六冲河大跨径预应力混凝土斜拉桥预应力后期束优化研究.pdf

公路 交通技 术2 0 1 5年 6月 第 3期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t J u n 2 0 1 5 N o 3 D O I ： 1 0 1 3 6 0 7 j c n k i g l j t 2 0 1 5 0 3 0 0 1 1 六冲河大跨径预应力混凝土斜拉桥 预应力后期束优化研究 刘超豪， 田 彬 ( 贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司， 贵阳5 5 0 0 8 1 ) 摘要： 斜拉桥的发展趋势是跨径超大化、 结构轻型化， 使其结构受力性能更为复杂， 其受力性能的进一步优化显得 尤为重要。以混凝土梁预应力理论为基础， 选择六冲河主跨4 3 8 m大跨径双塔斜拉桥作为研究对象， 对斜拉桥中最 典型的大跨径双塔斜拉桥的预应力后期束配置进行优化研究， 运用大型有限元计算软件 Mi d a s C i v i l 对不同预应力 度下的结构进行计算， 分析其受力性能， 使其在结构受力性能和经济性上更为合理， 为混凝土斜拉桥预应力设计提 供一定的参考。 关键词 ： 斜拉桥 ； 后期 束 ； 优化 ； 应 力 文章编号 ： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 0 4 7 0 5 中图分 类号 ： U 4 4 8 2 7 文献标识 码 ： A Op t imiz a t io n Re s e a r c h o n Pr e s t r e s s e d L a t e T e n d o n s o f L iu c h o n g Ri v e r L a r g e s p a n Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Ca b l e s t a y e d Br id g e L I U Cha o h a o，TI AN Bi n Ab s t r a c t ：At p r e s e n t ，t he c a b l es t a y e d b rid g e s e x h i b i t a d e v e l o p me n t t e n d e nc y o f s u p e rl a r g e s p a n a n d l i g h t e r s t r u c t u r e， e n a b l i n g me c h a n i c a l p e r f o r ma n c e o f s t ruc t u r e s t o b e mo r e c o mp l i c a t e d ，t h e r e f o r e ，f u rt h e r o p t i mi z a t i o n o f me c h a ni c a l p e r f o r ma n c e s h o ws p a rti c ul a r i mp o r t a n c e On t h e ba s i s o f t h e t h e o r y o f p r e s t r e s s e d c o nc r e t e b e a ms ，t h i s p a pe r s e l e c t s Li u c h o n g Ri v e r La r g es p a n Do u b l et o we r Ca b l es t a y e d B ri d g e a t a m a i n s p a n o f 4 3 8 m a s t h e o b j e c t o f r e s e a r c h t o c o n d u c t o p t i mi z a t i o n r e s e a r c h o n c o n fi g u r a t i o n o f p r e s t r e s s e d l a t e t e n d o n s o f t h e mo s t t y p i c al l a r g e s p a n do u b l e t o we r c a bl e -s t a