大跨度预应力混凝土箱梁桥腹板抗裂敏感性与配索优化分析.pdf
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1、第 2 8卷 第 3期 2 0 1 1年 9月 建 筑科 学与工程 学报 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g Vol _ 28 Se p t NO 3 2 0 11 文章 编号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 2 9 0 5 0 大跨度预应 力混凝 土箱梁桥腹板 抗裂敏感性与 配索优化分析 赵启林 , 丁 勇 , 翟可为 ( 中国人民解放军理工大学工程兵工程学院 , 江苏 南京 2 1 0 0 0 7 ) 摘 要 : 针 对 各
2、国大量 悬 浇预应 力混 凝 土箱 梁桥 出现腹 板斜 裂缝 , 且腹 板 单 纯配置 竖 向 索的桥 梁比腹 板设置下弯索的开裂更为严重的现 象, 采用敏感性分析方法对单纯采用竖向索和单纯采用下弯索 的腹 板抗 裂性 进行 了对 比分析 ; 针 对腹板 不仅 存在 剪 应 力而且 存在 竖 向拉应 力 的客观 事 实 , 证 明 了 下 弯 索无法 克服腹 板 竖 向拉 应 力导 致 的主拉 应 力 , 指 出腹板 进 行 竖 向 索与 下 弯 索 混合 配 置 的 必要 性 , 且 推 导 出 了腹板 竖向 索与 下弯 索的合 理 配置 比例 。结果 表 明 : 在 其他 因素 相 同的情
3、 况 下 , 采 用 竖向索抗剪的腹板抗裂可靠性明显低 于采用下弯索的腹板抗裂可靠性。 关 键 词 : 斜 裂缝 ; 大跨 度 ; 预 应力 混凝 土箱 梁桥 ; 腹板 ; 敏 感性 中图分 类 号 : U4 4 8 2 1 3 文 献标 志码 : A An a l y s i s o f W e b An t i _ c r a c k S e n s i t i v i t y a n d T e n d o n- - c o l l o c a t i ng Op t i mi z a t i o n f o r Lo n g 。 s p a n Pr e s t r e s s e d
4、 Co nc r e t e Bo x - - g i r d e r Br i d g e ZHAO Qi l i n,DI NG Yo n g,ZHAI Ke we i (S c ho ol of Engi ne e r i ng Cor ps,PI A U n i v e r s i t y o f Sc i e nc e a n d Te c hn ol og y, Na n j i n g 2 1 0 0 0 7 ,J i a n g s u ,C h i n a ) Abs t r a c t :Th e i nc l i ne d c r a c ks i n we bs o f
5、 p r e s t r e s s e d c o nc r e t e b ox g i r d e r br i d ge wi t h s u s p e n de d c o ns t r u c t i o n t oo k pl a c e f r e q ue nt l y,a n d i t wa s mo r e c o mm o n i n t he s e wi t h pur e ve r t i c a l t e n do ns t h a n t h o s e wi t h b e n d i n g o n e s Co mp a r i s o n o f
6、 we b a n t i c r a c k p r o p e r t y wa s c o n d u c t e d b e t we e n t he m wi t h t he me t h od o f s e ns i t i v i t y a n a l ys i s Be n di n g t e nd on s we r e p r ov e d no t t O o v e r c ome t he pr i n c i p a l s t r e s s du e t O ve r t i e a l t e ns i l e s t r e s s wi t h
