一種大跨徑混凝土梁橋設計方法
2023-09-16 01:55:40 1
專利名稱：一種大跨徑混凝土梁橋設計方法
技術領域：
本發明涉及橋梁工程技術領域，特別是涉及一種混凝土梁橋設計方法。
背景技術：
大跨徑梁橋的建設對整個社會和國家經濟發展的影響十分深遠，在大跨徑梁橋的 設計、施工等階段中的任何疏忽都有可能造成梁橋在以後的實際運營過程中發生安全事 故，大跨徑梁橋投入使用運營幾年之後，都會普遍存在主跨跨中豎向變形過大、箱梁腹板、 底板、橫隔板開裂等安全隱患，這些隱患往往會降低梁橋結構的耐久性，為了保證橋梁的正 常使用和安全，國家需要投入巨資對梁橋進行大規模的維修和加固，當安全隱患為嚴重時， 還可能要對梁橋限載通行或者拆除重建，因此，採用各種技術手段確保大跨徑梁橋的安全 性具有重要意義。 目前，大跨徑混凝土梁橋在施工階段不會對梁橋進行預應力的調整，這是因為，對
於大跨度混凝土梁橋來說，一般認為其主梁剛度較大，各種偏差對結構內力和位移的影響
不太敏感，因此在施工階段只需進行內力和位移監控而不需要進行預應力的調整。 然而，大跨徑混凝土梁橋在運營後，受收縮徐變變異、溫度作用變異、施工誤差超
限及超載等的影響，使實際應力和位移有時會超出設計者的期望值，嚴重時會出現多處裂
縫寬度超限、跨中下撓不收斂等現象。 一旦開裂，截面剛度會下降，梁橋的內力將重分配，並
由此引起徐變內力重分配，當達到嚴重程度時，因跨中上緣的塑性轉動將進一步引起內力
重分配，這些因素都會加劇跨中下撓和開裂速率，大幅度降低全橋的使用承載能力，在此種
狀態下往往需要施加很多的預應力備用束，但是跨中的過大下撓問題卻很難通過施加預應
力束完全解決。 例如，對於250m主跨的連續剛構梁橋，當發生以下結構變異時，如結構自重增大 5%，則跨中下緣應力減少約0. 8MPa ;調坡時，橋面鋪裝平均增厚2cm，跨中下緣應力將減少 約0. 6MPa ;預應力孔道摩阻係數增加0. l，跨中下緣應力減少約0. 6MPa，預應力束張拉少 5%，則跨中下緣應力將減少約1. 3MPa ;混凝土收縮徐變速率減緩至IO倍，跨中下緣應力減 少約lMPa ;活載超載20%，跨中下緣應力減少約0. 75MPa。如果這些變異同時發生，則跨中 下緣應力將減少約5MPa，雖然這些變異同時發生的可能性很小，但只要發生達到70%，橋 梁跨中下緣就會存在開裂的危險，開裂一旦發生，橋梁的內力將發生重分配並引發新一輪 的徐變，導致裂縫急劇擴大，成為重大安全隱患。
發明內容
本發明的目的是提供一種大跨徑混凝土梁橋設計方法，可有效預防大跨徑混凝土 梁橋的箱梁腹板、底板、橫隔板開裂，避免出現跨中下撓過大等現象。 本發明可以通過以下措施來實現，一種大跨徑混凝土梁橋設計方法，其特徵在於 採用斜拉橋施工監控原理，它包含以下設計步驟 (1)對影響大跨徑混凝土梁橋應力及位移的各要素進行施工監控，獲取各要素的參數值； (2)對獲取的參數值進行參數識別； (3)利用通過識別的參數對梁橋進行結構重分析計算和預應力動態調整設計；
(4)用實際的超載對動態調整設計進行驗算。 本發明引入斜拉橋施工監控原理，對橋梁的實際反應，例如高程、線形、應力等實 施嚴格的全過程施工控制，保證橋梁建造質量、確保施工過程的安全，使成橋結構內力和線 形等符合規範及設計要求，解決了現有大跨徑混凝土梁橋在運營後，受收縮徐變變異、溫度 作用變異、施工誤差超限及超載等的影響，出現多處裂縫寬度超限、跨中下撓不收斂等現 象，確保梁橋的承載能力，減少預應力備用束的施加，保證橋梁的正常使用和安全，減少維 修資金的投入。 作為本發明的一種改進，本發明還包括在設計階段中將混凝土收縮徐變作為隨機 變量進行包絡設計與徐變設計的步驟，它包含以下設計步驟
