预应力混凝土连续刚构桥技术创新研究.pdf
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1、内容:内容:解决预应力混凝土连续刚构(连续梁桥)持续下挠、开裂(崩裂)、承载力低三大世界性技术难题创新研究与7例工程应用(1例通车6年半)解决预应力混凝土连续刚构(连续梁桥)持续下挠、开裂(崩裂)、承载力低三大世界性技术难题创新研究与7例工程应用(1例通车6年半)重庆交通大学工程设计研究院桥梁技术中心1水平底板索波形钢腹板连续刚构桥梁技术创新研究与工程应用汇报人:吴国松 12014-2012014-2019 9年度全国技术交流研讨合作单位年度全国技术交流研讨合作单位及工程应用一览(及工程应用一览(4747家)家)20152015全国桥梁会议、中交公规院、北京中咨全国桥梁会议、中交公规院、北京中
2、咨、北京建达、安徽省院、湖北省院、湖南省、北京建达、安徽省院、湖北省院、湖南省院、江西省院、云南省院、贵州省院、铁四院、江西省院、云南省院、贵州省院、铁四院、中交院、中交二公院二公院、重庆交科院、昆明理工大、重庆交科院、昆明理工大学、广西省院、四川省院、中交学、广西省院、四川省院、中交一公院一公院、郑、郑州市院、苏交科、福建省院、广东省院、重州市院、苏交科、福建省院、广东省院、重庆交规院、中设、宁夏省院、青海省院、新庆交规院、中设、宁夏省院、青海省院、新疆省院、内蒙古省院、河北省院、石家庄铁疆省院、内蒙古省院、河北省院、石家庄铁道大学、山东省院、四川路桥、中铁道大学、山东省院、四川路桥、中铁1
3、111局、局、贵州公路院、甘肃省院、重庆交通大学贵州公路院、甘肃省院、重庆交通大学20182018土木工程进展课程、云南大学、西南交通大土木工程进展课程、云南大学、西南交通大学、东南大学、中铁大桥局设计院、中铁桥学、东南大学、中铁大桥局设计院、中铁桥科院、深圳市政院、河南省院、科院、深圳市政院、河南省院、2012018 8波形钢波形钢腹板运城会议腹板运城会议、2012018 8全国全国桥梁会议、黑龙江桥梁会议、黑龙江省院、吉林省院、中国电建华东勘测设计研省院、吉林省院、中国电建华东勘测设计研究院、云南航天检测、中交大建、中隧桥、究院、云南航天检测、中交大建、中隧桥、重庆交通大学工程设计研究院、
4、重庆交通大学工程设计研究院、20192019世界交世界交通运输大会通运输大会(水平底板索波形钢腹板连续刚构桥梁工程(水平底板索波形钢腹板连续刚构桥梁工程应用应用7 7座、水平底板索波形钢腹板连续刚构座、水平底板索波形钢腹板连续刚构标准图标准图2020座、科研咨询座、科研咨询2525座、开发了水平底座、开发了水平底板索波形钢腹板连续刚构配套计算机辅助设板索波形钢腹板连续刚构配套计算机辅助设计绘图软件)计绘图软件)采用采用水平底板索技术水平底板索技术修建的龙腾大桥解决了修建的龙腾大桥解决了连续刚构连续刚构桥梁桥梁下挠、下挠、开裂开裂和承载力低三大世界性和承载力低三大世界性技术难题。龙技术难题。龙腾
5、大腾大桥为桥为世界首座水平底板索连续刚构桥世界首座水平底板索连续刚构桥,20122012年年9 9月底建成通车,不开裂,不下挠(运营月底建成通车,不开裂,不下挠(运营6 6年年20201 18 8年年9 9月月复测向上复测向上1cm1cm),承载力提高约),承载力提高约3 3倍倍(中铁大桥局首检)(中铁大桥局首检)(龙腾大桥跨径布置:(龙腾大桥跨径布置:58+102.25+63m58+102.25+63m)引 言3运营运营6 6年后主跨跨中向上年后主跨跨中向上1cm1cm(1)“水平底板索”技术不持续下挠崩裂,承载高1倍(2)“波形钢腹板-内衬混凝土箱”技术跨度达到250米(3)“局部挖空率控
6、制”技术提高底板抗裂性(4)“预应力三阶段张拉”技术提高施工抗裂性(5)“FRP新材料”应用防裂防腐,卸载,承载高1倍4“有关桥梁性能的好的构造有关桥梁性能的好的构造细节较之复杂的精确计算细节较之复杂的精确计算更为重要。更为重要。”莱昂哈特(德国)莱昂哈特(德国)5“不治已病,治未病不治已病,治未病”黄帝内经黄帝内经(中国)(中国)(消除病之因)(消除病之因)各种结构体系最优组合各种材料性能发挥最大优势力学、美学和经济性(全寿命周期成本最省)三原则6关键技术1:“水平底板索消除径向力”技术弯矩包络图(凹形)定性分析曲线底板索构造存在的问题:弯矩包络图的形状和底板索形状相反,底板索偏离索界较大,
