03.3 预应力混凝土连续梁桥及刚架桥

第三章预应力混凝土连续梁桥及刚架桥第一节预应力混凝土连续梁桥基本知识一、预应力混凝土连续梁桥的特点1.优点连续梁由于支点负弯矩的卸载作用，跨中正弯矩大大减小，使得弯矩图面积减小（因为连续梁的设计是以截面上最大正、负弯矩的绝对值之和即弯矩变化幅值作为标准），跨越能力增大。连续梁为超静定结构，温度变化、混凝土收缩徐变、地基不均匀沉降影响显著，对地基要求高。连续梁结构刚度大，变形小，动力性能好，主梁变形挠曲线平缓，有利于高速行车。因连续梁同时存在正、负弯矩区段，截面通常采用上下对称的箱型截面。预应力简支梁当跨径超过40～60m时，跨中恒载弯矩和活载弯矩将会迅速增大，致使梁的截面尺寸和自重显著增加，不但耗材料，且给施工带来困难；而预应力连续梁，由于支点负弯矩的存在，使跨中正弯矩值显著减小，其内力分布比同跨度简支梁更合理。当预应力连续梁跨径较大时，梁体过重不易预制架设施工，多采用现浇施工，工期较长、费用较高。通过变化连续梁相邻跨长的比值，或加大支点附近的梁高而做成变高梁时，可调整各控制截面的弯矩变化幅值，降低跨中的正弯矩，使得预应力筋大部分布置在梁的顶部，便于张拉。变高梁虽然会增大中间支点处的负弯矩，但梁的高度增加了，并不引起钢筋用量的增加；同时加大支点附近梁高，还能适应抵抗支点处很大剪力的要求。连续梁预应力钢筋的合理布置，有利于纵向顶推、悬臂法等施工方法的实现，促进了预应力混凝土梁桥施工的发展。立面上，连续梁在中间桥墩处只有一个支座，在竖直荷载作用下桥墩只受轴向的压力。故除制动墩外，其他桥墩及其基础的尺寸可做得小些。2.主要缺点预应力钢筋的布置难于发挥预加力的优点。因在梁的大部分截面内存在正、负弯矩，使得预应力钢筋合力的偏心靠近截面中性轴，从而降低了预加力的作用，且影响了梁的极限强度。梁在偏心的纵向预压力作用下，产生弯曲变形。如变形受到约束，在支承处则产生附加反力，从而降低预应力作用。超静定的连续梁结构的设计工作复杂，张拉程序、施工方法以及材料性能等对其应力状态有很大影响，较难精确计算。二、预应力混凝土连续梁桥的总体布置1.平面布置桥梁的平面造型取决于线路的方向与河道或立交线路的方向，并受桥址地形和地物的制约，通常有正交、斜交、单向曲线和反向曲线桥梁等平面布置。正交桥最为常见，墩台位置与主梁中线垂直，构造也最简单。连续梁由若干跨组成一联，桥梁可由一联或多联组成。常见的连续梁桥每联由3～7跨组成，随着科学技术的发展，连续梁桥一联的跨数和长度都有了增加。如钱塘江二桥为18跨一联，中跨跨径80m，全长1340m。2.立面布置预应力混凝土连续梁桥的立面布置要考虑桥孔分跨、主梁高度和梁底曲线形状等因素。（1）按桥跨相互关系分为：等跨(a)和不等跨连续梁(b)；（2）按梁高变化分为：等高度(a、d)和变高度连续梁(b、c)；（3）按下部结构的支承形式分为：普通的单式桥墩(a、b)、V形桥墩(e)和双薄壁柱式桥墩(f)；（4）按主梁梁身的构造分为：实腹式主梁(abcef)和空腹式的桁架结构(d)；（5）按主梁与下部结构的关系分为：墩梁分离连续梁和墩粱固接的连续T构桥。1）桥孔分跨连续梁每联内主梁在各墩台顶连续通过，各支点纵向只设一排支座，墩顶纵向设两排支座，两联之间的主梁断开。等跨的连续梁结构简单，适于采用顶推法、移动模架法简支转连续法施工。但等跨布置将使边跨内力控制全桥设计，不经济。等跨的跨径大小主要取决于经济分孔和施工设备条件。为减小等跨布置时跨中的正弯矩，可设为不等跨形式。当跨数不多时，采用奇数跨，以3跨或5跨较常见。对3跨连续粱，边跨与中跨跨径之比一般为0.5～0.7。对预应力连续梁宜取偏小值，以增加边跨刚度，减少活载弯矩的变化幅度，从而减少预应力筋的数量。当边跨长度过短（比值小于0.3），此时边跨桥台支座将会出现负反力，在桥台上需设拉力支座或平衡压重。连续梁如采用悬臂法施工，考虑到一部分边跨采用悬臂施工外，剩余的一部分边跨须在支架上施工。