(1)將混凝土收縮徐變作為一個隨機變量；
(2)估計混凝土收縮徐變誤差範圍； (3)以混凝土收縮徐變誤差範圍作為基礎數據進行包絡設計和最小徐變設計。
作為本發明的進一步改進，本發明還包括在設計階段中，通過參數變異計算以留 足預應力備用束。以減小如需新增預應力束將付出的昂貴代價。 本發明還可以做以下改進，本發明還包括在運營階段中，通過對橋梁的應力與位
移要素的監控，採用預應力備用束對內力進行調整。 本發明還包括在0號橫隔板上設置橫向預應力。 作為本發明的進一步改進，本發明還包括在橋梁的邊跨及中跨合攏段的兩端設置 矮橫隔梁。 作為本發明的一種實施方式，所述預應力備用束至少採用體內束和體外束中的一 種，相應地，設置預應力備用束的架設結構，它包括預埋在橫隔板內的用於安裝預應力備用 束的預應力管道及設置在梁體上的轉向塊、錨固塊，其中在所述轉向塊和錨固塊中均設置 用於安裝預應力備用束的管道。預應力管道為預留管道，如需內力調整，在管道內穿梭預應 力鋼絞線，在錨固塊進行張拉。 作為本發明的一種改進，本發明所述的預應力備用束在橋梁跨中下緣部位橫向開 裂前施加。 作為本發明的實施方式，所述用於安裝預應力備用束的管道採用塑料波紋管。
作為本發明的進一步改進，對所述橫隔板中的預應力管道及橋梁上的錨墊板進行 防腐處理。 與現有技術相比，本發明具有如下顯著的效果 (1)本發明採用斜拉橋施工監控原理，進行動態設計，能夠儘量使調整後的新設計 與實際相符，精確的動態配束設計有效地預防了大跨度預應力梁橋的開裂和跨中下撓過大 的病害。 (2)將收縮徐變作用當作一種隨機作用來看待，粗略估計其誤差範圍並進行包絡 設計，同時首次採用最小徐變設計理念，大大減小因徐變作用帶來大跨度預應力梁橋跨中 開裂和下撓過大的病害。
(3)通過參數變異計算留足使用階段預應力備用束措施，並嚴密監視使用狀態的 應力和位移狀態，視健康監測結果及時採用預應力備用束進行內力調整，以減小如需新增 預應力束將付出的昂貴代價，有效地預防了大跨度預應力梁橋的開裂和跨中下撓過大。
(4)對0號塊橫隔板設置橫向預應力、在邊跨及中跨合攏段兩端設置矮橫隔梁，以 加強橫隔板人洞處及施工縫部位的抗裂能力，有效地預防了大跨度預應力梁橋橫隔板人洞 處及跨中的縱向開裂和下撓過大的現象。 (5)本發明可避免產生梁橋的主跨跨中豎向變形過大、箱梁腹板、底板及橫隔板開 裂、跨中下撓過大等現象，保證梁橋的正常使用和安全。
下面結合附圖和具體實施例對發明作進一步的詳細說明。 圖1是本發明大跨徑預應力混凝土梁橋體外預應力備用束縱向布置示意圖； 圖2是圖1中D局部放大示意圖； 圖3是沿圖1中C-C線的剖視圖； 圖4是沿圖1中B-B線的剖視圖； 圖5是沿圖1中A-A線的剖視圖。
具體實施例方式
本發明一種大跨徑混凝土梁橋設計方法，包括在大跨度混凝土梁橋的設計、施工 階段中，採用仿斜拉橋的施工監控原理，它包含以下設計步驟 對影響大跨徑混凝土梁橋應力及位移的各要素進行施工監控，獲取各要素的監測
數據，影響應力與位移的要素主要包括自重、預應力摩阻損失、混凝土的收縮徐變，獲得的