7、t h e f a c t t ha t v e r t i c a l t e ns i l e s t r e s s e xi s t s a s we l l a s s he a r i n we bs Th e ne e d o f mi xe d c on f i g ur a t i o n wi t h be n di ng t e nd on s a n d v e r t i c a l on e s wa s h i ghl i ght e d,a nd s u i t a b l e pr o po r t i o n b e t we e n v e r t i c
8、 a l a n d b e nd i n g t e nd on s wa s gi v e n Th e r e s u l t s i n di c a t e t he we bs wi t h be n di n g t e n d ons a r e m o r e r e l i a b l e t ha n t h os e wi t h p ur e v e r t i c a l on e s o bv i o us l y e v e n un de r t he s a me c o nd i t i o n Ke y wo r d s:i nc l i ne d c
9、r a c k;l o ng s pa n;pr e s t r e s s e d c o nc r e t e b ox g i r d e r b r i d ge;we b;s e ns i t i v i t y 引 目 采用悬臂法施工的预应力混凝土桥梁一般采用 悬臂索下弯 、 设置竖 向预应力钢筋或下弯索与竖 向 索 混合 设置 3种 方法来 抵 消腹 板 由剪应 力产 生 的主 拉应 力 。但 是随 着 桥梁 运 营 年 限 的增 加 , 大 量 该类 桥梁 出现 了挠 度 过 大 的现 象 , 且 在 出现 挠 度 过 大 的 同时 必然 伴 随腹板 开裂 。根 据交 通运 输
10、部 公 路科 收稿 E t 期 : 2 O 1 1 0 5 0 2 基金项 目: 国家高技术研究发展计划( “ 八六三” 计划) 项 目( 2 0 0 7 AA1 1 Z 1 2 0 ) 作者简介 : 赵启林( 1 9 7 3) , 男 , 江苏淮安人 , 副教授 , 工学博士 , E ma i l : z h a o h s q 1 9 1 9 1 6 3 c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 O 建 筑科 学与 工程 学报 2 0 1 1血 学研 究 院对 中 国 1 9 8 0年 以后 建 造 的主跨 跨 径 大 于 6 O m 的近 1 8
11、 0座混 凝土 桥梁 病 害调 查 发现 : 在单 纯配置竖向索 的箱梁中跨四分点出现斜裂缝 的比例 高达 9 5 , 比弯索形式多近 2 0 。为此大量学者对 该现象进行了详细研究 , 普遍认为竖向索的施工可 靠性 比较 低是 导致 问题 出现 的 主要 原 因 , 因 而更 多 地要 求加 强竖 向预应 力 索 的 施 工控 制 , 保 证 竖 向有 效 预应力 满足 设计 要求 _ 3 , 或 建议设 计 中尽 量采 用 下弯 索 , 减少甚 至 取消竖 向索 。毫无 疑 问 , 竖 向预 应力 索 的施 工 可 靠 性 低 是 导 致 腹 板 开 裂 的 主 要 原 因, 本文中笔者将
12、从理论上加 以说明 : 即使竖 向索与 下弯 索 的施工 可靠 性 一 致 , 单 纯 采 用 竖 向 索 的腹 板 抗裂 可靠 性本 身就 低 于设 置 下弯 索 的腹板抗 裂 可靠 性 , 因而即使没有施工问题 , 以上现象也会 出现 ; 同 时对 悬臂 施工 的 大跨 度 预 应 力 混凝 土箱 梁 桥 而 言 , 由于腹板 竖 向拉应 力 的客 观 存 在 , 竖 向索 的配 置 又 是必不可少的, 因此下弯索与竖 向索之间存在一个 合理配置 比例 。 1 2种配索方式的可靠性对 比分析 在悬浇预应 力混凝 土箱 梁桥 中, 腹板 配索 有 2种 典型 的方式 : 一种 是悬 臂 索直
