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上传者: 做梦的人2000 2012-06-28 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《PC连续箱梁合龙束横向效应pdf》,可适用于经济金融领域,主题内容包含http:qkscqueducn第33卷第3期土木建筑与环境工程Vol.33No.32011年6月JournalofCivilArchitectur符等。

http:qkscqueducn第33卷第3期土木建筑与环境工程Vol.33No.32011年6月JournalofCivilArchitectural&EnvironmentalEngineeringJun.2011犘犆连续箱梁合龙束横向效应项贻强1唐国斌1朱汉华2晁春峰1(1.浙江大学土木工程系杭州3100582.浙江省公路管理局杭州310058)收稿日期:20101215基金项目:浙江省交通厅科技项目(2008H38)作者简介:项贻强(1959)男教授博士生导师主要从事桥梁结构的非线性理论、健康监测与控制、桥梁加固、古桥的保护与管理(Email)xiangyiq@zju.edu.cn。摘 要:PC连续箱梁合龙束张拉不仅使底板纵向受压同时在横向产生附加效应以某跨海大桥为例对底板合龙束作用机理进行探讨并通过精细有限元模型对施工过程中合龙束的横向效应进行分析和参数研究结果表明合龙束张拉过程中底板横向应力处于动态变化过程其横向效应远大于恒载和其它预应力作用结果同时合龙束的横向效应对底板的线形、厚度及孔道保护层较为敏感最后基于横向框架法通过引入预应力效应简化系数和孔道修正系数提出合龙束横向效应的简化计算方法。关键词:桥梁工程箱梁合龙束横向效应参数分析中图分类号:U448.35  文献标志码:A  文章编号:16744764(2011)03002506犜狉犪狀狊狏犲狉狊犲犈犳犳犲犮狋狅犳犅狅狋狋狅犿犆狅狀狋犻狀狌犻狋狔犜犲狀犱狅狀狊犻狀犆狅狀狋犻狀狌狅狌狊犘犆犅狅狓犌犻狉犱犲狉犡犐犃犖犌犢犻狇犻犪狀犵1犜犃犖犌犌狌狅犫犻狀1犣犎犝犎犪狀犺狌犪2犆犎犃犗犆犺狌狀犳犲狀犵1(1.DepartmentofCivilEngineeringZhejiangUniversityHangzhou310058P.R.China2.ZhejiangHighwayAdministrationHangzhou310058P.R.China)犃犫狊狋狉犪犮狋:BottomcontinuitytendonsinducetransverseadditiveeffectwhileprovidinglongitudinalcompressionduringtheconstructionofPCboxgirder.Takingacrossseabridgeforexamplethemechanismofbottomcontinuitytendonisinvestigated.Thetransverseeffectandparametersstudyareconductedthrougharefinedmodel.Itisillustratedthatthestateofbottomflangeisinadynamicchangeableprocessduringthetensioningofbottomcontinuitytendonsandthetransverseeffectcausedbythetendonsismuchmorethanthatbydeadloadingandotherprestressingtendons.Thetransverseeffectismoresensitivetoalignmentandthicknessofthebottomflangeaswellasconcretecoveroftheducts.Finallybasedonthesimplifiedframeanalysisthedesignmethodisproposedbyintroducingprestressingeffectsimplifiedfactorandductmodifiedfactor.