y e d b r i d g e s i n c a b l e- - s t a y e d b ridg e s ，a nd c a l c u l a t e s s t ruc t u r e s u n d e r di f f e r e n t d e g r e e s o f p r e s t r e s s b y me a n s o f l a r g es c a l e fin i t e e l e me n t c o mp u t a t i o n a l s o ft wa r e Mi d a s C i v i l a n d a n a l y z e s i t s me c h a n i c a l p e rfo rm a n c e w i t h t h e p u r p o s e s o f r e a l i z i n g mo r e r e a s o n a b l e me c ha n i c a l p e rfo rm a n c e o f s t r u c t u r e s a n d e c o n o my S O a s t o p r o v i d e a c e rta i n r e f e r e n c e f o r p r e s t r e s s d e s i g n o f c o n c r e t e c a b l es t a y e d b rid g e s Ke y wo r d s ：c a b l es t a y e d b r i d g e ；l a t e t e n d o n；o p t i mi z a t i o n；s t r e s s 斜拉桥具有可调性 ， 其主梁在施工 阶段的弯曲 受力和成桥 阶段 的恒载弯矩 都可 以进 行优化。因 此 ， 主梁弯矩在作用效应组合下以活载为主且主要 承受正弯矩 J 。然而 由于混凝土抗拉强度较低 ， 在 荷载作用下必须有足够 的预压应力以避免拉应力过 大导致主梁出现裂缝 ， 从而影响斜拉桥 的使用性能 甚至安全性。 目前 ， 对于预应力混凝土斜拉桥 ， 通常 选用全预应力结 构进行设计 J 。然而 由于全预应 力结构不允许 出现拉应力的特点 ， 需配置更多预应 力钢筋 ， 工程投资往往较高 ， 不仅不经济 ， 而且施工 收稿 日期 ： 2 0 1 41 1 0 5 作者简介 ： 刘超豪( 1 9 8 7一) ， 男 ， 湖南省娄底市人 ， 硕士 ， 助工 也不便 J 。这些 因素对 预应力混凝 土斜拉桥 的进 一 步发展均造成不 良影响。 实际上 ， 随着斜拉桥梁体 向密索体 系与减小梁 体截面刚度 的方向发展 ， 其 主梁 以受压为主的受力 特征越来越 明显地得 到体现 J 。斜 拉索水平 分力 很大程度上给主梁提供 了足够的预压应力 ， 但这种 预压应力在跨 中一定范 围内却不足 ， 合龙段甚至没 有， 因此在荷 载组 合作 用下会 出现 下缘拉 应 力峰 值 5 J 。如果采用全 预应力结构方法进行配置设计 ， 则会带来如下问题 ： 1 )势必造成跨 中区域为了防止 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 5年 下缘拉应力峰值的增大而增加 大量 的预应力钢束 ； 2 )为了满足施工受力要求 ， 设计时会在近塔 区域 附 近增加大量预应力束， 而这些预应力束在成桥运营 阶段却会成为桥梁结构 的负担， 同时由于大量预应 力的增加所引起的混凝土压应力增大反而会 降低结 构的安全性 ； 3 )由于斜拉桥主梁弯矩在荷载组合 作用下 以活载为主， 因此 ， 如果采用全预应力设计 ， 则在活载未作用时 ， 预应力弯矩 因为得不到外荷载 的平衡会成为结构受力的不利 因素。因此 ， 如果采 用部分预应力设计 ， 则可将上述不利因素尽可能降 低到最小程度 ， 从而可避免预压应力过大产生不利 影响， 使预应力混凝土斜拉桥在性能上更为合理 ， 同 时也更便于施工 ， 而节省的预应力钢筋和锚具也能 获得一定的经济效益。 本文以预应力混凝土理论 为基础 ， 对 已建成通 车的贵州省六冲河大桥预应力后期束设计进行合理 优化研究 ， 为类似桥梁的预应力设计提供一定参考。 1工程概 述 六冲河大桥是贵州省黔织高速公路上的一座预 应力混凝土大跨径双塔斜拉桥， 全长 1 5 0 6 0 1 6 m。 