大跨径预应力混凝土梁桥挠度研究
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摘要
随着科学技术和交通事业的发展,大跨度预应力连续梁(刚构)桥以其施工简便、造价经济、受力合理、行车舒适等独特优势在近年来得到了迅速崛起。但由于它出现较晚,其理论和经验还不是十分完善,在修建过程中也存在一些技术上的问题。国内大跨径预应力混凝土梁桥存在的主要病害是主梁跨中下挠过大和箱梁梁体裂缝,分析大跨径预应力混凝土梁桥挠度的影响因素,并研究如何控制主梁跨中下挠是十分有意义的。
在现代预应力混凝土结构中,预应力损失的大小和徐变的准确计算直接影响着结构的挠度,而对于多跨连续刚构桥,合龙顺序对成桥内力及结构后期变形的影响也不容忽视。因此本文第一步从混凝土徐变的角度出发,通过对徐变机理、影响徐变的各种因素、徐变理论及计算方法等的分析,阐述了它们对主梁下挠的影响。第二步再从预应力损失的角度,包括长束预应力、纵向和竖向预应力三个方面,探讨其对挠度的一些影响并得出相应结论。第三步再对不同的施工合龙顺序进行比较,分析其对主梁后期变形的影响。
然后对目前控制大跨径预应力混凝土梁桥挠度的普遍方法进行研究,包括短期挠度和长期挠度两个方面。长期变形的传统控制方法是设置预拱度,本文通过对预拱度设置方法的分析以及不同方法的比较,为成桥预拱度提供准确的设置方法;短期挠度则依靠对施工线形的监控来调整,而目前大跨径混凝土梁桥施工控制方法的理论都比较抽象,在实际过程中难于操作。本文结合平寨桥的实际监控经验摸索出更实用的线形控制方法,如采用回归分析方法确定挂篮变形挠度的真实值,利用相对高差法来避免施工荷载和温度荷载对立模的影响等。
最后为控制主梁跨中长期下挠提出新的方法,首先,采用顶板预应力控制跨中长期下挠,根据最大悬臂状态预应力弯矩与自重弯矩大致相等的原则,重新配置顶板束,将重配束后的内力、位移及顶板束用量与原设计作比较分析;其次,可以增加跨中底板束用量,增加专门用来减小长期下挠的后期束,本文分析了增加跨中底板束后应力及位移变化,比较了不同位置底板束控制跨中下挠的效率,研究后期束合理张拉时期;再次,对合龙预顶力进行优化,以改善结构内力和主梁的后期变形;提出临时斜拉索辅助合龙与重配预应力束相结合控制跨中长期下挠的设想,做到施工期间箱梁不下挠,则成桥以后长期收缩徐变变形都较小,从而实现对主梁跨中长期下挠进行有效控制。
With the development of science technology and traffic enterprise the long-span continuous girder (rigid frame) bridge has been growing up rapidly in the recent years with it's unique predominance of handy construction, economical cost, reasonable interal force and comfortable traveling. But the theories and experience in it are not very perfect because of it's short appearance. There are still several questions in the construction. In our country, main problems of large span prestressed concrete girder bridges are excessive midspan lag and cracks in box girder. So, it is quite necessary to study how to control long-term deflection of large span prestressed concrete girder bridges.
For prestressed concrete structures, it is important to know how much the prestress loss is occurred and calutate the concrete creep exactly for the deflection of the structures. For multi-span continuous rigid frame bridge, the closure order to bridge internal forces and structural deformation of late should not be overlooked. Firstly, this thesis starts from the point of concrete creep analyses the creep mechanism and the factors affecting the creep, creep theory and the calculation method, discusses their impact on the deformation of girder. Secondly, starting from the prestress loss disicusses its influence to the deflection and derives the corresponding conclusions. Thirdly, comparison the re-construction of a different order of closure, and analysis its main beam deformation of late.
