专利名称：一种变截面预应力混凝土连续梁桥纵向预应力束设计方法
技术领域：
本发明涉及一种变截面预应力混凝土连续梁桥纵向预应力束设计方法。
背景技术：
20世纪70年代，随着平衡悬臂拼装法与平衡悬臂浇筑施工方法的采用和预应力技术的发展，预应力混凝土连续梁(刚构)桥成为当今桥梁建设中的一种主要桥型。其中预应力混凝土连续梁桥最大跨径在200m以内，预应力混凝土连续刚构桥最大跨径在350m以内。对于预应力混凝土连续梁桥，纵向预应力束设计非常重要。虽然预应力混凝土连续梁桥纵向预应力束传统设计方法进行不断的优化和改善，但是还是存在不足之处，主要表现在以下几个方面(I)传统的预应力混凝土连续梁桥纵向预应力束的设计主要依靠以往的设计资料和设计者的个人经验进行试算，缺乏理论上的依据。在传统的预应力混凝土连续梁结构设计中，往往根据给定的设计资料，凭经验或参考同类桥梁初步确定桥型及纵、横断面布置，计算主梁内力，估算预应力钢筋并布置，扣除预应力损失后，根据结构的强度、应力、变形、抗裂计算分析，来修改设计方案，对修改后的方案再进行计算分析。预应力混凝土箱梁桥的纵向预应力束通过适配的方式进行设计计算，往往繁复冗长，效率低；有时对预应力构件的截面参数选取不当，甚至纵向预应力束配筋设计无法实现。( 2 )传统预应力度计算公式应用于变截面连续梁的设计，存在局限性。对于预应力混凝土静定结构和超静定结构，基于预应力度定义的预应力筋配筋计算公式都是建立在结构内力已知的情况下。对于静定结构或者等截面超静定结构，结构内力情况比较明确，内力效应容易求解得到，预应力筋配筋计算公式能够方便使用；但是对于变截面超静定结构，由于主梁的几何形状和预应力钢索的几何线形的复杂性，主梁的内力是非常复杂的，要得到预应力筋配筋计算公式中假定参数比较困难。(3)已有预应力混凝土连续梁桥纵向预应力束设计中，预应力度取值缺少定量范围。在预应力混凝土结构中，预应力度法的设计原理是根据预应力度的大小来确定预应力混凝土连续梁桥施工阶段和运营阶段的主梁应力状态，但现行研究中对预应力度取值大小范围缺乏定量分析。
发明内容
本发明基于预应力度的设计原理，将解析法和有限元法结合，综合考虑恒载、活载作用效应，建立预应力混凝土连续梁桥纵向预应力束优化设计方法。在平均弯矩法的基础上，建立变截面预应力混凝土连续箱梁桥的三弯矩方程来求解结构在恒载下的内力；利用荷载等效法、单位荷载法建立预应力有效预压力的计算公式；通过力法建立徐变效应计算公式；通过有限元法计算了温度效应和汽车荷载效应；最后通过应力比综合预应力度的定义结合起来，得到变截面超静定结构预应力束配筋计算公式。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种变截面预应力混凝土连续梁桥纵向预应力束设计方法，包括以下步骤步骤一根据所需建设桥梁的主跨径以及承受的交通流量来建立预应力变截面连续箱梁桥计算模型，所述的模型中相关计算参数包括桥梁截面的主梁梁高、顶板宽度、顶板厚度、腹板厚度、底板宽度、底板厚度、底板线形，以及桥梁的边中跨比、容重和混凝土弹性模量，并通过相关计算参数求得截面面积和抗弯惯性矩；步骤二 由步骤一中所得到的抗弯惯性矩通过三弯矩方程计算结构恒载内力，然后通过力法推导徐变效应与恒载的关系式并代入由步骤一中所得到的截面面积和抗弯惯性矩求得结构徐变次内力，再建立有限元模型计算温度和汽车荷载效应，最后由所求得的结构恒载内力、结构徐变次内力以及温度和汽车荷载效应求得主梁结构的内力
apc其中结构徐变次内力包括预应力混凝土体系转变混凝土徐变次内力Mt,预
应力混凝土连续梁体系，混凝土徐变引起的多余约束处的内力增量Xli ；步骤三根据步骤二中所求得的主梁结构内力以及规定的应力要求确定预应力度值；根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求结构在制造、运输、安装和使用过程中应具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性。结构的强度应使全部构件的承载能力具有足够的安全储备，结构在荷载作用下变形不超过规定的容许，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范》要求1.正常使用极限状态(I)正截面抗裂验算即结构在作用短期效应组合下的正截面应力应符合σ st- σ pc ^ O. 7ftk结构长期效应组合下应力应符合σ lt- σ p。彡O2.持久与短暂状况构件的应力计算(I)持久状况砼最大压应力即结构在使用阶段的最大压应力σ sy < O. 5fck3.优化目标结构在作用短期效应组合下的正截面拉应力IMPa ( σ pc- σ st ^ 3MPa