主桥跨径布置为 1 9 5 m+ 4 3 8 m+1 9 5 m， 两岸各设 1 个辅助墩 。 主梁横断面为 形肋板 式梁 ， 采用 C 6 0混凝 土。桥面 宽 2 4 1 m， 梁 体高 2 7 m， 主梁顶 板 厚 0 3 2 m 。 该桥斜拉索按双索面扇形密索体系布置 ， 全桥 共有 2 2 0根 。2个主塔均布置 2 7对空 间结构 的斜 拉索， 主塔处设有 1对 0 索作为竖 向支承。主跨部 分的斜拉索在梁上 的索间距是 7 8 m。另外 ， 根据 每个现浇梁段长度的不 同， 还按 6 5 、 5 5 m几种不 同索距进行了布置 。 2 计算模型 六冲河大桥 Mi d a s C i v i l 计算模型共有 8 9 7个 节点 ， 6 7 2个 单 元 ， 其 有 限元 模 型 离 散 图如 图 1 所 示 。 本模型中， 大桥全预应力混凝土主梁预应力钢 束分高强钢绞线和精轧螺纹粗钢筋 2种。预应力钢 绞线采用 1 5 2 0 mm低松弛预应力钢绞线 ， 抗拉 强度 标 准 值 为 = 1 8 6 0 MP a ，弹 性 模 量 E=1 9 51 0 MP a ， 预应力后 期束全部采用 高强钢 图 1 六冲河大桥 Mi d a s 有限元模型 绞线。精轧螺纹钢采用 = 3 2 m m 的 4 0 S i Mn M o V 精轧螺纹粗钢筋 ， 抗拉强度标准值为 7 8 5 MP a 。六 冲河大桥预应力后期束的详细参数见表 1 。 3 优化前六冲河大桥整体性能分析 3 1施工 阶段应 力分析 通常 ， 斜拉桥主梁施工时， 应力分析最为典型的 几个阶段主要有最大双悬臂 、 全桥合龙、 2期恒载以 及成桥 l 0年后收缩徐变基本完成等 4个关键 阶段 。 六冲河大桥各施工阶段主梁最大应力汇总见表 2 。 由计算分析可知 ， 六冲河大桥主梁从合龙开始直 到收缩徐变完成的所有施工阶段， 与边界墩相接的梁 段上缘均出现了 1 MP a的拉应力 ， 其可通过配置抗裂 钢筋来解决。主梁上下缘承受的最大压应力分别 为 1 1 9 、 1 6 7 MP a ， 均小于 0 7 厶 ( f c 为混凝土轴心抗压 强度标准值) ， 满足规范 要求。由此可知 ， 在整个施 工过程中六冲河大桥主梁应力满足要求。 3 2主梁承载能力计算 在极限承载能力设计荷载基本组合作用下主梁 结构最大 、 最小弯矩( 计人 了桥梁重要性系数 ) 与对 应的结构最大、 最小抗力的对比如图2所示。 3 3 主梁弹性应力计算 对主梁在最不利荷载组合下的弹性应力进行 了 验算 ， 各作用效应的相关组合 系数均为 1 0 。优化 前混凝土主梁在最不利荷载组合下的应力包络图如 图 3所示 。 善 倡 图 2 主梁弯矩与抗力对 比 最大弯矩 一 最小变距 最大抗力 最小抗力 下缘最大应力 一 下缘最小应力 上缘最大应力 一 上缘最小应力 图 3 最不利荷载组合下主梁应力包络图 咖咖 咖 。 咖 咖 咖 姗抛 姗 一 一 囊 静 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第3期 刘超 豪， 等： 六冲河大跨径预应力混凝土斜拉桥预应力后期柬优化研究 4 9 SH0 S H1 S H2 S H3 S H4 S H5 S H6 S H7 SH8 SH9 SH1 0 SB1 S B2 S B 3 SB 4 S B5 S B 6 S B7 S B8 MH1 MH2 MH3 MH4 MB1 MB1 MB2 MB2 MB3 MB3 MB4 MB 4 MB5 MB5 MB6 MB6 MB7 MB7 1 5 1 9 1 5 1 9 1 5 1 9 1 5 1 9 1 51 9 1 51 9 1 51 9 l 51 9 1 51 9 5 5 5 9 9 9 1 51 9 1 51 9 1 51 9 1 51 9 1 51 9 1 5一l 9 1 51 9 1 52 2 1 52 2 1 52 2 1 52 2 1 52 2 1 52 2 1 52 2 1 52 2 1 52 2 1 52 2 1 52 2 1 52 2 1 52 2 1 52 2 1 5 2 2 l 5 2 2 1 52 2 1 52 2 0 75 0 7 5f 0 7 5 0 7 5 厶 0 7 5 0 7 5 0 7 5 k 0 7 