装配式预应力混凝土连续箱梁施工体系转换研究_夏志强

图2
宁武北互通 D 匝道桥桥型布置图
本桥设计标准如表 1 所示。
表1
汽车荷载 等级 公路 － Ⅰ级 桥面 净宽 / m 净 － 9. 5
3. 2
设计洪水 频率 1 /100
体系转换施工工序
桥梁设计标准
地震动峰值 加速度 0. 1g 环境类别 Ⅱ类
装配式预应力混凝土连续梁桥在先简支后连续的 体系转换过程中要经历如下 4 个阶段 （ 见图 4 ） ： 阶段 1 ： ① 预制主梁； ② 张拉正弯矩钢束， 孔道 压浆； ③架设主梁并焊接横梁及桥面板钢筋； ④ 浇注 横梁混凝土。 阶段 2 ： ①浇注 2 、4 、6 … 号墩顶湿接头混凝土； ②张拉 2 、4 、6 …号墩上负弯矩钢束，孔道压浆。 阶段 3 ： ①浇注 3 、5 、7 … 号墩顶湿接头混凝土； ② 张拉 3 、5 、7 …号墩上负弯矩钢束，孔道压浆。
图1
连续箱梁内力影响线示意图及其相应最不利荷载位置
从图 1 所列的几种情况可以看出，连续梁各截面 的内力影响线， 大多是在某一跨内不变号的。 因此，
作者简介： 夏志强 （ 1981 － ） ，男，湖北黄梅人，工程师，硕士研究生，现主要从事公路桥梁、隧道的设计与研究。
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多余未知力，然后由平衡条件即可计算其余反力、 内 力。故可 以 建 立 如 下 力 法 的 典 型 方 程 （ 方 程 式 （ 3） ） ： Δ1 = δ11 X1 + δ12 X2 + δ13 X3 + Δ1q = 0 Δ2 = δ21 X1 + δ22 X2 + δ23 X3 + Δ2q = 0 Δ3 = δ31 X1 + δ32 X2 + δ33 X3 + Δ3q = 0 δ11 式中： [ δ ij ] = δ21 δ31 ｛ Δ iq ｝ = Δ2q 。 Δ3q δ12 δ22 δ32 δ13 δ23 ，｛ X i ｝ δ33
1
体系转换方法
装配式预应力混凝土连续箱梁桥一般施工程序 ： 预制简支梁，分片安装，安装时按照预制简支梁的受 力状态进行第一次预应力筋 （ 正弯矩筋 ） 的张拉锚 固； 安装完成后经调整位置 （ 横桥向及标高 ） ， 浇注 墩顶接头处混凝土，更换支座，进行第二次预应力筋 （ 负弯矩筋） 的张拉锚固， 进而完成一联装配式预应 力混凝土连续箱梁桥的施工。 根据上述施工程序，装配式预应力混凝土连续箱 梁桥梁的体系转换方法一般有以下 4 种： （ 1 ） 从一端起依次逐孔连续，即先将第一孔与第 二孔形成 2 跨连续梁，然后再与第 3 孔形成 3 跨连续 梁，依此类推，形成一联连续。 （ 2 ） 从一端起依次 2 孔连续，即先将第一孔与第 二孔形成两跨连续梁，然后 （ 亦可同时） 将第三孔与 第 4 孔形成两跨连续梁，依此类推，每一联桥梁首先 形成两两相连的连续梁； 再将第二孔与第 3 孔连续， 第四孔与第五孔连续，依此类推，形成一联连续。 （ 3 ） 从两端起向中间依次逐孔连续。 （ 4 ） 从中间孔起向两端依次逐孔连续 。 如遇长联，可按上述 4 种方法灵活综合选用。 显 然，不同 的 体 系 转 换 方 法 所 产 生 的 梁 体 内 力 是 不
（ 4 ） 对结构进行二次内力计算分析，得到结构应 力及截面设计强度。 （ 5 ） 分析计算结果，如计算通过，则认为钢束布 置合理； 如计算不能通过， 则返回 1 或 3 重新调整 计算。 根据上述连续箱梁预应力钢束布 置 方 法， 结 合 3. 4 计算所得弯矩包络图， 可以为梁体内布置较合理 的预应力钢束。
}
（ 3）
｛ X i ｝ + ｛ Δ iq ｝ = 0 ， i = 1， 2， 3（ j = 1， 2， 3） （ 4） 或 ［ δ ij ］ = X2 ， X3
式中： q 为每片箱梁在纵向上每延米的结构自重集度 。
{}
Δ1q
{}
X1
图5
