预应力混凝土桥梁结构设计

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积极倡导混合配筋方案,即使是全预应力混凝土结 构也应配置足够的普通钢筋,以增强结构的延性,确保 结构的塑性破坏性质。
1.3 双筋截面受压区高度最小值的 限制
《桥规 JTG D62》在计算双筋截Baidu Nhomakorabea时, 引入了混凝土受压区高度最小值的限制条件
x 2a' (或 x 2as' )
这条限制的实质是对极限状态下受压钢筋 应变的限制,其目的是为了保证在极限状态 下受压钢筋应力能达到其抗压强度设计值。
《桥规JTG D62》第9.1.12条规定:预应力 混凝土受弯构件最小配筋率应满足下列条 件: Mud / Mcr 1 (即规范公式9.1.12)
式中 , Mud 为正截面抗弯承载力设计值, M cr 为正截面开裂弯矩值。
很多设计者反应( 《公路桥梁设计规范 答疑汇编》325页):
设计时经常出现“按全预应力要求设计 的预应力混凝土连续梁桥,正截面承载力 满足规范要求,使用阶段应力验算结果也 都符合规范的规定,但是抗裂弯矩过大, 不满足规范第9.1.12条公式(9.1.12)的限 制条件” 的情况,并提出下列疑问:
在截面尺寸已知的情况下,结构的抗裂性和 裂缝宽度主要与预加力的大小有关,而构件的 极限承载力则与预应力筋和普通钢筋的总量有 关。
预应力混凝土梁钢筋数量估算的一般方法是 :首先根据结构使用性能要求(即抗裂性和裂缝 宽度)确定预应力筋数量,然后再由构件的承载 力极限状态要求,确定普通钢筋的数量。
换句话说,预应力混凝土梁钢筋数量估算的基本原 则是首先按结构使用性能要求确定预应力筋数量,极限 承载力的不足部分由普通钢筋补充。
0 =1.1,即将荷载效应组合设计值提高 10%。这样,按着上述根据强度条件选择预 应力筋数量,要比过去增加10%,而抗裂性 及使用阶段应力验算时,荷载效应组合设计 值与以前设计相比并没有增加。这样势必会 造成预压应力增加,致使在短期效应组合或 使用荷载作用下梁的下缘保持较大的压应力 富余量。
预应力混凝土梁的配筋设计应满足不同设计 状况下规范规定控制条件要求(例如:承载力、 抗裂性、裂缝宽度、变形及应力等)。在这些 控制条件中最重要的是满足结构在正常使用极 限状态下使用功能要求(抗裂性和裂缝宽度) 和保证结构对达到承载力极限状态时具有一定 的安全储备.

?问题(答疑汇编148页问题1、 150页问题4):
应力验算和承载力计算结果均滿 足规范,但不滿足 x bh0 的要求, 可否不考虑此项要求?应如何解决?
x≤ξb h0的限制即为最大配筋率限
制,不滿足此项要求为超筋设计, 构件将发生脆性破坏,设计中不允 许采用的。
承载力计算是涉及结构安全的核心
现不滿足 x≤ξb h0的情况.为此,应适当加大
连续梁支点附近截面的腹板(梁肋)宽度.
③增加受压钢筋,构成双筋截面,减小混凝土 受压区高度.
④提高混凝土设计强度等级,减小混凝土受压 区高度。
《公路桥梁设计规范答疑汇编》 148
页提出“由于抗裂引起的预应力钢筋的

b
多,按规范5.2.4条规定可不计在以 控
为 Mud Mcr ” 。
《混凝土结构设计规范》GB50010-2002对这一问题 的解释是规范9.5.3条规定了预应力构件中各类预应力筋的 最小配筋率,其基本思路为截面开裂后受力钢筋不致立即 失效的原则,目的是为了使构件具有起码的延性性质,避 免无预兆的脆性破坏。
《桥规JTG D62》9.1.12条做强制性条文是必须执行 的,例外,其目的是控制受拉钢筋总量不能过少,以保证梁的 塑性破坏性质。
混凝土受压区高度 压应变为
x 2a' p
时,受压钢筋的
p
cu
2a
, p
/