为减少支架及现浇段长度，边跨长度以不超过中跨长度的0.65倍为宜。2）梁高及梁底曲线变截面梁的变化规律可采用圆弧线、二次抛物线或折线等，最常用的是二次抛物线，因其变化规律与连续梁的弯矩变化规律基本相近。预应力混凝土连续梁桥除在梁高上选用变截面外，对箱形截面也可将截面底板、顶板和腹板做成变厚度，以满足梁内各截面的不同受力要求。变截面梁高与最大跨径之比，跨中截面可取1/30～1/50，支点截面可取1/15～1/20，边跨与中跨跨径之比可取0.5～0.7。三、预应力连续梁构造1.主梁横截面高速铁路预应力连续梁横截面多采用箱形截面。箱形截面整体性好，抗扭刚度大，具有良好的静力和动力稳定性。同时箱形截面的顶板和底板具有较大的面积，能有效抵抗正负弯矩，满足配筋要求。因预应力混凝土连续梁多采用现浇施工，为施工方便，其箱形截面多采用单箱单室截面形式。箱梁顶板一般采用等厚度；腹板一般采用变厚度，支点处需加厚（靠近支点处受主拉应力控制，需加厚）；底板一般采用变厚度，支点处需加厚（支点主要受纵向压应力控制，需加厚）。箱梁腹板分为直腹板和斜腹板两种形式。2.横隔板按位置分为端横隔板和中横隔板，一般端横隔板必须设（顶梁时作用在端横隔板处）。还需在支点处设置横隔板，其作用是约束箱梁的畸变变形、扭转变形及承受和传递支反力。箱梁内的横隔板通常采用板式结构，为满足施工、维修和通风要求，在横隔板上设置过人洞。3.预应力筋构造箱梁的预应力筋布置分分纵向、横向和竖向三向预应力体系，其中纵向预应力筋称为主筋。纵向和横向预应力筋常用钢绞线和高强碳素钢丝，竖向预应力筋主要采用冷拉高强粗钢筋。高强碳素钢丝目前主要采用镦头锚锚固形式，由于锚具应力损失小、接长方便，常用于顶推法施工，此时纵向预应力筋往往需接长，常用连接器进行接长。3.预应力筋构造纵向预应力钢绞线主要采用7φ5钢绞线（标准强度1860MPa,直径15.24mm），可采用单根钢绞线和由多根钢绞线组成一束，成束布置时采用群锚锚固体系。常用锚具类型有OVM、QM、XM等，OVM型锚具是在QM型锚具基础上改进而成的。采用钢绞线张拉时以OVM型锚具最为方便可靠，采用高强碳素钢丝时则XM型锚具较为适宜。钢束一般采用两端张拉，所以要求主桥边跨底板钢束张拉完毕之后方可进行相邻引桥跨的施工。每个OVM锚固单元由OVM锚具、钢绞线或钢丝束、金属管构成。OVM锚具分为张拉端锚具和固定端锚具。固定端锚具是埋入混凝土中不用于张拉的锚具，具有P型、H型。固定端P型锚具包括一块中间钻有孔的平板，钢绞线穿过板孔，在钢绞线末端挤压一挤压套，加上限位约束圈和螺旋箍筋，便构成P型锚具，它可以适用于需将预应力传递至梁端的结构。1）纵向预应力筋的类型连续梁采用节段法施工时，结构体系和结构内力随施工阶段不同而变化，纵向力筋配置须针对具体阶段内力的需要，进行张拉或拆除。有些在施工阶段张拉的力筋，在使用荷载作用下将产生不利作用，此类力筋在成桥阶段应予以拆除，称为临时束。临时束布置成短束，不使用连接器接长，也不压浆，将其锚固在齿板上，使锚头暴露在梁体外。多数力筋张拉后，不再拆除，成为永久束。此类力筋既抵抗施工阶段的弯矩，又抵抗运营阶段的弯矩。另一类力筋是施工阶段不需要，但运营阶段需要，如悬臂法施工连续梁的底板力筋。此类束在合拢成桥后张拉，称为后期束，一般锚固在齿板上。箱梁齿板齿板内预应力筋张拉示意图还有一种预应力筋的布置形式是体外布筋。体外筋又分为永久型和装拆型。前者是将力筋设置在主梁截面以外的管道内，利用横隔梁、转向块等结构物对梁施加预应力。这种体外筋不消弱主梁截面，不需预留孔道，预制节段的拼装可采用干缝接合，施工方便、迅速和便于更换。有些预应力钢筋只是在施工的某一阶段需要，装拆型体外力筋就是指在施工过程中为了满足施工荷载的要求，在主梁截面以外设预应力筋，施工完再去掉这些预应力筋，因为它们可能对桥的使用阶段是不利的。2）纵向预应力筋的布置纵向预应力筋的布置不仅与结构形式有关，还取决于施工和运营阶段的内力分布，常用布筋方式有连续配筋和分段配筋。