报告5-大跨预应力混凝土连续刚构桥预应力优化研究.docx

大跨预应力混凝土连续刚构桥
三向预应力筋的合理布置及优化研究

目录

一．研究背景及研究内容…………………………………………1
二．预应力混凝土连续刚构桥的预应力设计理论………………5
三．基于弯曲能量最小法的纵向预应力优化设计………………10
四．连续刚构预应力参数优化设计………………………………34
五．横向预应力与纵向预应力的交互影响研究…………………59
六．结论……………………………………………………………90

研究背景及研究内容
近几十年来，虽然广泛应用计算机进行桥梁设计，但是目前仅限于结构分析与方案比较，而方案的提出及设计诸因素的最后确定主要由设计者的经验决定。如何使结构具有足够的承载能力，又能节省材料用量，主要依靠人们的经验和参考已有的设计实例，缺乏理论上的依据。然而，把最优化方法引入结构设计，就能够给结构设计的最优性以明确的科学根据。
预应力混凝土连续刚构桥预应力设计是主桥上部结构设计的重要组成部分，如果预应力设计恰当，不仅使连续刚构的受力性能提高，混凝土材料得到充分的应用，而且可以节约钢材。反之，如果预应力设计不恰当，不仅浪费材料，而且会造成混凝土箱梁开裂，甚至破坏的严重后果，因此预应力设计问题对于工程实际意义重大。
在以往对连续刚构的优化设计当中，都只对一次落架时桥梁结构的应力进行约束，没有考虑到施工阶段的应力是否满足规范要求。鉴于此，针对国内大跨连续刚构的迅速发展和大量被设计采用，以及对三向预应力的研究方面的不足，本文借助龙潭河特大桥工程，对大跨连续刚构桥的三向预应力进行优化设计及研究分析，得出有益的结论，为大跨连续刚构桥的预应力设计提供指导。
1.1 连续刚构的纵向预应力优化方法
近年来有不少学者对连续刚构、连续梁桥的纵向预应力进行了优化设计，提供了相应的优化设计方法。
1997年M.A.Utrilla中提出了一种在连续梁桥中自动配索的方案。首先，用线性规划的方法得到几何学上最佳的预应力索力和合理的预应力布索位置。然后用最速下降的方法自动寻找预应力筋的几何图形和最小索力。最后，将此方法用于两跨连续梁桥上，并获得了初步的设计结果。1998年，肖汝诚从优化设计的角度出发，以用钢量最小为目标函数，以关键截面的成桥应力为约束条件，采用了影响矩阵法和线性规划的方法优化T构纵向预应力钢筋。M.A.Utrilla和肖汝城采用的方法使用起来比较简单，但只考虑了最后阶段的应力约束，配束不能保证结构在施工阶段中受力也是最优的。2000年，刘桂生提供了一种优化纵向预应力钢筋的方法，其基本思想是：根据悬臂施工阶段按T构弯矩平衡配置静定束，成桥阶段按正截面最不利应力配置后期束。2000年，何雄君建立了基于预应力混凝土连续梁桥预应力度的模糊优化问题，按a-水平截集解法，将模糊优化问题转化为确定性的数学规划问题。求得一较合理的消压弯矩后，只需按控制截面的构造进行预应力体系设计。在此基础上也提出了配束自动化的基本思想。
1.2 连续刚构的竖向预应力优化方法
近年来，混凝土箱梁的开裂现象相当严重，特别是箱梁腹板开裂占了相当的比例。理论和实践表明：竖向预应力是抵抗箱梁腹板剪应力和主拉应力的关键，所以竖向预应力的优化设计有很大的现实意义。
2004年，张开银介绍了一种在复杂应力状态下的混凝土强度三参数准则模式，结合预应力混凝土梁斜截面抗剪强度研究，分析预应力混凝土在双轴应力状态下强度问题，提出考虑如何使混凝土强度提高的竖向预应力间距计算公式。2002年，刘钊从弹性理论的解析解出发，讨论竖向预应力下考虑应力扩散的箱梁腹板压应力计算问题，得到了竖向预应力筋合理间距和扩散角的计算公式。分析表明，竖向预应力的合理间距应该在0.1～0.25h之间，h为梁高。
正因为存在预应力扩散角而产生预应力盲区，刘四田认为不能使用直线型布束。浙江工业大学的施颖提出，如果使用纵向直束，为了减小竖向预应力的损失，竖向预应力可考虑在设计上从以下两个方面加以改进：(1)采用整体锚垫板[图1.2(a)]。(2)采用环向预应力筋这种方法，通过加长预应力长度，来建立更多的预应力，有效发挥竖向预应力筋作用。环向预应力筋设置有两种方法:一种将2根竖向力筋连在一起，在梁顶面张拉，错位布置[图1.2(b)]；另一种方法利用横向预应力筋左右间隔锚在梁底下和悬臂端点处[图1.2(c)]。

图1.2竖向预应力筋改进方法
1.3 连续刚构的横向预应力优化方法
在大跨度桥梁的横向预应力的研究上，国内外可查的相关文献非常少。一般连续刚构为了保证箱梁顶板在荷载作用下不产生顺桥方向的纵向裂缝，设计中在顶板内布置有横向预应力钢筋。为防止底板纵向裂缝，也可在底板设置横向预应力筋。
1995年，苏炜对双向板进行了研究，得出了以下结论：由于板横向变形，对已存在的先张钢筋有一再张作