5f k 0 7 5 厶 0 7 5 厶 0 7 5 0 75 0 75 0 7 5 0 75 0 7 2 5 厶 0 7 2 5 厶 0 72 5 0 72 5 0 75 0 75 0 75 0 75 0 7 5 0 7 5 f k 0 7 5 f k 0 75 0 75 0 75 0 75 0 7 5 0 75 0 75 0 7 5f k 0 7 5 厶 0 7 5 0 7 5f k 3 5 3 9 7 4 4 6 3 9 6 4 5 7 3 9 6 4 58 51 8 3 58 5 2 4 6 71 l 1 8 8 71 11 8 3 7 7 6 1 8 8 7 7 61 8 3 8 3 08 8 4 8 3 1 2 6 2 6 4 49 0 8 6 4 52 0 8 1 1 5 2 5 5 8 1 1 5 2 5 5 8 1 3 0 8 7 7 9 1 3 0 8 7 7 9 1 4 6 46 6 3 t 4 6 46 6 3 78 1 44 8 78 1 44 8 1 4 0 54 8 7 1 4 0 54 8 7 31 31 2 0 3 1 31 2 0 62 5 24 9 62 5 24 9 93 71 2 0 93 71 2 0 1 2 4 93 8 2 1 2 4 9 3 8 2 1 5 6 1 6 2 0 1 56 1 6 2 0 2 02 9 62 0 2 02 9 62 0 2 48 7 69 8 2 48 7 6 9 8 1 49 6 1 9 3 6 23 7 6 2 421 2 421 2 92 5 2 92 5 3 1 8 5 31 8 5 3 4 0 4 3 4 0 5 2 6 6 0 2 6 6 0 4 6 9 0 4 6 9 0 5 31 5 5 31 5 5 9 3 8 5 9 3 8 1 6 0 3 1 6 0 3 2 8 51 2 8 51 66 6 66 6 1 2 9 0 1 2 9 0 1 91 4 l 91 4 25 3 9 2 5 3 9 31 6 3 31 6 3 4 09 9 4 09 9 5 01 5 5 01 5 注： s H为边跨顶板合龙束 ； S B为边跨底板合龙束； MH为中跨顶板合龙束 ； MB为中跨底板合龙束， 均采用两端同时 张拉的施工方法。 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 5丘 表 2 六冲河大桥 各施工阶段主 梁最大应 力 MP a 表 3 六冲河大桥各施工阶段主梁最大应力汇总 MP a 由图 3可知 ， 在最不利荷载组合下 ， 主梁最大压 应力为 1 9 1 M P a ， 小于 0 5 厶 即 1 9 2 5 M P a ( C 6 0混 凝土 ) ， 满足规范 要求 。故 主梁在最 不利荷载组 合下的弹性应力验算符合规范要求。 4 预应力优化后整体性能分析 本文对六冲河大桥预应力后期束进行了大量优 化 ， 在初期设计基础上 ， 减少 了 4 0 的预应力后期 束。通过计算可知 ， 在最大双悬臂状态 ， 由于预应力 后期束还未参与工作 ， 因此优化前后应力状况没有 任何区别 ， 采用 2种不 同预应力设计的主梁上 、 下缘 应力分别相等。而在后期束参与作用的中跨合龙 、 2 期恒载 、 收缩徐变完成 阶段 ， 由于后 期束预应力减 小 ， 除主塔区域 附近 因为无预应力后期束 的存在而 应力大小未发生变化外 ， 主梁其他位置上、 下缘压应 力均 出现了不 同程度的减小。需注意的是 ， 在跨 中 合龙施工阶段 ， 跨中截面上缘压应力为零， 处于消压 状态。 4 1 优化前后施工阶段应力对比 六冲河大桥各施工阶段部分预应力混凝土主梁 上 、 下缘最大应力汇总及最大应力对 比分别见表 3 、 表 4 。 由表 3数据可以看出， 在整个施工阶段 ， 六冲河 大桥主梁除梁端无预应力 区域上缘 出现了 0 4 M P a 的拉应 力 外 ， 其 他 位 置 主梁 上 缘 最 大 压 应 力 为 1 1 4 M P a ， 下缘 最 大压 应力 为 1 4 5 MP a ， 均 小 于 0 7 ，满足相应规范 要求 。 由表 4数据可以看出， 优化后混凝土主梁最大 压应力最大减小了 2 2 MP a ， 有效减小 了主梁的压 应力水平。 4 2 优化前后最不利荷载组合下弹性应力对比 优化前后六冲河大桥主梁成桥后截面各个位置 处的应力对 比分别见图 4 、 图 5 。 