Then study the current control of long-span prestressed concrete girder bridge deflection of a common method,including short-term and long-term.The traditional way that control the long-term deformation is to set up pre-camber. Based on analysis the different methods of pre-camber settings, to provide accurate methods for bridge. Short-term deflection relying on control the construction line to adjust. At present the theory of long-span concrete bridge in the construction control methods are more abstract, which of the process are difficult to operate in practice. This paper will explore more useful of the linear control methods, that combine the practical experience of the Pingzhai bridge monitoring. For example, using regression analysis to determine basket deformation of the true value of deflection,and use of the relative height difference law to avoid the effects of working-load and temperature-load .
Last, using temporary cables together with designing prestress according to integral cast construction to control long-term midspan deflection is studied. Longitudinal prestress tendons are designed according to internal force of integral cast construction, sum of prestress bending moment, selfweight bending moment and bridge deck pavement bending moment is approximately zero. Then to optimize the prejacking force to improve the structure of the internal forces and the main beam late deformation. During construction stage, with the help of temporary cables, box girder will not deflect, so that displacement during construction is very little. After the construction, long-term shrinkage and creep displacement will be very little as well, as a result, long-term midspan deflection is controlled.
在现代预应力混凝土结构中,预应力损失的大小和徐变的准确计算直接影响着结构的挠度,而对于多跨连续刚构桥,合龙顺序对成桥内力及结构后期变形的影响也不容忽视。因此本文第一步从混凝土徐变的角度出发,通过对徐变机理、影响徐变的各种因素、徐变理论及计算方法等的分析,阐述了它们对主梁下挠的影响。第二步再从预应力损失的角度,包括长束预应力、纵向和竖向预应力三个方面,探讨其对挠度的一些影响并得出相应结论。第三步再对不同的施工合龙顺序进行比较,分析其对主梁后期变形的影响。
然后对目前控制大跨径预应力混凝土梁桥挠度的普遍方法进行研究,包括短期挠度和长期挠度两个方面。长期变形的传统控制方法是设置预拱度,本文通过对预拱度设置方法的分析以及不同方法的比较,为成桥预拱度提供准确的设置方法;短期挠度则依靠对施工线形的监控来调整,而目前大跨径混凝土梁桥施工控制方法的理论都比较抽象,在实际过程中难于操作。本文结合平寨桥的实际监控经验摸索出更实用的线形控制方法,如采用回归分析方法确定挂篮变形挠度的真实值,利用相对高差法来避免施工荷载和温度荷载对立模的影响等。
最后为控制主梁跨中长期下挠提出新的方法,首先,采用顶板预应力控制跨中长期下挠,根据最大悬臂状态预应力弯矩与自重弯矩大致相等的原则,重新配置顶板束,将重配束后的内力、位移及顶板束用量与原设计作比较分析;其次,可以增加跨中底板束用量,增加专门用来减小长期下挠的后期束,本文分析了增加跨中底板束后应力及位移变化,比较了不同位置底板束控制跨中下挠的效率,研究后期束合理张拉时期;再次,对合龙预顶力进行优化,以改善结构内力和主梁的后期变形;提出临时斜拉索辅助合龙与重配预应力束相结合控制跨中长期下挠的设想,做到施工期间箱梁不下挠,则成桥以后长期收缩徐变变形都较小,从而实现对主梁跨中长期下挠进行有效控制。
With the development of science technology and traffic enterprise the long-span continuous girder (rigid frame) bridge has been growing up rapidly in the recent years with it's unique predominance of handy construction, economical cost, reasonable interal force and comfortable traveling. But the theories and experience in it are not very perfect because of it's short appearance. There are still several questions in the construction. In our country, main problems of large span prestressed concrete girder bridges are excessive midspan lag and cracks in box girder. So, it is quite necessary to study how to control long-term deflection of large span prestressed concrete girder bridges.
For prestressed concrete structures, it is important to know how much the prestress loss is occurred and calutate the concrete creep exactly for the deflection of the structures. For multi-span continuous rigid frame bridge, the closure order to bridge internal forces and structural deformation of late should not be overlooked. Firstly, this thesis starts from the point of concrete creep analyses the creep mechanism and the factors affecting the creep, creep theory and the calculation method, discusses their impact on the deformation of girder. Secondly, starting from the prestress loss disicusses its influence to the deflection and derives the corresponding conclusions. Thirdly, comparison the re-construction of a different order of closure, and analysis its main beam deformation of late.