单跨简支梁弯矩图
图6
超静定连续梁基本结构
1 梁体承受最大弯矩的位置： 令 ( M g ) ' = ql － qx 2 = 0 ，得 x = l 。故梁体中最大弯矩值为： 2 1 2 M max， ql g = （ Mg ） ( x = l ) = 2 8 （ 2）
参考文献：
［ 1］ 李廉锟． 结构力学（ 上册） ． 北京： 高等教育出版社， 1996． ［ 2］ 范业宏． 预应力钢筋混凝土连续箱梁桥中预应力钢束的几种不同 2007． 布置方法的研究． 大连： 大连理工大学， ［ 3］ JTG D60 － 2004 ， 公路桥涵设计通用规范． ［ 4］ JTG D62 － 2004 ， 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范． ［ 5］ JTG / T F50 － 2011 ， 公路桥涵施工技术规范．
由上式即可求得 X1 ， X2 ， X3 。 多余未知力 求出之后，其 余 所 有 反 力、 内 力 的 计 算 都 是 静 定 问 题。由梁体自重产生的最终弯矩 M 为： M =
－ －
∑ （ Mi Xi ）
+ Mq ， i = 1， 2， 3
－
（ 5）
体系转换完毕后的连续箱梁为一超静定结构 。 求 解超静定结构可以运用结构力学中的力法 ： 解除超静 定结构中多余联系而得到相对应的静定基本结构 （ 见 图 6 ） ，以多余未知力作为基本未知量， 根据基本结 构应与原结构变形相同而建立的位移条件 ，首先求出
4
结语
装配式预应力混凝土连续箱梁桥梁集简支梁桥工 厂化集中预 制、 安 装 快 捷、 施 工 简 便 和 连 续 梁 桥 经 济、稳定性好、 承载力高等优点于一身。 近 20 多年 来，我国公路桥梁建设取得了举世瞩目的成绩 ， 这其 中绝大部分都是装配式预应力混凝土连续梁桥。 因 此，量大面广的装配式桥梁设计是否合理 、施工质量 的好坏将直接关系我国公路网络的安全畅通和有效服 务。本文利用结构力学原理及计算软件对桥梁设计中 3. 5 预应力钢束布置 目前的预应力钢束布置手段已经比较成熟。钢束布 置力学计算一般采用有限元方法，通过建立有限元模型、 布置设计荷载，并借助相关计算软件进行结构计算。 一般计算基本顺序如下： （ 1 ） 按照拟定结构尺寸建立模型，并输入相关计 算数据。 （ 2 ） 计算内力并预估预应力钢束。 （ 3 ） 输入预应力钢束。 如何合理布置预应力钢束进行了研究分析 ，可为装配 式桥梁的设计人员提供参考价值，也为施工人员对装 配式桥梁有了更清楚、更直观的认识。
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桥隧工程
装配式预应力混凝土连续箱梁施工体系转换研究
夏志强
（ 山西省交通规划勘察设计院 ，山西 摘 太原 030012 ）
要： 装配式部分预应力混凝土连续箱梁是一种先简支后连续预应力混凝土结构 ， 其因具有自重小、 节约材料、 抗
扭刚度大、横向分布好、承载能力高及运输和吊装稳定性好等优势 ，已在公路工程建设中得到广泛应用 。 通过工程实 例，利用结构力学原理分析了桥梁在体系转换前后桥梁结构力学特征 ，并绘制出其内力包络图 ； 利用桥梁计算软件对 梁桥的关键设计步骤 － 布置预应力钢束进行了研究 。 关键词： 装配式预应力混凝土连续箱梁 ； 体系转换； 包络图； 预应力钢束 中图分类号： U44 文献标识码： B
最大、最小内力。按此方法算出各个截面的最大、 最 小内力后，便可据此绘出内力包络图。
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3. 1
体系转换实例分析
工程概况
山西省大营至神池高速公路宁武北互通 D 匝道桥 是一座 4 × 30m 装配式预应力混凝土连续箱梁， 中心 桩号为匝 DK0 + 450 ， 桥梁全长 127m； 全 桥 4 孔 一 联，仅在桥台处设置伸缩缝。桥梁上部结构采用单独 预制、简支安装、现浇连续接头的先简支后连续结构 体系。桥型布置图如图 2 所示。