由图4、 图 5可以看出， 优化后混凝土主梁压应 力在主梁截面各位置均有不同程度的减小 ， 其中靠近 表 4 六冲河大桥各施工阶段主梁 优化前后最大应力对比 MP a 注： “一” 代表优化后? 昆凝土主梁相比优化前其应力值的 减小 。 2 0 - 1 2 - 1 4 单元号 0 _ _ l 5 - 2 0 - 2 5 ( a )最大应力 单元号 ( b )最小应力 图 4 主梁下缘最大 、 最小应力对比 单元号 优化后 一 优化前 一 优化后 一 优化前 61 9 1 1 21 1 5 1 1 81 21 1 t 0 2 4 -6 - 8 -1 0 -1 2 - 1 4 -1 6 ( a )最大应力 单元号 ( b )最小应力 图 5 主梁上缘最大 、 最小应 力对 比 优化后 一 优化前 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 3期 刘超豪， 等 ： 六冲河大跨径预应力混凝土斜拉桥预应力后期束优化研 究 5 1 主塔区域附近由于预应力钢束没有变化 ， 主梁上、 下 缘应力基本保持不变； 跨中区域主梁下缘最大应力 值约减小了 3 8 MP a ， 其 中跨 中合龙段 由优化前 的 3 8 MP a压应力变为 0 3 MP a拉应力 ， 合龙段主梁 下缘最小应力 由8 7 MP a降为 5 1 MP a ， 上缘最大、 最小应力最多的也减小了 2 M P a ； 主梁最大压应力 由优化前 的 1 9 M P a减至 1 5 7 MP a ， 小于 0 5f c 。 由此可见 ， 对于优化前 的混凝土主梁 ， 优化后不但可 有效降低压应力水平 ， 而且还能将优化前 的混凝土 标号从 C 6 0降至 C 5 0 ， 从而既节省 了成本 ， 又降低 了 施工难度 。综上所述 ， 优化后 的混凝 土主梁无论是 受力合理性还是经济性都有一定提升。 5结论 本文采用 Mi d a s C i v i l 有限元软件建立 了六冲 河大桥的计算模型 ， 对其在全预应力与部分 预应力 2种设 计预应力度下 的力 学性能进行 了计算 和分 析 ， 并得到如下结论 。 1 )优化后 的六冲河 大桥 主梁较优化前其整体 压应力水平大幅下降( 最大减小 了 2 2 M P a ) ， 在合 理范围内跨中合龙区域附近压应力水平也得到降 低 ， 从而在一定程度上减少 了压应力过大对桥梁整 体安全性带来的不利影 响， 使桥梁整体受力性能更 为高效合理。 2 )全桥预应力后期束减少达 4 0 之多 ， 不仅大 量减少了预应力钢束的用量 ， 而且在满足结构施工 和运行安全性 的同时 ， 又方便 了施工 ， 节约 了成本。 此外 ， 预应 力 的减少并 不 会大 量增加 普通 钢筋 的 用量 。 3 )压应力水平的降低 ， 导致六冲河大桥主梁对 混凝土强度 的要求 也有 所 降低 ， 从而 使原本 需要 C 6 0混凝土的主梁仅需使用 C 5 0混凝土便能满足结 构的整体受力要求 。 参 考 文 献 1 严国敏 现代斜拉桥 M 成都： 西南交通大学出版 社 ， 1 9 9 6 2 刘世林， 王似舜 斜拉桥设计 M 北京： 人民交通出 版社 ， 2 0 0 6 3 叶见 曙 结构 设计原 理 M 北京 ： 人 民交通 出版 社 ， 2 0 0 5 4 苗家武， 肖汝成， 朱培京 特大跨径斜拉桥设计理论研 究综述 C 第十七届全国桥梁学术会议论文集( 上 册 ) 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 6 5 颜东煌 斜拉桥合理设计状态确定与施工控制 D 长 沙： 湖南大学， 2 0 0 1 6 项海帆 中国斜拉桥的发展前景 C 中国土木工程 学会桥梁及结构工程学会第 1 3届年会论文集 上海： 同济大学出版社， 1 9 9 8 7 贵州省交通规划勘察设计研究院 贵州省赤水至望高 速公路黔西至织金段六冲河特大桥施工图设计 z 贵阳： 贵州省交通规划勘察设计研究院， 2 0 1 0 8 中交公路规划设计院 J T G D 6 2 -2 0 1 2 公路钢筋混凝 土及预应力混凝土桥涵设计规范 S 北京： 人民交通 出版社 ， 2 0 1 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m