13、 线 配置 ; 一种 是 将 悬臂 索在接 近锚 固点 时进行 下 弯 。悬 臂索 直线 配 置 是在 腹板上单独设置竖向预应力钢筋来抵抗使用状态的 剪力 ( 图 1 ) , 对应腹板第 一主应力 d r 的计算 公式为 I 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一 一 一 ( ) z + r ( 1O t ) p 一 _ 一 一 _ 一 , 1 _ r Q 厶 V 厶 直线 索 竖 向索 图 l 腹 板 单 纯 配置 竖 向 索 Fi g 1 W e b
14、s wi t h Pu r e Ve r t i c a l Te ndo n s 式 中: r o为计算主应力点 由作用短期效应组合计算 的剪力 Q 产生 的混 凝土 剪应 力 ; d r 为 计算 主应 力 点 由预加力和按作用短期效应组合计算弯矩 M 产生 的混凝 土纵 向应 力 ; 为 竖 向预应 力 钢 筋 的预 加 力 产 生 的混凝 土竖 向压 应力 。 将悬臂索在接近锚固点时进行下弯可以依靠下 弯 索 的竖 向分力 来 抵 抗 使 用 状 态下 的剪 力 ( 图 2 ) , 对 应腹 板第 一主 应力 的计 算公式 为 一厂 一 p O c x 一 ( ) 。 +( r Q +
15、r Q 、 ) ( 2 ) V 式中: r 。为计算主应力点由预应力弯起钢筋的预剪 力 Q 产 生 的混 凝 土剪应 力 。 后 划 张 拉 钏 索 图 2 腹板单纯配置下弯 索 Fi g 2 W e b s wi t h Pu r e Be ndi ng Te n do n s 由式 ( 1 ) 可知 , 腹板 仅 配置 纵 向直 线索 与 竖 向索 时 , 腹 板混凝 土第 一主 应力 受 到纵 向应力 、 竖 向应力 与剪应力 的共 同影 响 。由于腹 板纵 向直线 索 的配索 量 主要 由结构 的整体抗 弯性 能确定 , 规范 J T G D 6 2 2 0 0 4中对其 配 置标 准
16、有 详 细规 定 , 因而在 腹 板 中性 轴 附近形成 的纵 向压应力一 般较大 并相 对 固定 , 大多 在 1 0 MP a以上 。这样 竖 向应力 与剪应力就成 为影 响 腹板 主应力 的主要变量 。腹板 第 一 主 应 力关 于竖 向 压 应力 、 剪应 力 r的偏 导数 可分 别表 示 为 _ 0 5 + ( 晶( 3 ) - 2( r Q- T Q y) ( 警 _ r Q ) ( 4 ) 在结 构 设 计中 一般 有 r Q , 雩 r 。 一 r 。 , 则 有 1 2 0 7 ( 5) 竺 二三 竺 ( O c y 一 ,此式 的 意义 为 腹 板 第 一 主 应 力 对
17、竖 向预 应 力 Qy 的敏感性比对下弯索预剪应力的敏感性更高 。 为 了定 量说 明 以上结 论符合 实 际桥 梁结 构 中的 应力状态, 根据文献E 8 中对多座桥梁的分析结果可 知 , 一般桥梁在使用荷载下 1 4跨 附近腹板的剪应 力 一般 在 5 MP a 左 右 , 按 照纵 向应 力在 设 计范 围内 分别取 6 、 1 0 、 1 5 、 2 0 MP a , 代入式 ( 1 ) 、 ( 2 ) 中, 而后在 0 -4 MP a区间变 化竖 向预 压应 力 与 下 弯 索 的 预剪 应力计算相应 的第一主应力 , 得到第一主应力关 于 预压 应力 和 预剪应 力 的关 系 曲线
18、 , 见 图 3 。 由图 3 可 以看 出 , 在 纵 向应 力 为 6 MP a的情 况 下 , 第一主应力 随竖向压应力与随预剪应力的变化 规律基本一致 , 也就是说两者可靠性基本相 同。 但 当纵向应力 为 2 0 MP a时, 第一主应力随竖 向压应 力与 随预 剪应 力 的变 化 规 律 有 明显 差 异 , 第 一 主应 力与竖向压应力基本呈线性关系, 而第 一主应力与 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 赵 启 林 , 等 : 大跨 度预 应 力 混凝 土箱 梁桥腹 板抗 裂敏 感 性与 配 索优 化 分析 3 1 = 1 瓣 25 20
19、1 5 1 0 蚕。 。5 1 一O5 瓣一 1 0 1 5 2 O 垛一 ( a ) 纵 向应 力6 MP a 预 应力 MP a ( b ) 纵 向应 力1 0 MP a 预 应力 MP a ( c ) 纵 向应 力1 5 MP a 预应 力 MP a ( d ) 纵 向应力2 0MP a 图 3 第一 主应 力 与 预 应 力 的 关 系 曲线池 F i g 3 R e l a t i o n s B e t w e e n t h e F i r s t P r i n 四 I i 器 St r e s s e s a nd Pr e s t r e s s e s 一 预剪 应力 则