其相应最大、最小值的最不利荷载位置，大多是在若 干跨内布满荷载 （ 少数情况例外， 例如剪力 Q K 影响 线在其截面所在跨度内要变号，因此求最大、最小值 时在该跨不应满跨加载，但为简便起见，也可将其满 跨加载，其误差对工程实际来说一般是容许的 ） 。 这 样，所有各截面内力的最不利荷载位置都可以看成是 在若干跨度内满布荷载。因此，只需把每一跨单独布 满荷载时的内力图逐一作出，然后对于任一截面， 将 这些内力图中对应的所有正值相加 ，便得到该截面在 活载下的最 大 内 力。 同 样， 若 将 对 应 的 所 有 负 值 相 加，便得到该截面在活载下的最小内力。再将它们分 别与恒载作用时对应的内力相加，便得到该截面总的
桥梁预制箱梁梁高 1. 6m （ C50 混凝 土 ） ， 桥 宽 10. 5m： 2 × 0. 5m （ 防撞强 ） + 净 － 9. 5m， 横向布置 4 片小箱梁， 中梁和边梁宽度分别为 2. 2m 和 2. 3m， 桥面铺装 10cm 厚 C50 钢纤维防水混凝土和 10cm 厚 沥青混凝土 （ 横断面见图 3 ） 。
连续体系梁桥的最大特点是，桥跨结构除了有承 受正弯矩的截面以外， 还有能承受负弯矩的支点截 面，这也是它们与简支梁体系的最大差别 。装配式预 应力混凝土连续梁桥在施工时要经过先预制简支安 装、后形成结构连续的体系转换，在此过程中， 梁体 所承受的应力有较大的差别。
同的。
2
体系转换后连续箱梁力学特征
连续梁桥属超静定结构，各种内力影响线的基本 特点是呈曲线分布的形式。对于跨径不等且截面呈变 高度的连续梁桥，手算十分困难，此时往往借助计算 机方法求数值解。 对于等截面连续梁桥则可以从相关 手册中查到欲算截面的内力影响线竖标值。但是，不 论是等截面的还是变截面的，在跨径相同的情况下， 其内力影响线的分布形式大体上是相似的。应用结构 力学中的机动法，可以很快地得到各种内力分布规律。 图 1 所示是一座 4 跨连续梁的几个截面的内力影 响线示意图及其相应的最不利荷载位置 。参考此图可 以勾绘出更多跨连续梁的内力影响线示意图 。
图3
宁武北互通 D 匝道桥横断面
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桥隧工程
图4
体系转换 4 个阶段
阶段 4 ： ①浇注桥面板横向湿接缝； ② 拆除临时 支座； ③ 浇注防撞护栏混凝土； ④ 浇注桥面铺装混 凝土。 3. 3 不同施工阶段应力变化情况 根据上述施工体系转换方案，可知梁桥是由简支 梁体系逐步转换为连续梁体系。由力学相关理论， 可 分别求得梁体在自重情况下的内力分布情况 。 简支梁在单跨内任一截面的弯矩可由下式求得 （ 弯矩图如图 5 所示） ： Mg = 1 1 qlx － qx2 2 2 （ 0 ≤ x ≤ l） （ 1）
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式中： M i 为超静定连续梁基本结构在 X i = 1 作用下所 产生的梁体弯矩。 3. 4 预应力箱梁内力包络图 依据上述计算原理，可以绘制出装配式预应力混
凝土连续箱梁在不同荷载下内力包络图。 一般情况
下，手工绘制超静定结构内力包络图是非常繁琐的。 本工程采用有限元程序桥梁博士 V3. 0 计算桥梁结构 内力并绘制出连续箱梁的弯矩包络图及剪力包络图。 设定计算荷载为奔驰 4160 （ 3 + 13 轴 ） ； 车辆外轮廓 尺寸及重量： 长 33000mm， 宽 4200mm， 高 4950mm， 轴距 1550mm； 车重 69t， 货重 168t， 车货总重 237t， 最大轴载压力 15. 6t / 轴。 计算所得弯矩包络图和剪力包络图分别如图 7 和 图 8 所示。