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1、2019/1/6,1,预应力连续梁桥的设计 浅谈如何规避下挠和开裂的风险,湖南大学 邵旭东 教授,2011年11月 佛山,2019/1/6,大跨梁桥的几种类型,2019/1/6,等截面连续梁,变截面连续梁,连续刚构,刚构连续组合梁,2019/1/6,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200m跨径以内的主力桥型。,2019/1/6,大跨梁式桥经长期使用后，容易出现一些较常见的病害。概括起来有：,概 述,一、跨中下挠；,二、梁体开裂。,2019/1/6,1978年建成通车的帕劳共和国科罗巴岛桥，主跨241 m的P
2、C连续刚构桥，通车后不久就开裂和下挠，1996年9月倒塌。,典型实例：,2019/1/6,一、梁体下挠问题,2019/1/6,梁体下挠,跨中下挠是十分普遍的现象。主因由混凝土徐变引起。 跨中下挠往往伴随跨中段出现横向裂缝和大量斜裂缝，其下挠可达到相当大的程度，造成严重病害。,2019/1/6,黄石长江公路大桥跨中下挠，最大已达到33.5cm，当然同时出现大量的主拉应力斜裂缝与跨中区段横向裂缝。,梁体下挠,2019/1/6,湖北钟祥汉江大桥 因下挠和开裂等严重病害而拆除重建！,年月通车，05年拆除65m+3100m+65m，五跨连续箱梁桥,2019/1/6,钟祥大桥正在拆除,2019/1/6,跨
3、中下挠的预防对策,梁体下挠,2019/1/6,（一）控制负弯矩区域截面的应力梯度,梁体下挠,2019/1/6,梁体下挠,徐变下挠大,徐变下挠小,沿截面高度的压应力分布梯度：,2019/1/6,梁体下挠,只有轴向徐变,徐变上拱,沿截面高度的压应力分布梯度：,2019/1/6,设计对策：,梁体下挠,上缘增大压应力（加预应力）,下缘减小压应力（增加底板厚度）,2019/1/6,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。,2019/1/6,梁体下挠,2019/1/6,跨中下挠的预防对策：,（二）足够的正截面和斜截面强度,梁体下挠,
4、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，因此保证梁有足够的正截面强度和斜截面强度是首要的。计算中要充分考虑徐变的不利影响。,2019/1/6,（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,（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。,2019/1/6,（四）特大跨径梁桥跨中区段轻型化,梁体下挠,2019/1/6,斯托尔马桥(L=301m)， 跨中182m为C60轻质混凝土,梁体下挠,2019/1/6,重庆石板坡长江大桥跨中108m长为钢梁,梁体下挠,2019/1/6,（五）徐变计算适当考虑活载影
5、响,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。,2019/1/6,二、梁体开裂问题,2019/1/6,交通部公路科学研究院曾经对全国公路系统主跨大于60 m的近180座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：,梁体开裂,2019/1/6,梁体开裂斜裂缝,（一）腹板斜裂缝,2019/1/6,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,2019/1/6,黄石长江公路
6、大桥通车七年后，于2002年5月对大桥进行了检测，发现严重的病害，箱梁裂缝检出2438条，其中1957条分布在箱梁腹板内表面上（占80.3%）， 384条分布在腹板外表面上（占15.8%）， 87条分布在箱梁底板上（占3.6%）。,箱梁腹板裂缝统计,黄石长江公路大桥开裂现象,2019/1/6,黄石长江大桥腹板裂缝,2019/1/6,梁体开裂斜裂缝,预防腹板斜裂缝的设计对策,2019/1/6,梁体开裂斜裂缝,1、腹板计算应考虑空间效应,面内应力：,2019/1/6,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,2019/
7、1/6,产生水平拉应力,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,2019/1/6,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,2019/1/6,3、设置高效竖向预应力,梁体开裂斜裂缝,2019/1/6,竖向预应力不足是预应力箱梁腹板出现斜裂缝的主要原因之一。 精轧螺纹钢锚固体系存在以下不足：,（1）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；,（3）张拉控制应力高，易断筋，难更换；,梁体开裂斜裂缝,（4）施工质量难以检验。,201
8、9/1/6,混凝土箱梁的精轧螺纹钢竖向预应力筋,2019/1/6,精轧螺纹钢预应力筋于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,2019/1/6,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,2019/1/6,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,2019/1/6,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,2019/1/6,
9、a)第一次张拉钢绞线 b)第二次张拉锚杯 c）拧紧螺母 至设计荷载 至设计荷载 消除回缩,梁体开裂斜裂缝,2019/1/6,4m长的钢绞线经二次张拉后，回缩损失由25降为3.6，预应力效率至少是精轧螺纹钢的2倍。,2. 竖向高效预应力体系,2019/1/6,第二次张拉锚杯至设计荷载 螺母与垫板密贴,梁体开裂斜裂缝,2019/1/6,梁体开裂纵向裂缝,（二）纵向裂缝 顶、底板裂缝,2019/1/6,梁体开裂纵向裂缝,原因和对策,2019/1/6,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
10、时，易出现顶板下缘的纵向裂缝。 限超,2019/1/6,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。,2019/1/6,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。这个问题可望得到解决。,2019/1/6,梁体开裂纵向裂缝,3、纵向应力的泊松效应,若混凝土的纵向压应力 则相应的横向拉应力可达,2019/1/6,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
11、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,2019/1/6,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。,2019/1/6,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,跨中区域底板横向受力分析,梁体开裂纵向裂缝,2019/1/6,跨中区域底板横向受力分析,跨中底板病害类型一般有三种： （基本由底板后期束引起
12、） 1）底板混凝土局部区域崩裂； 2）底板上、下层钢筋网分层； 应布置可靠的钩筋 3）跨中底板下缘的纵向裂缝。 横向钢筋配足,底板上、下层钢筋网分层,梁体开裂纵向裂缝,2019/1/6,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，而沥青混凝土摊铺时要求高温操作，摊铺温度往往高达1500C。,大气,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,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,2019/1/6,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！,201
13、9/1/6,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,有限元热分析得出：,2 、对于沥青铺装层，温度在最初的一 段时间内下降非常快，30min之内，温度下降了将近500C。,1、不同深度处达到的最高温度相差很大.,2019/1/6,通过对以上参数的分析，得出：,沥青混凝土摊铺引起的最大温度梯度,最大温差T的取值(OC),建议按施工荷载考虑 沥青高温对桥面的影响,沥青高温摊铺对箱梁顶板的影响：,梁体开裂纵向裂缝,2019/1/6,（三）横向裂缝,2019/1/6,梁体开裂横向裂缝,大跨径梁桥的设计中，通常采用全预应力设计。对于全预应力或部分预应力A类构件，都不应该
14、出现横向裂缝。出现横向裂缝，反映了正截面强度的不足。,2019/1/6,梁体开裂横向裂缝,1、有效预应力不足 过早加载，预应力徐变损失大。 沿管道预应力损失偏大。 预应力筋因管道压浆不饱满和浆体离析而锈蚀。,主要原因,2019/1/6,梁体开裂横向裂缝,2、对剪力滞影响考虑不够 腹板区域上下缘纵向拉应力远大于平均应力。 3、梁体下挠，内力转移过大。,主要原因,2019/1/6,徐变导致内力重分布，负弯矩减小，正弯矩增大。 跨中区域应配置足够的后期束防止底板开裂,梁体开裂横向裂缝,2019/1/6,梁体开裂横向裂缝,4、摩擦桩不均匀沉降导致开裂 应慎用连续结构！,2019/1/6,thank you for attention!,介绍结束 谢谢大家,人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。,
