同济大学-混凝土桥-预应力钢束设计

预应力钢束设计混凝土桥(III)课程设计内容介绍•准备知识•预应力钢束面积估算•预应力钢束布置•束界校核第一部份预应力钢束设计零.准备知识第一部份预应力钢束设计第一部份预应力钢束设计本设计采用的规范（2004年10月1日起实施）：《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）（本课程中简称《桥规》）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）（本课程中简称《公预规》）1.设计规范已废止的规范（2004年10月1日起废止）：《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85）第一部份预应力钢束设计2.两类极限状态(桥规1.0.7条）承载能力极限状态：对应于桥涵结构或其构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态。控制截面达到极限承载力或极限变形刚体稳定性结构转变为机动体系结构或构件丧失稳定性重复荷载作用下的疲劳正常使用极限状态：对应于桥涵结构或其构件达到正常使用或耐久性的某项限值的状态。裂缝、变形、振动第一部份预应力钢束设计3.三种设计状况（桥规1.0.8条）持久状况：一般指桥梁的使用阶段。桥涵建成后承受自重、汽车荷载等持续时间很长的状况，应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。短暂状况：一般指桥梁的施工阶段。桥涵施工过程中承受临时性作用的状况，仅作承载能力极限状态设计，必要时才作正常使用极限状态设计。偶然状况：桥梁可能遇到的罕遇状况，如地震等。在桥涵使用过程中可能偶然出现的状况，仅作承载能力极限状态设计。第一部份预应力钢束设计4.承载能力极限状态计算（公预规5.1.5条）第一部份预应力钢束设计5.设计安全等级安全等级(桥规1.0.9条)：按持久状况承载能力极限状态设计时，公路桥涵结构的设计安全等级，应根据结构破坏可能产生的严重程度划分为三个设计等级（特大桥、重要大桥；大桥、中桥、重要小桥；小桥、涵洞）。二级桥涵分类(桥规1.0.11条)一.预应力钢束面积估算第一部份预应力钢束设计按最不利构件设计装配式桥梁：一般是边梁或次边梁第一部份预应力钢束设计按最不利截面，最大组合弯矩值简支梁:跨中截面按控制计算的要求简支梁:正截面承载力，抗裂性及应力要求1.按正截面承载力要求估算属承载能力极限状态第一部份预应力钢束设计基本假定：（公预规5.1.4条）在极限状态：受压砼应力图简化为矩形，达到抗压强度设计值受拉砼强度不予考虑，钢筋达到抗拉强度设计值•基本方程（公预规5.2.2条）：第一部份预应力钢束设计——砼受压区面积式中——结构重要性系数——砼受压区面积形心至上缘距离由解出截面受压区高度，再由解得•预应力钢束设计方法：第一部份预应力钢束设计精确方法0pMx0XpA近似方法由得0cM00()dppdcMAfhy式中力臂可由经验值估算:0czhy(0.750.77)zh对于带下马蹄T梁一根7股钢丝的钢绞线,公称直径假定一束钢束有6根钢绞线•钢束“根数”与“束数”的确定：第一部份预应力钢束设计15.2s15.2dmm由6股直径钢丝和一股直径稍大于的钢丝为中心螺旋绞合而成5mm5mm面积22571404mm则面积211406840pAmm由求束数npA1ppAnA15.2s2.按正截面抗裂性要求估算属正常使用极限状态：弹性受力阶段，平截面假定第一部份预应力钢束设计对于全预应砼构件，正截面砼法向应力规定：（公预规6.3.1条）式中——短期荷载效应组合下砼边缘应力——扣除全部预应力损失后的预加力在砼边缘产生预压应力受拉为正第一部份预应力钢束设计－+－+－•计算公式：第一部份预应力钢束设计——使用阶段预应力钢筋永存应力的合力式中——短期荷载下弯矩组合值——预应力钢筋合力作用点至截面形心距离——砼毛截面面积——砼毛截面对计算边缘弹性抵抗矩由前述公式可得,•应用方法：第一部份预应力钢束设计10.85()spepMWNeAWpepepNA又peconl式中永存预应力张拉控制应力0.751395conpkafMP预应力损失l按张拉控制应力20%计故1(10.2)0.51()pesppconpkNMWAefAW式中第一部份预应力钢束设计xxIWWyI——毛截面对其形心的惯性矩xy——毛截面形心至下缘距离pxpeyapa——预应力钢筋合力作用点至下缘距离,可设在马蹄中心位置最终，取两种极限状态计算的最大或束数为设计值pAn二.预应力钢束布置第一部份预应力钢束设计跨中-梁端-过渡段1.跨中截面钢束布置•原则：第一部份预应力钢束设计尽可能降低钢束群重心，以产生较大的预应力抵抗力矩单数列对称布置，以便顺利弯起满足构造要求为前提•预应力钢束管道构造：第一部份预应力钢束设计本设计管道采用OVM型预应力张拉锚固体系配套预埋铁皮波纹管公预规9.4.9：管道内径的截面面积不应小于两倍预应力钢筋截面面积面积为840mm2，管道面积1680mm2内径46mm。选用内径为70mm（外径77mm）615.2s外径内径+10mm第一部份预应力钢束设计•管道距离要求：第一部份预应力钢束设计预应力钢筋管道净距及保护层要求净距直线管道不小于40mm且不宜小于管道直径0.6倍对于预埋管在竖直方向可将管道重叠最小保护层厚度直线管道不小于30mm且不小于管道直径0.5倍曲线管道由于会产生径向压力，混凝土有崩裂危险，因此要求更为严格。（9.4.9条）（9.1.1条）•示例：第一部份预应力钢束设计390316712847pa150.7mm钢束群重心至梁底距离2.