Then study the current control of long-span prestressed concrete girder bridge deflection of a common method,including short-term and long-term.The traditional way that control the long-term deformation is to set up pre-camber. Based on analysis the different methods of pre-camber settings, to provide accurate methods for bridge. Short-term deflection relying on control the construction line to adjust. At present the theory of long-span concrete bridge in the construction control methods are more abstract, which of the process are difficult to operate in practice. This paper will explore more useful of the linear control methods, that combine the practical experience of the Pingzhai bridge monitoring. For example, using regression analysis to determine basket deformation of the true value of deflection,and use of the relative height difference law to avoid the effects of working-load and temperature-load .
Last, using temporary cables together with designing prestress according to integral cast construction to control long-term midspan deflection is studied. Longitudinal prestress tendons are designed according to internal force of integral cast construction, sum of prestress bending moment, selfweight bending moment and bridge deck pavement bending moment is approximately zero. Then to optimize the prejacking force to improve the structure of the internal forces and the main beam late deformation. During construction stage, with the help of temporary cables, box girder will not deflect, so that displacement during construction is very little. After the construction, long-term shrinkage and creep displacement will be very little as well, as a result, long-term midspan deflection is controlled.
引文
[1] (美)小沃尔特·波多尔尼,(法)J·M·米勒尔著.预应力混凝土桥梁分段施工和设计.万国朝,黄邦本译.北京:人民交通出版社,1986
[2] 范立础.预应力混凝土连续梁桥.北京:人民交通出版社,2001
[3] 詹建辉,陈卉.特大跨度连续刚构主梁下挠及箱梁裂缝成因分析.中外公路 2005年 2 月
[4] 杨志平,朱桂新,李卫.预应力混凝土连续刚构桥挠度长期观测.公路,2004年 8 月
[5] 马健.三门峡黄河公路大桥的主桥加固.公路,2004 年 6 月
[6] 陆中元,李建华,朱念清.广东南海金沙大桥的维修加固.铁道建筑,2004 年第10 期
[7] 陈开利.帕劳共和国的桥梁倒塌事故.国外公路,1998 年第 3 期
[8] 孙海林,叶列平,杨孚衡.城市轨道交通预应力混凝土连续梁桥的收缩和徐变分析.公路交通科技,2005 年 1 月
[9] 李海军,李军.连续梁桥预应力箱梁腹板裂缝成因浅析.华东公路,2000, No. 3: 26-29
[10] 戴维.悬灌箱梁 0 号块及 1 号段裂缝整治.世界桥梁,2000. No.2: 70-72
