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印度IRC规范预应力混凝土桥梁设计实践

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2008年12月 铁道工程学报 Dec 2008 第12期(总123) JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETY NO.12(Ser.123) 文章编号:1006—2106(2008)12—0057—04 印度IRC规范预应力混凝土桥梁设计实践 刘 挺 (中铁二院工程集团有限责任公司, 成都610031) 摘要:研究目的:本文就实例介绍遵循IRC规范的预应力混凝土桥梁设计,有助于了解IRC桥梁规范。 研究结论:预应力钢筋及混凝土的材料力学性能与我国规范相差不大,预应力损失计算也基本相同。预 应力结构的安全通过控制应力状态和极限承载能力两项来保证。IRC:18的应力状态要求较严格,不允许混 凝土出现拉应力,即不允许部分预应力混凝土设计。这样做的优点是设计偏于保守,结构安全裕量较大;缺点 则是部分预应力的使用,不利于灵活适应不同设计要求和环境条件。 关键词:桥梁工程;预应力混凝土;公路桥梁;IRC规范 中图分类号:U441 文献标识码:A Practice in Design of Prestressed Concrete Bridge in Accordance th Indian IRC Code LIU Ting (China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd,Chengdu,Sichuan 610031,China) Abstract:Research purposes:The introduction is given in this paper to the practice in design of prestressed concrete bridge in accordance with the IRC Code for the purpose of learning more about the IRC Code for bridge. Research conclusions:The materials mechanics properties of the prestressed reinforcement and concrete stipulated in In- dian IRC Code are very closed to those stipulated in Chinese IRC Code and the Indian calculation of the pretress loss is almost the same as Chinese calculation.The security of pretressed structure is guaranteed by controlling stress and limi— tation bearing capam‘ty.The requirement of stress stipulated in Indian IRC Code 1 8 is very high and tensile stress is not allowed,that is to say the partiM prestressed concrete design is not allowed.In this case,the structure is more security, but it can not make the design flexible to satisfy the requirements of the different designs and environments because of limiting usage of partial stress. Key words:bridge engineering;prestressed concrete;highway bridge;IRC Code IRC规范是由印度道路协会(The Indian Road Congress)颁布的指导印度公路工程建设的系列规范, IRC:18—2000(后张法预应力混凝土设计规范》; IRC:21—2000《素混凝土及钢筋混凝土设计 规范》; IRC:22—1986(结合梁规范》; 其中与预应力混凝土桥梁设计有关的规范由以下部分 组成: IRC:5—1998(总体设计规定》; IRC:6—2000(荷载规范》; IRC:78—2ooo(基础与下部结构设计规范》。 本文就印度国家公路局Kerala border—Thrissur 收稿日期:2008—09—08 作者简介:刘挺,1974年出生,男,工程师。 58 铁道工程学报 2008年12月 项目Irumpupalam大桥的设计实例介绍遵循IRC规范 的预应力混凝土桥梁设计。 桥面中心线 315 500 1设计前期及初步设计 桥梁设计首先要解决桥梁总体规划问题,确定平 面和立面布置,初步拟定结构主要尺寸,绘制出总布置 图。