a,p
2a
, p
/


0.003
2a,p / 0.8 a,p 2a,p / 0.8

0.0018 0.002
笔者认为将双筋截面受压区高度最小值
改为 x 3a' p 为宜.
《桥规 JTG D62》规定,对于 x 2( 或x 2s )的情况,
②在实际设计工作中经常出现开裂弯矩大于 承载力设计值的反常现象的原因是什么?应如何 解决?
1.2.1预应力混凝土受弯构件最小配筋率 限值( Mud )M的cr 物理意义。
在《桥规JTG D62》编制说明中对受弯构件的最小配 筋率的物理意义是这样解释的“受弯构件的受拉钢筋最 小配筋率是根据混凝土的开裂弯矩与同尺寸的钢筋混凝 土梁所有承担的弯矩相等而确定的,其目的是当混凝土 受拉边缘出现裂缝时,梁不致因配筋过少而脆性破坏。 公式(9.1.12)对于预应力混凝土最小配筋的要求,其 性质与上述钢筋混凝土受弯构件类似,可表达
由于受传统的全预应力设计思想的影响,很多设计 者习惯于“从正截面承载力需要出发(即强度条件), 选择预应力筋的数量,然后进行抗裂性及使用阶段的 应力验算的设计方法,只要抗裂性及使用阶段的应力 满足规范要求,不管有多大的富余量,即认为可以保 证结构安全工作。
例如,桥规JTG D62规定对特大桥和重要 大桥在承载力计算中引入了结构重要性系数
制的配筋面 积之内”,并以此作为解决 受
压区高度过大的办法的建议是值得商榷
的.
对规范5.2.4的不同理解
规范5.2.4:受弯构件在应用公式(5.2.2-3)的 条件时,可不考虑按正常使极限状态计算可能 增加的纵向受拉钢筋截面面积和按构造要求 配置均纵向钢筋截面面积.
笔者认为后增加纵向受拉钢筋是客观存在 的,必将对混凝土受压区高度和正截面抗弯承 载力产生影响.
的不同。开裂弯矩 系为抵消下边缘压应力
储备( pc 0 ftk )所需的总弯矩,其中自重弯 矩产生的拉应力应按(净截面几何特征值计算;

Mcr) M部g 分弯矩))产生的拉应力应按换算
截面几何特征值计算。

这样,后张法构件开裂弯矩计算表达式应 改写为下列形式:
M cr M g [( pc
一 规范解读分析与商榷
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设 计规范》(JTG D62-2004)己使用近6年, 2009年6月规范编制单位又出版了《公路桥 梁设计规范答疑汇编》,对规范执行中带有 普遍性的问题进行了解答.
现仅就预应力混凝土结构设计的有关问题 做进一步解读分析与商榷.
1 正截面抗弯承载力计算 公式的适用条件
• 问题(152页)
规范公式5.2.5-1)与《钢筋混凝土及预应力混 凝土桥梁结构设计原理》公式的符号不同(a‘ 还是 a‘s), 到底那个对,为什么?
前以指出:如果不滿足混凝土受压区高度最小值的 限制条件 ( x 2a' ), 表明受压钢筋离截面中性轴太 近,梁破坏时受压钢筋的应变不能充分发挥,其应
笔者认为实际设计中经常出现“不满 足下列规范公式9.1.12 (Mud / Mcr 1 )最小 配率要求”的主要原因是:
①受传统的全预应力设计思想的影响,预 加应力过大;
②规范给出后张法构件开裂弯矩计算公式 (6.5.2-6)计算结果偏大.
1.2.2开裂弯矩计算公式的讨
《桥规JTG D62》第9.1.12条规定,开裂弯矩按规范 公式(6.5.2-6)计算:
0 =1.1,即将荷载效应组合设计值提高
10%。这样,按着上述根据强度条件选择预 应力筋数量,要比过去增加10%,而抗裂性 及使用阶段应力验算时,荷载效应组合设计 值与以前设计相比并没有增加。
这样势必会造成预压应力增加,致使在短
期效应组合或使用荷载作用下梁的下缘保持 较大的压应力富余量。
例如,桥规JTG D62规定对特大桥和重要 大桥在承载力计算中引入了结构重要性系数
ftk )