7、底板布索构造不合理(构造存在先天不足)7预应力对箱梁作用力的等效荷载计算示意图P=SIN()P锚固锚固P=SIN()P锚固锚固HH预应力等效荷载拟径向力(5002000吨,为车道荷载24倍)(理论模型1:简化为竖直方向均布荷载)q=2SIN()P锚固锚固/L底板曲线方程:底板曲线方程:Y=(H支点支点-H跨中跨中)Xn/L1n+H跨中跨中桥墩左边跨右边跨主跨桥墩曲线底板索曲线底板索桥墩桥墩q8中 跨 合 龙 段14#块13#块12#块11#块10#块9#块小 里 程 端大 里 程 端块 段 中 心 线8#块200450450450450400400400650图 例 说 明:1、图 中 单 位
8、 均 为 cm;2、表 示 崩 裂 敲 击 空 响 区 域。14#块13#块12#块11#块10#块9#块8#块450450450450400400400400200300100200150520320460156390178128650650550400650主跨主跨120m云南云南其春大桥主桥其春大桥主桥中中跨块段跨块段30m长度长度底面混凝土崩裂底面混凝土崩裂径向力直接导致底面混凝土崩裂径向力直接导致底面混凝土崩裂破坏破坏案例案例美国美国Parrots 鹦鹉大桥鹦鹉大桥-主跨主跨195m(跨中下挠跨中下挠63.5cm)(下挠是下挠是国际问题)国际问题)径向力直接加剧跨中下挠径向力直接加剧
9、跨中下挠病害病害案例案例9主跨主跨220m昌昌宁澜沧江大宁澜沧江大桥边跨顶板桥边跨顶板下缘裂缝下缘裂缝(运营运营5年跨年跨中下挠中下挠20cm,裂缝长合计裂缝长合计1200m)顶板下缘纵向裂缝顶板下缘纵向裂缝病害病害案例案例(验收难)验收难)主跨主跨265m元磨元磨高速红河大桥高速红河大桥中跨底板下缘中跨底板下缘裂缝裂缝(2005年年云南省科技进云南省科技进步一等奖项目)步一等奖项目)中跨底板下缘纵向裂缝中跨底板下缘纵向裂缝病害病害案例案例关键技术1:“水平底板索消除径向力”技术 径向力对整体结构效应的量化分析表明:底板索拟径向力大幅降低了桥梁承载力(相当于汽车效应)、大幅降低了抗裂性和应力储
10、备(3-4MPa)。按其弹性变形(3-4cm)(1+=3-5)倍数加剧徐变下挠(15-20cm)(底板预应力钢束构造特点:利而有害)10u 径向力对底板的局部效应量化分析理论(传统)u 径向力对全桥的整体效应量化分析理论(空白)u 预应力径向力对整体结构不利作用现软件未专项分析径向力效应分析11美国美国AASHTO桥梁规范桥梁规范径向力计算:径向力计算:F=N/RN/R苏通大桥径向力计算:苏通大桥径向力计算:F=2N2Nsinsin(/2)/2)径向力局部效应量化分析径向力局部效应量化分析NNFFFF通过底板局部验算设置防崩钢筋通过底板局部验算设置防崩钢筋12集中力法:集中力法:拟径向力拟径向
11、力简化为竖直方向集中荷载简化为竖直方向集中荷载Y=0 Y=0 Ri=SIN(i-1)P锚固锚固SIN(i)P锚固锚固张拉端齿板前端节线处张拉端齿板前端节线处F=SIN(张拉)P锚固锚固P锚固=0.93P张拉P张拉=n0.751860140/1000(KN)F=Ri预应力等效荷载预应力等效荷载(拟径向力)计算理论模型(拟径向力)计算理论模型2径向力对全桥的整体效应量化分析实用方法关键技术1:“水平底板索消除径向力”技术建立量化分析的力学模型13结构分析底板索张拉施工阶段后增加2个工况:加载径向力工况/卸载径向力工况波形钢腹板Z1Z7号底板索右锚固端集中力P=SIN(ATAN)Pm=Y=Y(一阶导
12、数)(一阶导数)平均约为0.060.06波形钢腹板Z7号底板索左锚固端集中力P=SIN(ATAN)PmPm=0.93P张拉P张拉=n1.395140拟径向力q=2PmSIN(ATAN)/L锚固端间距为L极端情况极端情况14贵阳至黄平高速公路贵阳至黄平高速公路LK12+508.5LK12+508.5甘溪特大桥甘溪特大桥(155+300+155155+300+155)m预应力混凝土空腹式预应力混凝土空腹式连续刚构径向力分析(贵州省科技项目)连续刚构径向力分析(贵州省科技项目)290米米空腹式刚构下挠空腹式刚构下挠2-3cm(中交二(中交二公公院设计)院设计)(中交一公(中交一公院设计)院设计)采用
