无粘结预应力混凝土受弯构件的斜截面受剪承载力按国家现行《钢筋混凝土设计规范》GB50010的有关规定计算,但无粘结预应力弯起筋的应力设计值应取有效预应力值.7设计中应注意的几个问题(1)预应力技术是一门综合的高新技术,它 包扩科研,设计,施工,测试等几个方面,设计时应通盘考虑,如长期以来预应力平板的布筋方式一般都为均匀布筋方式,显然,在同样荷载作用下,跨中板带和边板带内力反应是不一样的,因而东南大学土木学院孟少平教授等人提出在跨中集中布束的布筋方式,并已成功地应用于南京中信实业银行办公大楼工程,取得了很好的效果.所以一个好的设计应注意运用最新的科研成果.当然,原材料的选择,施工方案的选择及测试要求等都应综合考虑.(2)有效预应力的建立是设计过程中的一个关键性问题,其中预应力总损失值的计算甚为关键,原则上预应力的各项损失应按规范计算,当有引起的次内力计算[J].公路,1996,(2):26—28.2徐光辉,胡明义.梁桥(上册)[M].北京:人民交通出版社.1996.3刘光明,胡柏学.先简支后连续无缝桥梁初探[J].湖南交通科技,1999,25(2):54—55.4杨昀.梁桥先简支后连续设计方法的研究[J].公路交通科技,1998,15(3):58—59.丰富的工程经验时亦可估算.(3)伸缩缝的设置,现代建筑的平面不断增大,伸缩缝问题日益突出,从理论上说只要预应力筋是连续的就可不设缝,但是要注意大吨位张拉可能带来的一系列问题及预应力损失过大等,因此,综合考虑边长在150m内的预应力混凝土楼板不设缝还是可行的.但这时要重点考虑混凝土的开裂问题,具体可采取以下措施:优化混凝土配 合比;适量掺入UEA混凝土膨胀剂;合理设置后浇带,膨胀带及施工缝;配置适量温度筋;加强混凝土的养护,尤其需要蓄水养护.8结束语无粘结预应力混凝土是我国近年来研究开发的新技术,在高层建筑楼,屋盖结构中采用无粘结预应力技术,其综合效益十分显着,因而具有广泛的应用前景.实际上,目前国内现浇预应力楼板几乎均采用无粘结预应力方案,因而掌握其设计方法无疑具有现实意义.参考文献1GBS0010.混凝土结构设计规范IS].北京:中国建筑工业出版社,2002.2GB50009.建筑结构荷载规范Is].北京:中国建筑工业出版社,2002.3JGJ92—2002.无粘结预应力混凝土结构技术规程Is].北京:中国建筑工业出版社,2005.