Mg Wn
]W0
M cr

( pc

ftk )W0
(W0 Wn
1)M g
1.2.3 Mcr >M 是u根d 本不可能出现 的计算“幻影”
若所加预应力过大,在排除计算上的错误后仍可能出 现 Mcr >Mud 的反常现象。
众所周知,一个配筋适当的应力混凝土梁从施加预加力 至构件的最后破坏要经历:预施应力阶段,从承受使用荷 载到构件出现裂缝的整体工作阶段、带裂缝工作阶段和破 坏阶段等四个过程。 换句话说,一个正常配筋的预应力混凝土只有先开裂,随 着变形的不断发展,才能达到最后的塑性破坏状态。
预应力混凝土受弯构件正截面抗弯 承载力计算以适筋梁塑性破坏为基础,其 配筋率应控制在最大配筋率和最小配筋 率之间.
1.1 预应力混凝土受弯构件的最大配筋率 限制,一般是通过混凝土受压区高度来加 以控制。
. x xb bh0 式中:xb ——相对于“界限破坏”时的混 凝土受压区高度;
b ——相对界限受压高度,又称为 混凝土受压区高度界限系数,
普通钢筋和预应力钢筋的抗压强度设 计值,是以受压区混凝土达到极限破坏时, 受压钢筋的应变 为 0.002为取值条件确 定的。
若 x 2a(' 或 x 2as' ),表明受压钢筋 离截面中性轴太近,梁破坏时受压钢筋的 应变不能充分发挥,其应力达不到抗拉强 度设计值。
• 计算表明,上述规定是针对普通热轧钢筋给出 的,对高强度的预应力钢筋取值偏小。
问题,必须滿足 x≤ξb h0的限制条
件。
不滿足x≤ξb h0时,如何解决?
①增加梁的高度
梁的有效高度h0是影响梁的正截面 工作性能的最主要因素。
一般以 x≤0.7ξb h0为控制条件
求得梁的合理梁高。
②增加受压腹板(梁肋)宽度.
连续梁支点附近截面下缘受压,由于受压 区宽度較小,导致受压区高度过大, 可能出
如果在承载力计算求得的混凝土受压 区相对高度較小(ξ<<ξb ),将后增加的 纵向受拉钢筋的供献做为承载力的儲 备是无可非议的.
如果在承载力计算求得的混凝土受 压区相对高度ξ接近界限值ξb , 考虑后 增加的纵向受拉钢筋的作用,就有可 能出现ξ>ξb 的情况,这在设计上是不允 许的.
1.2 预应力混凝土受弯构件 最小配筋率限值
预应力混凝土桥梁结构设计 若干问题的商搉与探讨
哈尔滨工业大学 张 树 仁
Zsr351126@126.com http://blog.sina.com.cn/zhangsrbk
2011年元月 海南 海口
预应力混凝土是20世纪最具有 革命性的结构构思,已广泛用于 土木和建筑工程,是当今乃至以后 的主要建桥材料.
①正截面承载力和使用阶段应力验算均已满足 规范要求,从理论上讲就可以保证结构的安全工 作,在这种情况下,还要限制开裂弯矩有什么实 际意义?规范中给出的开裂弯矩计算公( 6.5.2-6) 是针对部分预应力混凝土B类结构提出的,对全 预应力混凝土和部分预应力混凝土A类构件不存 在开裂问题,是否可以不受规范9.1.12条限制?
力钢筋,且预应力钢筋受拉时[(
' pd

' p0
)为负]

0Md

f pd Ap (h ap
'
as )s,
fsd As (h as
as' ) ( f pd
p0)Ap (h a'p
as,')
(5.2。5-2)
公式(5.2-10)是由对受压区普通钢筋和预应力钢筋 合力作用取矩的平衡条件求得的,(5.2-11)是由对受压区普通 钢筋合力作用取矩的平衡条件求得的,计算时均忽略了混凝土 受压区的影响.
从预应力混凝土梁的破坏机理分析可以判断,
计算中出现
Mcr >的M预ud 应力混凝土梁的变
形很小,一旦构件承担的内力值接近或达到
抗弯承载力设计值时,梁会立即发生脆性破
坏这种无任何预兆的脆性破坏是很危险的,
设计中是绝对不能采用的。
1.2.4解决这一问题的积极办法是适当 降低预压应力水平,优先采用混合配 筋方案。
构件的正截面抗弯承载力可由下列近似公式求得:
①当受压区配有纵向普通钢筋和预应力钢筋,且预应力
钢受压时[(
' pd

' p0
)为正],
0Md f pd Ap (h ap a,) fsd As (h as a,)
(5.2。5-1)
②当受压区仅配有纵向普通钢筋或配有普通钢筋和预应
Mcr ( pc ftk)W0
(6.5.2-6)
2S0
W0
(6.5.2-7)
式中: pc —扣除全部预应力损失后预应力钢筋和普通钢筋合 力在构件抗裂验算边缘产生的混凝土预压力;
W0 —换算截面抗裂验算边缘的弹性抵抗矩。
笔者认为对后张法构件而言,计算开裂弯矩
时应考虑不同受力阶段截面几何特征值取值
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