[11] 上官兴等.控制大跨径梁桥长期下挠的新技术.全国公路桥梁学术会议.2004
[12] 詹姆斯.R.利比,诺曼.D.拍金斯公路桥梁上部结构(设计原理与施工方法)人民交通出版社,1982
[13] 苏通大桥建设指挥部.苏通大桥论文集第一辑.中国科学技术出版社,2004. 9
[14] 贵州省交通规划勘测设计院.平寨特大桥施工图设计.2005. 6
[15] Hui-Sheng Chiu, Jenn-Chuan Chen, Kuo-Chun Chang. Long-term deflection controlin cantilever prestressed concrete bridges I:control method. Journal of Engineering Mechanics, 1996, Vol. 12 (6):489~494
[16] 徐岳,王亚君,万振江.预应力混凝土连续梁桥设计.北京:人民交通出版社,2000
[17] 杨高中.桥梁学术论文集.北京:人民交通出版社,2001
[18] 项海帆.高等桥梁结构理论.北京:人民交通出版社,2001
[19] 范立础.桥梁工程.北京:人民交通出版社,1986
[20] 程翔云.梁桥理论与计算.北京:人民交通出版社,1990
[21] 杜官民,陈爱萍.混凝土结构竖向预应力筋锚固应力损失的控制.桥梁建设 06增刊 1
[22] 袁国干.配筋混凝土结构设计原理.上海:同济大学出版社,1990
[23] 潘世建,杨盛福.厦门海沧大桥建设丛书第五册西航道连续刚构桥.北京:人民交通出版社,2002
[24](美)林同炎,柏恩斯.预应力混凝土结构设计(第三版).北京:中国铁道出版,1983
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[28] 李国平.预应力混凝土结构设计原理.北京:人民交通出版社,2000
[29] 楼庄鸿.现有大跨径预应力混凝土梁式桥的缺陷.2003 年全国桥梁学术会议论文集.人民交通出版社,2003 年 9 月
[30] 叶见曙,等.连续箱梁混凝土超方问题研究.公路交通科技,2006, 23 (4): 47- 50
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[32] 张喜刚等.苏通大桥总体设计,苏通大桥论文集第一辑中国科学技术出版社,2004 年 9 月
[33] 向中富.桥梁施工控制技术.人民交通出版社,2001
[34] 徐君兰.大跨度桥梁施工控制.人民交通出版社,2000
[35] 李国平等.上海昊淞江大桥结构状态施工控制技术.华东公路,1994 年第 2 期。
[36] 向木生.连续刚构桥梁施工控制分析.武汉理工大学学报,2002 年 6 月,24 卷第 6 期
[37] 王勇,蒋劲松.连续刚构设计构思的探讨.2003 年全国桥梁学术会议论文集,人民交通出版社,2003 年 9 月
[38] 向中富.浅谈混凝土连续刚构桥.2003 年全国桥梁学术会议论文集,人民交通出版社,2003 年 9 月
[39] 王仁贵等.预应力混凝土连续刚构桥设计.2003 年全国桥梁学术会议论文集,人民交通出版社,2003 年 9 月
[40] 公路桥函设计通用规范((JTJ 021-89),北京:人民交通出版社,1989 年
[41] 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥函设计规范(JTJ 023-85),北京:人民交通出版社,1985 年
[42] 公路桥函设计通用规范(JTG D60-2004),北京:人民交通出版社,2004 年
[43] 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥函设计规范(JTG D62-2004),北京:人民交通出版社,2004 年
[44] 美国公路桥梁设计规范荷载与抗力系数设计法 SI 单位第一版 1994 年北京:人民交通出版社,1997 年
[45] 何天涛,颜东煌.大跨度连续刚构桥的线形控制. 2008 年全国桥梁学术会议论文集. 2008 年 5 月
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[47] 颜东煌.斜拉桥合理设计状态确定与施工控制:[博士学位论文].湖南:湖南大学,2001
[48] 邹毅松,单荣相.连续刚构桥合龙顶推力的确定[J].重庆交通学院学报,2006,4(2):12-15
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[51] 张建民,郑皆连,肖汝诚.钢管混凝土拱桥吊装过程的最优化计算分析[J].中国公路学报,2005,4(2):41-44
[52] 颜东煌 ,刘光栋 .确定斜拉桥合理施工状态的正装迭代法 [J].中国公路学报,1999,12(2):59-64
[53] 肖汝诚等.结构关心截面内力、位移混合调整计算的影响矩阵法[J].计算结构力学及其应用,1992,9(1):91-98
[54] 周军生,楼庄鸿.大跨径预应力混凝土连续刚构桥的现状和发展趋势.中国公路学报,2003 年 1 月