锚固端截面钢束布置•原则：第一部份预应力钢束设计均匀分散布置各束锚固点，避免局部应力集中，使截面应力分布均匀满足锚具布置和预应力张拉所需操作空间的构造要求•构造要求：第一部份预应力钢束设计锚具布置的构造要求锚垫板布置最小间距锚束槽口尺寸第一部份预应力钢束设计张拉施工空间要求：第一部份预应力钢束设计OVM预应力锚固体系产品参数锚具型号张拉千斤顶型号第一部份预应力钢束设计YCW150千斤顶的施工空间外形尺寸最小工作空间钢绞线预留长B=1250mmC=190mmD=285mmL=370mmA=570mm•示例：第一部份预应力钢束设计24002800155018506pa966.7mm钢束群重心至梁底距离支座中心线12()xxaa34()xxaa5xa6xa7xa第一部份预应力钢束设计考虑施工方便，若有位置布置，一般可将全部钢束锚固在梁端预制时，主梁为小截面，又无使用荷载，如果钢束在此时全部张拉完毕，有可能会在梁上缘产生拉应力，在下缘产生较大压应力因此将7号束安排在完成现浇翼缘板后再张拉，并将此束锚固端放置在梁顶•说明：3.钢束纵向布置•原则：第一部份预应力钢束设计钢束纵向布置应使其重心线不超出束界范围从跨中向支点逐步弯起钢束，可产生预剪力，对抵消支点附近较大的外荷载剪力很有利构造上，钢束纵向弯起有利于锚固点分散布置•弯起角：第一部份预应力钢束设计较小角度有利于减小摩阻损失较小角度有利于马蹄高度向支点不至于过大较大角度有利于提供足够的竖向预剪力•弯起曲线形状:弯起曲线可采用圆弧线、抛物线或悬链线，实际工程中多采用圆弧线弯起半径构造要求：钢绞线的钢丝时，不宜小于4m（9.4.10条）T梁中常用的弯起角度不超过•实例：第一部份预应力钢束设计为了钢束不至于竖向交叉，本例钢束弯起角下小上大选定为：下部钢束，上部钢束，锚于梁顶钢束07015018钢束线形为直线加圆弧，即从距跨中一定距离处开始按圆曲线向上弯起由于不允许曲线段进入锚具部分，因此在锚下钢束必须保持一定的直线长度（可取1米）4.钢束几何参数计算•计算图式:第一部份预应力钢束设计支座中心线起弯点跨中终弯点锚固点R???钢束几何参数计算可以表格进行:第一部份预应力钢束设计400903107121.9188.125239.4992.53075.9310.915742.4束号钢束长度计算为了计算工程数量，需要计算每束长度式中——钢束预留工作长度700mm•钢束长度5.截面钢束重心计算•计算图式:第一部份预应力钢束设计1x2x3x/2jLxia0iamiay1y2y1000R支座中心线起弯点跨中终弯点锚固点控制截面控制截面水平段时弯曲段时斜线段时•实例：第一部份预应力钢束设计97507480.017104.631378.7181535.80.074636987284371.5168.97928.918746.641796.5151424.20.04357167206.79703.218827.135251.9151201.20.0013275889090.010412.318769.268572.77511.1-16716715742.418818.325239.47188.1-9090束号12()NN控制截面四分点截面34()NN5N6N7N位置水平段弯曲段水平段弯曲段弯曲段各控制截面上钢束位置及倾角计算表控制截面:跨中截面、四分点截面、7号钢束锚固处截面、支点截面三.束界校核第一部份预应力钢束设计•束界基本概念：第一部份预应力钢束设计在符合截面上、下缘混凝土均不会出现超限的拉应力的前提下，预应力筋（束）的重心在各截面上布置的范围，称为束界（或索界）支座中心线跨中第一部份预应力钢束设计保证梁的上缘混凝土不出现拉应力最危险阶段：预加应力阶段10小小小小pIpIpGcsssNeNMAWW式中——构件截面下核心距——传力锚固时预加力的合力——一期恒载下的弯矩（受压为正）第一部份预应力钢束设计0.85()0大大大大pepepscxxxNeNMAWW式中——构件截面上核心距——使用阶段永存预加力的合力——短期荷载下弯矩组合值（受压为正）保证梁的下缘混凝土不出现拉应力最危险阶段：使用阶段第一部份预应力钢束设计故预应力钢束重心位置应满足：pe由于弯矩近似按抛物线沿跨径变化,故上下限值近似为抛物线形,限定了预应力钢束布置的区域，即束界1,GsMM12,EE对支点截面：•注意：第一部份预应力钢束设计永存预加力peN()0.8pepepconlpconpNAAA0.75conpkfpIN由于是近似计算，可取pIpeNN按扣除预应力20%损失来估算，传力锚固时预加力钢束在各控制截面束界校核计算可以用表格进行pxpeyaMsI大yx大A大Ks大=I/(Ayx)E2apep大=yx-apepE2跨中9110.910.66281.46710.96880.46631.16710.15071.3164√四分点6834.350.66281.46710.96880.46630.75900.16891.2982√支点00.84531.36231.57860.3931-0.39310.92060.4417√Mg1I小ys小A小Kx小=I/(Ayx)E1apep小=yx-apepE1跨中4810.160.57250.95560.83380.71851.45150.15071.1937√四分点3607.620.57250.96560.83380.71111.26080.16891.1655√支点00.73521.01841.44360.50010.50010.92060.3610√•实例：第一部份预应力钢束设计下缘混凝土不出现拉应力：上缘混凝土不出现拉应力：