20、 呈非 线性 关 系 , 所 有 点 的斜 率 都 小 于 第 一 主应力与竖向压应力关系曲线的斜率。如果在 2 种配索方式下, 腹板设计控制 的第一主应力都为 0 , 而后随竖 向索与下弯索预应力损失 , 第一 主应力都 降低至拉应力 1 MP a 。竖 向预应力与下弯索预应力 所需的损失值见表 1 。由表 1可 以看 出, 在纵 向应 力大于 6 MP a 、 第一主应力降低相同量值的情况下 , 表 l 主 应 力 为 0 1 MPa时 预 应 力 所 需 损 失 值 Ta b 1 Pr e s t r e s s Lo s s Va l ue s whe n Pr i nc i p al
21、 S t r e s s Va r i e s f r om 0 t o 1 M Pa MPa 纵 向应力值 6 1 O 1 5 2 O 竖向索 预应力损失值 1 5 1 3 1 O 1 0 下弯索预应力损失值 r Q 1 5 2 4 3 O 3 6 竖向索预应力所需损失值明显小于下弯索 。而悬浇 的大 跨度 预应 力混 凝土 箱梁 桥 的纵 向应力 一般 都在 6 MP a以上 , 因此该 类 桥 梁腹 板 第 一 主 应 力对 竖 向 索预应力损失 的敏感性 明显大于其对下弯索预应力 损失 的敏 感性 。 2 竖 向索 的必要性分析 事实上并不是采用下弯索就能提高腹板抗裂可 靠 性 , 从
22、 腹板 竖 向应力 计算 模式 的研 究 可知 , 即使 没 有竖 向预 应力 索 , 因受 顶板 局部 锚 固效 应 、 顶板 索 的横 向效应 等 因素 的 影 响 , 腹 板 局部 会 出现 较 大 的 竖 向拉应力 , 在最不利组合下甚至可以达到 5 MP a 。 因此 , 即使没 有 竖 向索 与 下弯 索 , 在 只有 纵 向直线 索 的情况 下 , 腹 板第 一 主应力 计算 公 式也应 表示 为 I 一 一 O 下 cx- - O c y 一 ( ) z + r ( 7 ) tp 一 _ I 一 一 一 T r Q , , 厶 V 厶 式 中 : 为 顶 板 局 部锚 固 效
23、应 、 顶 板 索 的横 向效 应 等 导致 腹板 出现 的综 合竖 向应 力 。 由式 ( 7 ) 可 知 , 腹 板竖 向拉 应力 与剪 应力 一样 都 会使 腹板 在 第一 主 应力 方 向产 生 拉 应 力 , 如 果 仅 依 靠纵向下弯索进行第一主应力的控制, 则有 I。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一 一 一 ( _
24、) 。 + ( r Q + r Q , ) ( 8 ) p 一 _ 厂 一 一 ,、 厂 一 厂 十 L r Q 十 、, 厂 L 由于 ( r Q +r Q) O , 于是 恒有 口 ( 9 ) 式 ( 9 ) 表 明 , 在 只有 下 弯 索 的情 况 下 , 腹 板第 一 主应 力恒 小 于腹板 综合 竖 向应 力 , 即 如果 腹板 综 合竖 向应 力 为 拉 应 力 ( 0 ) , 则 腹 板 第 一 主应 力 一 定 为更 大 的拉应 力 , 因此 , 下 弯索无 法 消除竖 向拉 应力 的效 应 , 只有 设 置 竖 向索 才 可 以抵 消 部分 或 全 部竖 向拉 应力 效应
25、, 所 以 , 如 果希 望控 制腹 板不 出 现 拉 应 力或拉 应 力满 足规 范 J T G D 6 2 2 0 0 4要求 , 对 悬臂施工的大跨度预应力? 昆凝土箱梁桥配置竖 向索 是必 不可 少 的 , 腹 板应 采用 下 弯 索 与 竖 向索混 合 配 置 的配索 形式 。 3 竖 向索与下弯 索的合理 配置 比例 从 前 面 的 分 析可 知 , 对 于 悬 浇 预应 力 混凝 土 箱 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 建 筑科 学与 工程 学报 2 O 1 1年 梁桥 , 混 合配 索是 必要 的 , 于是第 一 主应力 的计 算公
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- 跨度 预应力 混凝土 箱梁桥 腹板 敏感性 优化 分析
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