犓犲狔狑狅狉犱狊:bridgeengineeringboxgirderbottomcontinuitytendontransverseeffectparametricstudy  PC连续箱梁(刚构)桥底板合龙束的布置是为了平衡活载作用弯矩但在其张拉过程由于箱梁的空间作用在底板横向产生附加效应。但目前桥梁设计仍主要依据平面分析结果这种方法难以计算合龙束张拉过程的附加效应。尤其是随着大吨位预应力束群锚体系的应用[1]合龙束的附加效应更趋明显。如果设计未加以考虑可能导致施工过程中底板开裂甚至崩裂。http:qkscqueducn近年来合龙束横向效应导致的箱梁开裂问题时常见诸于国内外论文中。Podolny[2]、Chatelain等[3]较早地对合龙束引起的开裂进行定性分析。Breen等[4]对箱梁底板合龙束及构造钢筋的布置进行研究其结论为美国规范所引用[5]。MoonDoYoung等[6]利用板壳元分析节段施工箱梁底板开裂原因。JiangHaibo[7]采用局部模型对这类问题进行研究。郭丰哲等[8]也采用这种方法分析孔道偏差对横向效应的影响。王蒂等[9]]从剪切变形、泊松效应及压区失稳等角度探讨合龙束的横向效应。总体而言这些研究加深了对合龙束横向效应的认识。但以上研究多采用局部模型难以全面反映合龙束的空间效应同时也缺乏对施工过程的考虑。以某跨海大桥北引桥底板开裂事故为例首先对合龙束作用的机理进行分析并建立精细有限元模型对合龙束的附加效应进行分析在此基础上探讨了箱梁底板线形、孔道保护层厚度、底板厚度和横向配筋的影响并提出合龙束附加效应简化的计算方法。1 合龙束作用机理变截面箱梁的合龙束通常为曲线预应力束曲线预应力的形成上与直线有所不同。直线束主要通过锚头挤压构件端部借此向内传递压力而曲线预应力束则是通过预应力钢绞线张拉变形挤压孔道壁使混凝土形成预压应力。图1 曲线预应力束的作用设曲线预应力钢束的空间位置狉={狓(狊)狔(狊)狕(狊)}狋如图1所示其中狀为预应力筋曲率方向单位向量狊为切向单位向量犿为正交狀、狊单位向量。为分析空间预应力钢筋的受力情况在预应力钢束中任取一微段ds设微段中点处预应力钢束的张力为犜狊则微段两端的张力为犜狊12d犜狊d狊d狊图中狆狀、狆狊和狆犿为相应方向的外力分量于是有平衡关系可得:犜狊+12d犜狊d狊d()狊狊+12d狊d狊d()狊-犜狊-12d犜狊d狊d()狊狊-12d狊d狊d()狊+犘狀狀+犘狊狊+狆犿犿=0(1)由d狊/d狊=犽狀式中犽为s点的曲率则:犜狊犽狀+d犜狊d狊狊=-(狆狀狀+狆狊狊+狆犿犿)(2)写成标量形式:狆狀=-κ犜狊狆狊=-d犜狊d狊狆犿=0(3)根据上述曲线预应力作用机理合龙束在张拉和锚固过程中对底板将产生两种作用即预应力钢筋对孔道壁的径向挤压力和切向拖曳力。对预应力混凝土箱梁而言预应力束与孔道壁的摩擦系数一般位于0.15~0.30之间三维有限元分析表明切向拖曳力对底板混凝土应力状态的影响甚微其数值不超过由径向力所引起应力的5%因而可忽略。图2 典型合龙束及其等效荷载图2为某连续箱梁合龙束示意图其等效荷载包括张拉力犉、向上径向力狇I及向下径向力狇II如图5所示其中犉为集中荷载狇I作用范围较小为局部荷载狇II为分布荷载。2 空间分析21 工程实例  某跨海大桥北引桥其中一联为(50+80+50)m三跨预应力混凝土变高度连续箱梁中跨支点和跨中截面特征如图3所示底板线形采用半径为256.806m的圆曲线。箱梁采用三向预应力体系其中纵向按全预应力结构设计顶板横向按部分预应力结构设计底板横向按钢筋混凝土结构设计。该桥采用悬臂挂篮现浇施工纵向共划分9个节段如图4所示。底板合龙束(N22~N17)采用127φ5钢绞线张拉控制力2344kN分布于1~662土木建筑与环境工程                第33卷http:qkscqueducn号节段。