13、水平底板索采用水平底板索跨中可减少下挠跨中可减少下挠12-15cm15径向力,加大了桥梁的次内力(钢束二次)(径向力,大幅降低了桥梁的承载力)承载能力极限状态承载能力极限状态验算结果验算结果160m径向力效应径向力效应/汽车效应(组合设计值)汽车效应(组合设计值)(%)消除径向力消除径向力承载力提高承载力提高(%)抗弯(抗弯(正弯矩正弯矩)276767(跨中截面跨中截面)抗弯(负弯矩)抗弯(负弯矩)1944抗剪抗剪 7895(2023)95(索区(索区L/4截面)截面)(mida荷载组合表格-承载能力验算)弯、剪、扭65+120+65m连续刚构 和汽车荷载效应的比值 1686+160+86m连
14、续刚构96+180+96m连续刚构抗弯(正弯矩)抗弯(正弯矩)抗弯(负弯矩)抗弯(负弯矩)抗剪抗剪抗剪抗剪抗剪抗剪抗弯(负弯矩)抗弯(负弯矩)抗弯(负弯矩)抗弯(负弯矩)抗弯(正弯矩)抗弯(正弯矩)抗弯(正弯矩)抗弯(正弯矩)0.84倍倍1.27倍倍0.93倍倍0.93倍倍1.64倍倍1.86倍倍0.98倍倍1.51倍倍1.25倍倍17径向力,加大了桥梁的应力(钢束一次、二次)(径向力,大幅降低了桥梁的抗裂性能和应力储备)正常使用极限状态正常使用极限状态验算结果验算结果160m跨中截面跨中截面下缘应力下缘应力160m跨中截面跨中截面上缘应力上缘应力剪应力剪应力径向力效应径向力效应/汽车效应汽车
15、效应(CSPC)(%)径向力效应径向力效应/汽车效应汽车效应(CSPC)()(%)径向力效应径向力效应/汽车效应汽车效应(PC)()(%)弹性组合弹性组合807621165抗裂验算抗裂验算9691频遇组合频遇组合12011431247准永久组合准永久组合20919955432(mida荷载组合表格)-正常使用极限状态应力65+120+65m连续刚构1886+160+86m连续刚构96+180+96m连续刚构下缘应力下缘应力下缘应力上缘应力上缘应力上缘应力2.6MPa3.5MPa3.7MPa0.8MPa1.0MPa1.2MPa下缘相当于汽车荷载效应下缘相当于汽车荷载效应 上缘相当于风荷载效应上缘
16、相当于风荷载效应65+120+65m连续刚构1986+160+86m连续刚构96+180+96m连续刚构剪应力剪应力剪应力径向力产生的弹性下挠径向力产生的弹性下挠径向力产生的弹性下挠径向力产生的弹性下挠径向力产生的弹性下挠径向力产生的弹性下挠0.6MPa0.7MPa0.7MPa14mm27mm29mm考虑徐变径向力产生下挠考虑徐变径向力产生下挠10-15cm径向力产生的剪应力大于汽车荷载效应径向力产生的剪应力大于汽车荷载效应20径向力产生的初始变形向下,加剧箱梁下挠。u 径向力产生的弹性下挠径向力产生的弹性下挠2.9cm(PC刚构桥)刚构桥)/1.4cm(波形刚腹板桥)(波形刚腹板桥)u 考虑
17、徐变考虑徐变1+1+=3=35倍径向力预期产生倍径向力预期产生14.5(PC)/7cm(CSW)下挠下挠u 径向力预期产生下挠和国内外同类桥梁下挠的观测值接近,消除径向力,径向力预期产生下挠和国内外同类桥梁下挠的观测值接近,消除径向力,理论上(理论上(龙腾龙腾大桥实践验证大桥实践验证)国内外同类桥梁均不会过大的持续下挠国内外同类桥梁均不会过大的持续下挠u 50年箱梁徐变下挠总值年箱梁徐变下挠总值4.7(PC)/5.2cm(CSW)存在较大偏差存在较大偏差-250-200-150-100-5000号块1号块1号块2号块3号块4号块5号块6号块7号块8号块9号块10号块11号块12号块13号块14
18、号块15号块16号块17号块18号块19号块20号块合龙段合龙段径向力变形X(1+A)曲线(单位:mm)50年徐变变形曲线(单位:mm)径向力变形曲线(单位:mm)建议建议:设计对变截面箱梁桥径向力进行专项设计对变截面箱梁桥径向力进行专项整体整体分析分析关键技术1:“水平底板索消除径向力”技术主 跨跨 径(米)底板索力合计(吨)底板索径向力(吨)公路 级荷载(吨)径向力/荷载(倍)10544804802932.441301012011403453.352281512022725514.12 径向力在波形钢腹板箱梁桥,导致接头受力不明确,导致腹板受拉,跨中下挠,底板混凝土纵向开裂 径向力为设计荷
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- 关 键 词:
- 预应力 混凝土 连续 刚构桥 技术创新 研究