预应力混凝土桥梁结构设计.ppt

预应力混凝土桥梁结构设计若干问题的商搉与探讨 预应力混凝土是预应力混凝土是20世纪最具有世纪最具有 革命性的结构构思，已广泛用于革命性的结构构思，已广泛用于 土木和建筑工程土木和建筑工程,是当今乃至以后是当今乃至以后 的主要建桥材料的主要建桥材料.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公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范计规范(JTG D62-2004)己使用近己使用近6年年,2009年年6月规范编制单位又出版了月规范编制单位又出版了公路桥公路桥梁设计规范答疑汇编梁设计规范答疑汇编,对规范执行中带有对规范执行中带有普遍性的问题进行了解答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 预应力混凝土受弯构件正截面抗弯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承载力计算以适筋梁塑性破坏为基础,其其配筋率应控制在最大配筋率和最小配筋配筋率应控制在最大配筋率和最小配筋率之间率之间.1.1 预应力混凝土受弯构件的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。.式中：相对于“界限破坏”时的混凝土受压区高度；相对界限受压高度，又称为混凝土受压区高度界限系数，bb0bbxxhbxb？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 的要求，可否不考虑此项要求？应如何解决？0bxh xb 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问题，必须滿足 xb h0的限制条件。不滿足xb h0时，如何解决？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 x0.7b h0为控制条件求得梁的合理梁高。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,可能出现不滿足 xb 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.增加受压钢筋,构成双筋截面,减小混凝土受压区高度.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公路桥梁设计规范答疑汇编 148页提出页提出“由于抗裂引起的预应力钢筋的由于抗裂引起的预应力钢筋的增增多多,按规范按规范5.2.4条规定可不计在以条规定可不计在以 控控制的配筋面制的配筋面 积之内积之内”,并以此作为解决并以此作为解决受受压区高度过大的办法的建议是值得商榷压区高度过大的办法的建议是值得商榷的的.b 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.如果在承载力计算求得的混凝土受压如果在承载力计算求得的混凝土受压区相对高度較小区相对高度較小(b),将后增加的将后增加的纵向受拉钢筋的供献做为承载力的儲纵向受拉钢筋的供献做为承载力的儲备是无可非议的备是无可非议的.如果在承载力计算求得的混凝土受如果在承载力计算求得的混凝土受压区相对高度压区相对高度接近界限值接近界限值b,考虑后考虑后增加的纵向受拉钢筋的作用，就有可增加的纵向受拉钢筋的作用，就有可能出现能出现b 的情况的情况,这在设计上是不允这在设计上是不允许的许的.1.2 1.2 预应力混凝土受弯构件预应力混凝土受弯构件 最小配筋率限值最小配筋率限值 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：（即规范公式9.1.12）式中,为正截面抗弯承载力设计值，为正截面开裂弯矩值。/1udcrMM udMcrM 很多设计者反应很多设计者反应（公路桥梁设计规范公路桥梁设计规范答疑汇编答疑汇编325页）：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：正截面承载力和使用阶段应力验算均已满足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（际意义？规范中给出的开裂弯矩计算公（6.5.26）是针对部分预应力混凝土是针对部分预应力混凝土B类结构提出的，对全类结构提出的，对全预应力混凝土和部分预应力混凝土预应力混凝土和部分预应力混凝土A类构件不存类构件不存在开裂问题，是否可以不受规范在开裂问题，是否可以不受规范9.1.12条限制？条限制？在实际设计工作中经常出现开裂弯矩大于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？应如何承载力设计值的反常现象的原因是什么？应如何解决？解决？1.2.11.2.1预应力混凝土受弯构件最小配筋率预应力混凝土受弯构件最小配筋率限值（限值（）的物理意义。）的物理意义。在在桥规桥规JTG D62编制说明中对受弯构件的最小配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筋率的物理意义是这样解释的“受弯构件的受拉钢筋最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。受拉边缘出现裂缝时，梁不致因配筋过少而脆性破坏。公式（公式（9.1.12）对于预应力混凝土最小配筋的要求，其）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，可表达性质与上述钢筋混凝土受弯构件类似，可表达为为 ”。udcrMMudcrMM 混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范GB50010-2002对这一问题对这一问题的解释是规范的解释是规范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。免无预兆的脆性破坏。桥规桥规JTG D629.1.12条做强制性条文是必须执行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。塑性破坏性质。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()最小配率要求”的主要原因是:受传统的全预应力设计思想的影响，预加应力过大;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./1udcrMM 1.2.21.2.2开裂弯矩计算公式的讨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：（6.5.2-6）（6.5.2-7）tkcrpc0M()Wf002 SW式中：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；换算截面抗裂验算边缘的弹性抵抗矩。pc0W 笔者认为笔者认为对后张法构件而言，计对后张法构件而言，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的不同。开裂弯矩 系为抵消下边缘压应力储备（）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计算；（）部分弯矩产生的拉应力应按换算截面几何特征值计计算。（crgMM）（0pctkf）这样，后后张法构件开裂弯矩计算表达式应改写为下列形式：0()gcrgpctknMMMfWW00()(1)crpctkgnWMfWMW 1.2.3 1.2.3 是根本不可能出现是根本不可能出现 的计算的计算“幻影幻影”若所加预应力过大，在排除计算上的错误后仍可能出若所加预应力过大，在排除计算上的错误后仍可能出现现 的反常现象。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。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。着变形的不断发展，才能达到最后的塑性破坏状态。crudMMcrudM M 从预应力混凝土梁的破坏机理分析可以判断，从预应力混凝土梁的破坏机理分析可以判断，计算中出现计算中出现 的预应力混凝土梁的变的预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，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。设计中是绝对不能采用的。crudM M1.2.41.2.4解决这一问题的积极办法是适解决这一问题的积极办法是适当降低预压应力水平，优先采用混合当降低预压应力水平，优先采用混合配筋方案。配筋方案。由于受传统的全预应力设计思想的影响，很多设计由于受传统的全预应力设计思想的影响，很多设计者习惯于者习惯于“从正截面承载力需要出发（即强度条件），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满足规范要求,不管有多大的富余量，即认为可以保不管有多大的富余量，即认为可以保证结构安全工作。证结构安全工作。例如，桥规例如，桥规JTG D62规定对特大桥和重要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大桥在承载力计算中引入了结构重要性系数 =1.1，即将荷载效应组合设计值提高，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。这样，按着上述根据强度条件选择预应力筋数量，要比过去增加应力筋数量，要比过去增加10%，而抗裂性，而抗裂性及使用阶段应力验算时，荷载效应组合设计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。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。较大的压应力富余量。0 例如，桥规例如，桥规JTG D62规定对特大桥和重要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大桥在承载力计算中引入了结构重要性系数 =1.1，即将荷载效应组合设计值提高，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。这样，按着上述根据强度条件选择预应力筋数量，要比过去增加应力筋数量，要比过去增加10%，而抗裂性，而抗裂性及使用阶段应力验算时，荷载效应组合设计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使用荷载作用下梁的下缘保持较大的压应力富余量。富余量。