按正常工序进行中跨合龙后依次张拉1-6号块合龙束张拉至4号块N19束时4、5和7号块底板下缘均出现裂缝其中纵向裂缝最大长度约2.3m随后5号和7号块开裂处混凝土崩裂崩裂面积分别约2.5m2和2.0m2。图3 箱梁中支点和跨中截面特征图4 箱梁施工节段和底板合龙束布置图5 计算模型根据箱梁开裂特征初步判断为合龙束的横向效应所致为此采用空间有限元对施工过程中合龙束横向效应进行分析。其中混凝土采用实体单元模拟为便于网格划分将合龙束圆形孔道(直径76mm)等效为矩形有限元离散模型如图5所示。普通钢筋采用杆单元模拟除中跨底板合龙束外其它预应力束也采用杆单元模拟。中跨底板合龙束预应力的施加采用等效荷载模拟其它采用等效降温法。根据箱梁的施工过程将计算划分为19个荷载步其中1-13步分别为各节段悬臂施工、体系转化及边、中跨合龙过程14-19步为1-6号块合龙束的张拉过程。22 结果分析2.2.1 空间应力分布状况图6绘出4号块合龙束张拉后中跨底板的应力状况图中犃、犅和犆3处主拉应力均已超过C50混凝土抗拉强度标准值与实际工程开裂位置一致。图7绘出犃、犅、犆3处底板下缘横向应力分布沿横向分布情况。由图可知犃处底板横向应力分布较为复杂由于犃处靠近4号块齿板直接作用此处的荷载包括N22~N20束向下径向力狇II和N19束向上径向力狇I此外N19束集中荷载犉对犃处应力也有较大的影响而在犅、犆两处由于直接作用在此处的荷载为N22~N19束向下径向力狇II横向应力分布规律较为类似。图6 合龙束张拉后箱梁主拉应力云图图7 犃、犅、犆处底板下缘横向应力沿横向分布2.2.2 施工过程的影响图8绘出不同施工阶段底板中心线处纵向应力的变化情况:1)合龙束张拉前底板横向应力由结构恒载和顶板预应力效应引起此时底板中心下缘横向受压区分布在支座及1-3号块齿板下缘其余为受拉区2)随着1号块(N22束)张拉0-1号块底板拉应力峰值减小压应力峰值增大2-9号块拉、压应力均增大如图8(a)所示3)随着2号块(N21束)张拉0-2号块底板拉应力峰值减小压应力峰值增大3-9号拉、压应力峰值增大如图8(b)所示4)随着3号块(N20束)的张拉0-1号块底板应力变化不大2-3号拉应力峰值减小压应力峰值增大4-9号块拉应力峰值增大如图8(c)所示5)随着4号块(N19束)的张拉0-2号块底板应力变化不大3-4号拉应力峰值减小压应力峰值增大4-9号块拉应力峰值增大如图8(d)所示。72第3期项贻强等:PC连续箱梁合龙束横向效应http:qkscqueducn图8 不同施工阶段箱梁底板中心线处横向应力  综上所述随着合龙束的张拉底板横向应力处于动态变化过程任一节段合龙束的张拉使其前节段的横向拉应力减小其后节段的横向拉应力增大。而跨中附近承担径向力的节段在合龙束张拉过程中横向效应持续增大并远大于恒载和其它预应力作用结果。3 影响因素分析31 底板线形  变截面箱梁底板的线形有圆弧线、二次抛物线、多次抛物线等以上述计算模型为基础假定箱梁底板线形依次按照1.6次、1.8次、2次、2.3次和2.5次抛物线变化图9绘出底板最大横向拉应力与线形的关系。由图可知抛物线幂次越低底板横向拉应力越大张拉过程中底板开裂的风险也越大。对合龙束张拉过程底板开裂的箱梁调查发现[9]其底板通常采用1.5~1.8次的抛物线而早期设计采用高次抛物线的箱梁则开裂较少。图9 底板横向最大拉应力与线形的关系曲线32 底板厚度假定底板厚度由20cm逐渐变厚至40cm图10绘出底板最大横向拉应力与底板厚度的关系曲线。由图可知当底板厚度由25cm增大至40cm时最大横向拉应力减小44.1%。《桥规》[10]对箱梁底板厚度的设计没有明确规定中国2000年以前修建的箱梁底板最小厚度通常为32cm。近年来随着箱梁优化设计和高强混凝土的推广应用底板最小厚度通常采用25cm这也导致合龙束横向效应更加明显。图10 底板横向最大拉应力与厚度的关系曲线33 底板横向配筋预应力混凝土箱梁底板横向通常按钢筋混凝土结构设计为研究横向配筋对底板开裂的影响假定配筋率分别增大和减小至原设计配筋率的1.5倍和0.5倍。