由连续梁的弯矩沿梁长变化的情况，连续梁跨中部分的钢筋要放置在梁的下翼缘内，中间支承附近的钢筋则应安设在梁的上翼缘内。无论哪种布筋方式，都要体现这个思想。（1）连续配筋连续配筋的优点，在于其力筋的锚固与张拉都比较简单，而且锚头数目少。连续配筋可采用直线布置或曲线布置，要视梁的立面形状和荷载情况而定。当采用满布支架现浇法施工时，不存在施工内力变化问题，可直接根据成桥内力采用连续配筋。对等截面连续粱，可采用连续曲线配筋。但当梁的跨度较大时，因弯道多，预应力损失大，穿束施工难道大，故连续曲线配筋较合适的桥长≤100m。连续直线布筋的连续梁要达到使跨中下翼缘内有预应力筋，而支点附近上翼缘内有预应力筋，可以通过使梁高变化的方法(图a)；而等高度梁要达到这个目的，只能让力筋具有波浪形，以适应荷载内力的变化(图b)。为了充分发挥预应力筋的作用，实际上变高度梁的预应力钢筋也是曲线布置的(图c)。图d则根据连续梁受力特点，采用分段直线配筋方式。对于变高连续粱，因截面重心线是曲线形的，预应力筋可采用连续直线配筋，就可得到偏心距。（2）分段配筋分段配筋是节段法如顶推施工和简支变连续法施工的连续梁最常用的配筋方式。分段配筋的缺点是力筋的锚头数量多，张拉受到箱内净空限制（正弯矩力筋分散锚固于翼缘板或腹板凸出的锯齿板上）节段法施工中，永久束分为直束和弯束，直束布置在截面的上、下翼缘；弯束平弯布置在腹板宽度范围内。在抗弯不需要时，起弯锚固于腹板中，以满足抗剪需要。图示为用悬臂法施工的连续梁的弯束布置图，通过支承处的钢筋分段向下弯至腹板内，并锚固于各段的接缝处；跨中部分的钢筋，从反弯点处梁的顶部开始向下弯曲到跨中的底部，等接缝混凝土浇筑并达到设计强度后，在桥面板上进行张拉，并锚固于梁的顶部。简支变连续施工时，可采用的配筋方式有：待墩顶接缝混凝土达到张拉强度后，用设置在接缝的局部预应力筋建立结构的连续性；当采用移动模架逐孔顺序浇筑混凝土、张拉力筋，在接缝处用连接器把已张拉的钢筋和尚未张拉的钢筋连接起来；也可采用在支点顶部设置非预应力筋，现浇接缝混凝土形成连续结构。顶推法施工，在顶推阶段和使用阶段梁的受力状况差异较大，根据这两个不同的受力阶段，预应力钢筋一般相应分为：①用以承受在顶推阶段的悬臂负弯矩和跨间正弯矩的前期张拉钢筋，布置在截面上下缘的直线筋；②用以满足使用阶段的要求而补充设置的后期张拉钢筋，布置在跨中底部和支点顶部的增加局部直筋。分段顶推施工是逐段预制、逐段顶推的，前期预应力筋也得分段张拉，采用连接器接长，接长长度一般采用两个梁段，间隔排列，以减少连接器数量和改善主梁受力，简化施工。如果截面的底板较薄，那么还必须在连接器处予以加厚。后期筋分为直筋和弯筋，直筋配置在支点截面的顶部和跨中截面的底部，弯筋设置在腹板内。腹板中起初只设置预应力筋的管道，当桥梁达到最终位置时，才穿束张拉，锚固在离支点截面的1/3跨径附近的腹板内侧的竖向锯齿板上。3）纵向预应力筋在箱梁截面上的布置原则（1）为避免梁体产生横向弯曲，力筋在截面上应对称布置。（2）弯束尽量布置在腹板及梗肋内，尽量减少或避免平弯，以简化构造和减小预应力损失。（3）顶、底板力筋应适当集中在腹板及梗肋等混凝土较厚的位置，而不宜采用均匀分散布置方式，可避免产生纵向裂缝。（4）若因力筋数量较多而不得不在板的中部布筋时，应尽量避开横向正弯矩较大区域或改用小型号的预应力筋。（5）力筋较多时，可分层布置，先锚固或弯起靠近腹板中部的力筋。（6）当横截面的悬臂较大或箱梁腹板间距较大时，荷载作用下，截面横向受力较大，在箱梁顶板内布置横向预应力筋。竖向预应力筋的作用是抗剪，常采用粗钢筋，布置在腹板中。4）横向和竖向力筋的布置当横截面的悬臂宽度较大或箱梁腹板间距较大时，在荷载作用下，截面横向受力较大，为了控制横向不开裂或裂缝宽度在容许范围内，此时可对行车道板施加横向预应力，其布置方式和数量应根据具体受力要求由计算确定，如采用横向曲线筋布置。