由
权利要求
1.一种变截面预应力混凝土连续梁桥纵向预应力束设计方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一根据所需建设桥梁的主跨径以及承受的交通流量来建立预应力变截面连续箱梁桥计算模型，所述的模型中相关计算参数包括桥梁截面的主梁梁高、顶板宽度、顶板厚度、腹板厚度、底板宽度、底板厚度、底板线形，以及桥梁的边中跨比、容重和混凝土弹性模量，并通过相关计算参数求得截面面积和抗弯惯性矩； 步骤二 由步骤一中所得到的抗弯惯性矩通过三弯矩方程计算结构恒载内力，然后通过力法推导徐变效应与恒载的关系式并代入由步骤一中所得到的截面面积和抗弯惯性矩求得结构徐变次内力，再建立有限元模型计算温度和汽车荷载效应，最后由所求得的结构恒载内力、结构徐变次内力以及温度和汽车荷载效应求得主梁结构的内力； 步骤三根据步骤二中所求得的主梁结构内力以及规定的应力要求确定预应力度值范围； 步骤四根据步骤二中所求得的主梁结构的内力和步骤三所得的预应力度值计算有效减压应力； 步骤五根据单位荷载法计算出综合内力产生的单位有效预压应力； 步骤六根据步骤四中所得的有效减压应力和步骤五中所得的单位有效预压应力计算有效预应力，再根据不同预应力度值得到不同效应组合下的内力、应力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中桥梁截面面积A为A=l/2 (f+d)(B-b)+bf+2CH+bk 其中，B为桥梁截面的顶板宽度，d为顶板翼缘端厚度，H为主梁梁高，C为腹板厚度，k为底板厚度，b为底板宽度，f为顶板厚度； 步骤一中抗弯惯性矩Ix为Ix= / y2dA 其中y2dA为截面的微面积dA对截面平面横向X轴的惯性矩。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中所述的通过三弯矩方程计算结构恒载内力的计算公式为AMlri+BMn+CMn+DMn+1=E+F， 其中，Mn为多跨连续梁第η个支点处的弯矩，
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中所述的通过力法推导徐变效应与恒载的关系式为
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤二中计算主梁结构的内力的公式为
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三的预应力度值的计算公式为
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四中有效减压应力计算公式为
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤五中单位有效预压应力的计算公式为
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤六中有效预应力Np。的计算公式为
全文摘要
本发明公开了一种变截面预应力混凝土连续梁桥纵向预应力束设计方法，是基于预应力度的设计原理，将解析法和有限元法结合，综合考虑恒载、活载作用效应，建立预应力混凝土连续梁桥纵向预应力束优化设计方法。在平均弯矩法的基础上，建立变截面预应力混凝土连续箱梁桥的三弯矩方程来求解结构在自重作用下的内力；利用荷载等效法、单位荷载法建立预应力有效预压力的计算公式；通过力法建立徐变效应计算公式；通过有限元法计算了温度效应和汽车荷载效应；最后通过应力比综合预应力度的定义结合起来，得到变截面超静定结构预应力束配筋计算公式。
文档编号E01D101/28GK103065035SQ20121037539
公开日2013年4月24日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者袁明, 颜东煌, 刘建伟 申请人:长沙理工大学