预应力混凝土桥梁结构设计.ppt

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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哈尔滨工业大学张张树树仁仁Zhttp:

/海南海口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（JTGD62-2004）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，？

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？

xbh0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xbh0的限制条件。

不滿足xbh0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x0.7bh0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xbh0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.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.1.21.2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JTGD62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。

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：

正截面承正截面承载力和使用力和使用阶段段应力力验算均已算均已满足足规范要求，从理范要求，从理论上上讲就可以保就可以保证结构的安全工构的安全工作，在作，在这种情况下，种情况下，还要限制开裂弯矩有什么要限制开裂弯矩有什么实际意意义？

规范中范中给出的开裂弯矩出的开裂弯矩计算公（算公（6.5.2-6）是）是针对部分部分预应力混凝土力混凝土B类结构提出的，构提出的，对全全预应力混凝土和部分力混凝土和部分预应力混凝土力混凝土A类构件不存构件不存在开裂在开裂问题，是否可以不受，是否可以不受规范范9.1.12条限制？

条限制？

在在实际设计工作中工作中经常出常出现开裂弯矩大于开裂弯矩大于承承载力力设计值的反常的反常现象的原因是什么？

象的原因是什么？

应如何如何解决？

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JTGD62编制制说明中明中对受弯构件的最小配受弯构件的最小配筋率的物理意筋率的物理意义是是这样解解释的的“受弯构件的受拉受弯构件的受拉钢筋最筋最小配筋率是根据混凝土的开裂弯矩与同尺寸的小配筋率是根据混凝土的开裂弯矩与同尺寸的钢筋混凝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受拉边缘出出现裂裂缝时，梁不致因配筋，梁不致因配筋过少而脆性破坏。

少而脆性破坏。

公式（公式（9.1.12）对于于预应力混凝土最小配筋的要求，其力混凝土最小配筋的要求，其性性质与上述与上述钢筋混凝土受弯构件筋混凝土受弯构件类似，可表达似，可表达为”。

混凝土混凝土结构构设计规范范GB50010-2002对这一一问题的解的解释是是规范范9.5.3条条规定了定了预应力构件中各力构件中各类预应力筋的力筋的最小配筋率，其基本思路最小配筋率，其基本思路为截面开裂后受力截面开裂后受力钢筋不致立即筋不致立即失效的原失效的原则，目的是，目的是为了使构件具有起了使构件具有起码的延性性的延性性质，避，避免无免无预兆的脆性破坏。

兆的脆性破坏。

桥规JTGD629.1.12条做条做强强制性条文是必制性条文是必须执行行的，例外，其目的是控制受拉的，例外，其目的是控制受拉钢筋筋总量不能量不能过少，以保少，以保证梁的梁的塑性破坏性塑性破坏性质。

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.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JTGD62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）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。

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。

（）（）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：

1.2.31.2.3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”若所加若所加预应力力过大，在排除大，在排除计算上的算上的错误后仍可能出后仍可能出现的反常的反常现象。

象。

众所周知，一个配筋适当的众所周知，一个配筋适当的应力混凝土梁从施加力混凝土梁从施加预加力加力至构件的最后破坏要至构件的最后破坏要经历：

预施施应力力阶段，从承受使用荷段，从承受使用荷载到构件出到构件出现裂裂缝的整体工作的整体工作阶段、段、带裂裂缝工作工作阶段和破段和破坏坏阶段等四个段等四个过程。

程。

换句句话说，一个正常配筋的，一个正常配筋的预应力混凝土只有先开裂，随力混凝土只有先开裂，随着着变形的不断形的不断发展，才能达到最后的塑性破坏状展，才能达到最后的塑性破坏状态。

从从预应力混凝土梁的破坏机理分析可以判断，力混凝土梁的破坏机理分析可以判断，计算中出算中出现的的预应力混凝土梁的力混凝土梁的变形很小，一旦构件承担的内力形很小，一旦构件承担的内力值接近或达到接近或达到抗弯承抗弯承载力力设计值时，梁会立即，梁会立即发生脆性破生脆性破坏坏这种无任何种无任何预兆的脆性破坏是很危兆的脆性破坏是很危险的，的，设计中是中是绝对不能采用的。

不能采用的。

1.2.41.2.4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。

由于受由于受传统的全的全预应力力设计思想的影响，很多思想的影响，很多设计者者习惯于于“从正截面承从正截面承载力需要出力需要出发（即（即强强度条件），度条件），选择预应力筋的数量，然后力筋的数量，然后进行抗裂性及使用行抗裂性及使用阶段的段的应力力验算的算的设计方法，只要抗裂性及使用方法，只要抗裂性及使用阶段的段的应力力满足足规范要求范要求,不管有多大的富余量，即不管有多大的富余量，即认为可以保可以保证结构安全工作。

构安全工作。

例如，例如，桥规JTGD62规定定对特大特大桥和重要和重要大大桥在承在承载力力计算中引入了算中引入了结构重要性系数构重要性系数=1.1，即将荷，即将荷载效效应组合合设计值提高提高10%。

这样，按着上述根据，按着上述根据强强度条件度条件选择预应力筋数量，要比力筋数量，要比过去增加去增加10%，而抗裂性，而抗裂性及使用及使用阶段段应力力验算算时，荷，荷载效效应组合合设计值与以前与以前设计相比并没有增加。

相比并没有增加。

这样势必会造成必会造成预压应力增加，致使在短力增加，致使在短期效期效应组合或使用荷合或使用荷载作用下梁的下作用下梁的下缘保持保持较大的大的压应力富余量。

力富余量。

例如，例如，桥规JTGD62规定定对特大特大桥和重要和重要大大桥在承在承载力力计算中引入了算中引入了结构重要性系数构重要性系数=1.1，即将荷，即将荷载效效应组合合设计值提高提高10%。

这样，按着上述根据，按着上述根据强强度条件度条件选择预应力筋数量，要比力筋数量，要比过去增加去增加10%，而抗裂性，而抗裂性及使用及使用阶段段应力力验算算时，荷，荷载效效应组合合设计值与以前与以前设计相比并没有增加。

相比并没有增加。

这样势必会必会造成造成预压应力增加，致使在短期效力增加，致使在短期效应组合或合或使用荷使用荷载作用下梁的下作用下梁的下缘保持保持较大的大的压应力力富余量。

富余量。

预应力混凝土梁的配筋力混凝土梁的配筋设计应满足不同足不同设计状况下状况下规范范规定控制条件要求（例如：

承定控制条件要求（例如：

承载力、力、抗裂性、裂抗裂性、裂缝宽度、度、变形及形及应力等）。

在力等）。

在这些些控制条件中最重要的是控制条件中最重要的是满足足结构在正常使用极构在正常使用极限状限状态下使用功能要求（抗裂性和裂下使用功能要求（抗裂性和裂缝宽度）度）和保和保证结构构对达到承达到承载力极限状力极限状态时具有一定具有一定的安全的安全储备.在截面尺寸已知的情况下，在截面尺寸已知的情况下，结构的抗裂性和构的抗裂性和裂裂缝宽度主要与度主要与预加力的大小有关，而构件的加力的大小有关，而构件的极限承极限承载力力则与与预应力筋和普通力筋和普通钢筋的筋的总量有量有关。

关。

预应力混凝土梁钢筋数量估算的一般方法是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：

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