監測數據包括位移、內力、標高、彈性模量、摩阻損失等；對獲取的監測數據進行參數識別和
仿真分析，獲得全橋的應力分布，通過對比平面杆系程序計算和全橋塊體仿真計算模型的
計算結果，得到主梁主要控制斷面在對稱及非對稱活載作用下的應力增大係數(主要是剪
力滯效應)以及在恆載時的應力增大係數，這些係數為平面計算中荷載增大係數的取值提
供依據，可估計出恆載差異、剛度差異、預應力差異、收縮徐變變異等參數；利用識別出的參
數和監測數據對橋梁進行結構重分析計算，並根據分析結果對後續預應力束進行調整計算
設計，同時採用與實際相符的荷載標準進行驗算，儘量使調整後的新設計與實際相符。 在設計階段中，將混凝土收縮徐變作為隨機變量進行包絡設計與最小徐變設計的
步驟，它包含以下設計步驟將混凝土收縮徐變作為一個隨機變量；估計混凝土收縮徐變
誤差範圍；以混凝土收縮徐變誤差範圍作為基礎數據進行包絡設計和最小徐變設計。其中，
包絡設計是利用最不利荷載位置法求出梁橋每個截面的最大內力值，然後通過梁的內力包
絡圖來反映在各種可能荷載作用下全梁各截面能發生的內力最大值；混凝土徐變是指混凝
土在應力作用下，其應變隨時間而持續增長的特性，最小徐變設計即依據以往的設計應先
估計一個混凝土徐變的誤差範圍，然後根據計算求得誤差範圍內的最小徐變設計值。影響
混凝土徐變的主要因素包括混凝土的組成材料及其配合比、養護條件、工作環境的溼度與
溫度、構件的尺寸以及承受的應力大小、加載齡期、荷載持續時間等。 減少徐變效應是在設計中儘量與實際的影響混凝土徐變的主要因素相符合，即在混凝土的組成材料及其配合比、養護條件、工作環境的溼度與溫度、構件的尺寸以及承受的 應力大小、加載齡期、荷載持續時間等方面考慮周全，儘量減少徐變效應，提高設計的可靠 性。 另外，在設計階段中，通過參數變異計算以留足預應力備用束，在運營階段，通過 對橋梁的應力與位移要素的監控，採用預應力備用束對內力調整。預應力備用束至少採用 體內預應力備用束和體外預應力備用束之中的一種，如圖l和2所示，在本實施例中，預應 力備用束為體外預應力備用束8，相應地，設置預應力備用束的架設結構，在邊跨端部設置 錨固塊2，在邊跨和中跨設置轉向塊l，如圖3所示，在0號塊橫隔板3上端設置體外預應力 彎曲管道9，在轉向塊1和錨固塊2中均設置用於安裝預應力備用束的管道，所有預留體內 管道採用塑料波紋管並對橫隔板6內鋼結構管道及錨墊板等鋼件進行防腐處理，預應力備 用束應在橋梁跨中下緣橫向開裂前加設，這可通過對截面應力、位移的嚴密監測，當應力、 位移偏離設計期望並存在開裂危險時施加預應力備用束，在運營後根據橋梁健康監測結果 適時進行內力調整，應嚴密監視運營過程中，尤其是竣工後前幾年的應力和位移狀況，監控 工作由專業的橋梁檢測單位每半年進行一次，用專業的儀器進行檢測，一旦發現跨中下緣 表面有細微橫向裂縫，應馬上張拉備用束，具體是在預留的預應力備用束管道穿梭預應力 鋼絞線，在錨固塊中進行張拉錨固來實現。 如圖4所示，是邊跨及中跨合攏段矮橫隔梁的結構圖，在橋梁的邊跨與中跨合攏 段4兩端上設置矮橫隔梁5，可有效預防合攏段的縱向開裂及跨中下撓過大的隱患，其中合 攏段4採用鋼纖維增強聚合物改性混凝土 ；如圖5所示，為了加強橫隔板人洞7及施工縫部 位11的抗裂能力，在0號塊橫隔板3上設置橫向預應力IO，用於預防0號塊橫隔板3梁體 開裂。 在設計階段，還要做好結構構造設計和配筋設計，確保有足夠的腹板厚度和截面