图11绘出底板最大横向拉应力与配筋率的关系。当横向配筋率增大或减小50%横向拉应力减小或增大10%由此可见横向配筋对横向应力的的影响较小。图11 底板横向最大拉应力与横向配筋率的关系曲线34 孔道保护层厚度假定合龙束孔道保护层厚度由4cm逐渐增大至15cm图12绘出底板最大横向拉应力与保护层厚度的关系。由图可知随着保护层厚度增大最大横向拉应力逐渐减小但当保护层厚度大于10cm(约0.4h犺为底板厚度)时其影响已不明显。82土木建筑与环境工程                第33卷http:qkscqueducn图12 底板横向拉应力与保护层厚度关系曲线对该文箱梁其孔道保护层厚度8.6cm如果施工误差4cm横向最大拉应力则可能增大20%。此外当保护层厚度较小时底板可能出现混凝土局部崩出破坏如图13所示。图13 合龙束张拉导致底板混凝土崩出忽略底板弯曲效应的影响按理想刚塑性模型来考虑不考虑普通钢筋的贡献假定破坏面为一45平面该平面上拉应力达到混凝土抗拉强度时即发生崩裂。设孔道直径为犱保护层厚度为犮于是达到极限状态时的径向力:狇II=2犳狋(犮+0.5犱)(4)4 合龙束横向效应计算目前中国现行桥梁设计规范(JGJD622004)对箱梁底板合龙束横向效应的计算未做任何说明[10]美国规范要求验算曲线束的最小半径和孔道的间距同时对变截面箱梁底板构造钢筋的配置做出详细规定[5]但这些规定主要防止曲线束崩出。为便于设计运用提出合龙束横向效应的简化算法。参照已有箱梁横向分析方法采用横向框架法(SFA)进行计算[11]计算简图如图14所示则施工阶段底板的横向应力为:σ狓=γ犌σ犵狓+γ犘σ狆狓(5)式中σ犵狓和σ狆狓分别为恒载和合龙束引起的最大横向应力γ犌和γ犘分别为二者作用效应的分项系数其中γ犌取1.2γ犘取值借鉴AASHTOLRFD第3.4.3节规定取γ犘=1.2[5]。图14 径向力横向效应计算简图恒载引起的横向应力可采用横向框架法直接计算合龙束张拉引起的横向应力根据下式计算:σ狆狓=σ犉狓+σ狇犐狓+σ狇II狓(6)式中σ犉狓、σ狇I狓和σ狇II狓分别为集中荷载犉、局部荷载狇I及分布荷载狇II引起的横向应力采用空间模型计算以该文箱梁为例图15绘出所有合龙束张拉后各力素引起底板下缘犆处(图6)横向应力分布情况。图15 不同力素引起的底板下缘横向应力分布由图15可知σ狇II狓和σ狆狓最大值的误差约10%文献[12]研究表明不同底板线形和厚度的箱梁均有类似的规律。为了能够采用横向框架法计算对式(6)进行简化。引入预应力效应简化系数α1取α1=1.1于是式(3)可写成:σ狓=γ犌σ犵狓+γ犘α1σ狇II狓(7)由于合龙束孔道的影响孔道对截面有一定的削弱为此引入孔道影响系数α2根据文献[12]的计算结果近似取α2=1.05因而合龙束张拉阶段底板横向应力为:σ狓=γ犌σ犵狓+γ犘α1α2σ狇II狓(8)其中径向力狇II可按下式计算:狇II=狆/犚(9)式中狆为张拉控制力犚为底板圆曲线半径当为其它曲线类型时可近似按下式计算:犚=犾2(犾4犳+犳犾)(10)式中犳和犾分别为底板曲线的矢高和弦长。5 结 论通过对PC连续箱梁合龙束横向效应分析及参数研究可以得出以下结论:1)合龙束的预应力效应不仅使箱梁顺桥向受压在张拉过程中的附加效应使底板横向产生较大的附加弯矩可能导致底板开裂随着所有合龙束的张拉跨中附近承担径向力的节段横向效应持续增大并远大于恒载和其它预应力作用结果。2)合龙束的横向效应对底板线形、厚度及孔道保护层较为敏感而底板横向配筋对横向应力的影响不大。3)基于横向框架法引入预应力效应简化系数和孔道修正系数提出合龙束横向效应的简化计算92第3期项贻强等:PC连续箱梁合龙束横向效应http:qkscqueducn方法供设计应用。参考文献:[1]杨转运张亮亮刘会.薄壁箱梁大吨位预压力锚固区局部承压[J].重庆大学学报:自然科学版200730(6):114120.  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