[55] 牛和恩.虎门大桥工程(第三册)[M].北京:人民交通出版社,1999 193
[56] 彭庭佳,蔡正.预应力连续刚构桥设计中应注意的几个问题[J].公路与自然,2004, ( 2): 19
[57] 张水水,曹淑上.大跨度连续刚构桥预拱度设置力法初探[C]//. 2005 年茅以,桥梁学术会议论文集.重庆:重庆大学出版社, 2005
[58] Z.Smerda, Vladim. Creep and shinkage of concrete elements and structures. SNTL-Publishers of technical literature, PRAGUE, 1988
[59] 张劲文,颜东煌译.徐变对预应力混凝土结构连续性的影响.国外公路,1998.6
[60] 李传习,杨飞跃,张建仁.节段施工桥梁的徐变变形及内力重分布研究.中国公路学报,2000.4
[61] 昊小平,宋一凡,贺拴海.公路钢筋混凝土梁桥的长期挠度分析.交通运输工程学报,2001. 4
[62] Alfred G.:Bishexa, Mevber, ASCE, and Nicholas.G..Papakonstan-timou.Analysis of Cast-in Plaee Concrete Segmental Cantilever Bridges. Journal of Structural Engineering, May, 1990
[63] 谢竣,王国亮,郑晓华.大跨径预应力混凝土箱梁桥长期下挠问题的研究现状.公路交通科技,2007.1
[64] 王法武,石雪飞.大跨径预应力混凝土梁桥长期挠度控制研究,中外公路,2006年 8 月
[65] 陈湘林.箱梁腹板开裂与竖向预应力质量的探讨.海威姆预应力技术,2001 年第 1 期
[66] 杨美良.徐变系数计算的实用数学表达式,湖南交通科技,2000-03,26 (1): 42-43
[67] 成堂春.虎门大桥辅航道连续刚构桥施工控制:[硕士学位论文].广州:华南理工大学,2003
[68] 李恒旺.连续刚构桥纵向预应力优化设计研究:[硕士学位论文].上海:同济大学,2003
[69] 杨小兵.混凝土收缩徐变预测模型研究:[硕士学位论文].武汉:武汉大学,2004
[70] 涂杨志.大跨度预应力混凝土连续梁桥预应力损失研究:[硕士学位论文].武汉:武汉理工大学,2003
[71] 胡狄.预应力混凝土桥梁徐变效应分析:[博士学位论文].长沙:中南大学,2003
[2] 范立础.预应力混凝土连续梁桥.北京:人民交通出版社,2001
[3] 詹建辉,陈卉.特大跨度连续刚构主梁下挠及箱梁裂缝成因分析.中外公路 2005年 2 月
[4] 杨志平,朱桂新,李卫.预应力混凝土连续刚构桥挠度长期观测.公路,2004年 8 月
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[6] 陆中元,李建华,朱念清.广东南海金沙大桥的维修加固.铁道建筑,2004 年第10 期
[7] 陈开利.帕劳共和国的桥梁倒塌事故.国外公路,1998 年第 3 期
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[16] 徐岳,王亚君,万振江.预应力混凝土连续梁桥设计.北京:人民交通出版社,2000
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[20] 程翔云.梁桥理论与计算.北京:人民交通出版社,1990
[21] 杜官民,陈爱萍.混凝土结构竖向预应力筋锚固应力损失的控制.桥梁建设 06增刊 1
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[26] (德)F.莱昂哈特.混凝土桥梁结构.湖南大学出版社,1989 年 8 月
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[28] 李国平.预应力混凝土结构设计原理.北京:人民交通出版社,2000
[29] 楼庄鸿.现有大跨径预应力混凝土梁式桥的缺陷.2003 年全国桥梁学术会议论文集.人民交通出版社,2003 年 9 月
[30] 叶见曙,等.连续箱梁混凝土超方问题研究.公路交通科技,2006, 23 (4): 47- 50
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[36] 向木生.连续刚构桥梁施工控制分析.武汉理工大学学报,2002 年 6 月,24 卷第 6 期
[37] 王勇,蒋劲松.连续刚构设计构思的探讨.2003 年全国桥梁学术会议论文集,人民交通出版社,2003 年 9 月
[38] 向中富.浅谈混凝土连续刚构桥.2003 年全国桥梁学术会议论文集,人民交通出版社,2003 年 9 月
[39] 王仁贵等.预应力混凝土连续刚构桥设计.2003 年全国桥梁学术会议论文集,人民交通出版社,2003 年 9 月
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