尺寸；配置足夠的構造鋼筋、足夠的預應力彎道處防崩鋼筋和足夠的板內系筋等。 本發明的實施方式不限於此，根據本發明的上述內容，按照本領域的普通技術知
識和慣用手段，在不脫離本發明上述基本技術思想前提下，本發明還可以做出其它多種形
式的修改、替換或變更，均落在本發明保護範圍之內。
權利要求
一種大跨徑混凝土梁橋設計方法，其特徵在於採用斜拉橋施工監控原理，它包含以下設計步驟(1)對影響大跨徑混凝土梁橋應力及位移的各要素進行施工監控，獲取各要素的參數值；(2)對獲取的參數值進行參數識別；(3)利用通過識別的參數對梁橋進行結構重分析計算和預應力的動態調整設計；(4)用實際的超載對動態調整設計進行驗算。
2. 根據權利要求1所述的大跨徑混凝土梁橋設計方法，其特徵在於將混凝土收縮徐變作為隨機變量進行包絡設計與最小徐變設計的步驟，它包含以下設計步驟(l)將混凝土收縮徐變作為一個隨機變量；(2)估計混凝土收縮徐變誤差範圍；(3)以混凝土收縮徐變誤差範圍作為基礎數據進行包絡設計和最小徐變設計。
3. 根據權利要求1所述的大跨徑混凝土梁橋設計方法，其特徵在於通過參數變異計算以留足預應力備用束。
4. 根據權利要求3所述的大跨徑混凝土梁橋設計方法，其特徵在於所述預應力備用束至少採用體內預應力備用束和體外預應力備用束之中的一種，相應地，設置預應力備用束的架設結構，它包括預埋在0號塊橫隔板內的用於安裝預應力備用束的預應力管道及設置在梁上的轉向塊、錨固塊，其中在所述轉向塊和錨固塊中均設置用於安裝預應力備用束的管道。
5. 根據權利要求4所述的大跨徑混凝土梁橋設計方法，其特徵在於所述的預應力備用束在橋梁跨中下緣部位橫向開裂前施加。
6. 根據權利要求5所述的大跨徑混凝土梁橋設計方法，其特徵在於在運營階段，通過對橋梁的應力與位移要素的監控，採用預應力備用束對內力調整。
7. 根據權利要求4所述的大跨徑混凝土梁橋設計方法，其特徵在於所述用於安裝預應力備用束的管道採用塑料波紋管。
8. 根據權利要求6所述的大跨徑混凝土梁橋設計方法，其特徵在於還包括在0號塊橫隔板上設置橫向預應力。
9. 根據權利要求8所述的大跨徑混凝土梁橋設計方法，其特徵在於還包括在梁橋的邊跨及中跨合攏段的兩端設置矮橫隔梁。
10. 根據權利要求4所述的大跨徑混凝土梁橋設計方法，其特徵在於對所述橫隔板中的預應力管道及橋梁上的錨墊板進行防腐處理。
全文摘要
本發明公開了一種大跨徑混凝土梁橋設計方法，採用斜拉橋施工監控原理，它包含以下設計步驟(1)對影響大跨徑混凝土梁橋應力及位移的各要素進行施工監控，獲取各要素的參數值；(2)對獲取的參數值進行參數識別；(3)利用通過識別的參數對梁橋進行結構重分析計算和預應力動態調整設計；(4)用實際的超載對動態調整設計進行驗算。本發明引入斜拉橋施工監控原理，保證橋梁建造質量、確保施工過程的安全，使成橋結構內力和線形等符合規範及設計要求，解決了現有大跨徑混凝土梁橋在運營後，出現多處裂縫寬度超限、跨中下撓不收斂等現象，確保梁橋的承載能力，減少預應力備用束的施加，保證橋梁的正常使用和安全，減少維修資金的投入。
文檔編號E01D22/00GK101709570SQ20091021423
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者盧紹鴻, 康如璧, 曹衛力, 梁立農, 蔡小楊, 黃湛軍 申請人:廣東省公路勘察規劃設計院有限公司