桥梁设计的前期及初步设计工作,如设计数据收 集、桥址选定、桥跨布置、桥孑L净高与净空、桥面布置等 要符合IRC:5—2000((总体设计规定》的要求。图1为 KBT项目Irumpupalam大桥总布置图。上部结构为 7×42.6 m后张法预应力混凝土简支梁,主梁为4片 I形梁,由跨中及两端支座处的横隔梁横向连接,其上 为现浇桥面板,如图2所示。桥面总宽12 m,三车道 总宽9 m,单侧人行道宽1.5 m。下部结构为u形桥 台,单柱式桥墩,沉井基础。 梁缝中心线 梁缝中心线距离 梁缝中心线 图2 Irumpupalam大桥桥面布置(单位:mm) 2荷载与作用 怎●●●l6 7●●●●●●●●●●+  t L 3 IRC规范的汽车活载分为Class AA、Class A(图3) O 7 3 "●_吾●+ 【 和Class B 3个等级。设计中常用修订版本Class 70R 00●●●●●●●●●, 3 5 6 m 2 200I.  ’ .跨度42 610 l 2.: !oo … (图4)代替Class AA,两者都是重型车辆活载。Class B O 0 3 只用于木结构临时桥梁。活载组合及多车道折减系数 7 l ¨ T 6 ●● l 四 如表1所示。 3 7 3  l●—— 一 河床 —O "●●q t 6 8_L 。一一  2 1 ●m 8t , 一 一盖顶混凝土 一 == =一 广 it 3 m  【 3.96m ll 4 3 I m 斗●●●●●●●●●审 <J 填砂 C25钢筋混凝土井圈 填 砂 2 2●m , 图3 IRC—Class 70R活载纵向分布简图 4 t 卡3   2 .封底混凝土 封底混凝土一 ‘ ^ 、 号 =三 2 7 tm ●●●●●●●●●●t2 L ◎ @ 图4 IRC—Class A活载纵向分布简图 图1 Irumpupalam大桥总布置图(单位:mm) 表1活载组合及多车道折减系数 总车道宽度 设计车道数 活载组合 纵向效应 折减系数 5.3 m以下 5.3~9.6 Ill 9.6~13.1 m 13.1~16.6 m 1 2 3 4 1列Class A占2.3 m宽,其余车道覆盖500 ks/iTl 均布荷载 1列Class 70R或2列Class A 1歹0 Class 70R加1歹0 Class A或3列Class A l 1 0.9 16.6~20.1 in 20.1~23.6 m 5 6 1列Class 70R,剩余每两车道布置1列Clssa A或每车道布置1列Clssa A 0.8 度 I11 TI面璧妻 可 用车道宽 3 结构分析应按3车道设计。设计活载为1列Class 70R 一 。 .苷.Irum ,加1列Class A或3列Class A。 对于多片主梁横向由桥面板、横隔梁连接组成的 其它荷载可按照IRC:6—2000提供的计算方法和 公式计算。 梁跨,活载在各片主梁上的横向分配系数计算需符合 IRC:21—2000中的规定。仅2片主梁组成的梁跨可 第12期 刘挺:印度IRC规范预应力混凝土桥梁设计实践 59 采用杠杆原理法,更多梁片组成的梁跨应采用刚性横 梁法、比拟正交异性板法或梁格分析计算内力。本文 采用有限元法,建立全桥有限元梁格模型,把横梁和桥 4.3.5摩擦损失 预应力钢筋距锚固端 处的应力可按式(1)计算: = 。。( )・e‘ 缸’ (1) 面板模拟为横向等刚度梁单元,再通过移动荷载分析 4.4极限承载力计算 得到构件的内力包络图。 4构件截面验算 4.1混凝土容许应力 施工阶段混凝土压应力不得超过0.5 并不大于 20 MPa。 是以 为终值的该施工阶段轴心抗压强度 标准值。预应力张拉时混凝土强度不得低于0~. 。施 工阶段混凝土拉应力不得超过该阶段容许压应力的 1/10。 运营阶段混凝土压应力不得超过0.33厶,不允许 出现拉应力。对于与时问有关的预应力损失,应检查 发生超过计算值20%损失时的应力状况,此时混凝土 中不得出现拉应力。 混凝土的弹性模量可按E。=5 00 MPa计算。 龄期未满28 d的混凝土厶应取当前强度 计算。 4.2预应力钢筋容许应力 钢束的最大张拉应力不得超过具有99.9%保证 率的强度值的90%,具有99.9%保证率的强度值一般 按最小极限张拉强度的0.85倍考虑,故张拉控制应力 不得超过0.9×0.85=0.765 UTS。 4.3预应力损失计算 4.3.1弹性压缩 混凝土的弹性压缩损失应基于钢束张拉顺序计 算,设计中可按预应力钢筋混凝土的弹性模量比与钢 筋重心处混凝土按长度平均的应力的乘积的0.5倍 计算。 4.3.2混凝土徐变与收缩 混凝土徐变引起的应力损失可按规范提供的徐变 应变和残余收缩应变计算。 4.3.3钢筋松弛 当验算施工阶段混凝土容许应力时,预应力钢筋 的松弛可在规范提供的张拉后1 000 h中间值的基础 上按比率计算。验算运营阶段应力状况时,应采用张 拉后0.5×10 h的长期应力松弛损失,其值可按1 000 h 中问值的3倍采用。 4.3.4锚具变形 预应力钢筋由于锚具变形和预应力钢筋内缩引起 的预应力损失应根据试验或生产厂家的推荐确定,并 考虑回缩时钢筋的反向摩阻。计算反向摩阻时,应采 用与计算摩擦应力损失相同的摩擦系数m和k。 4.4.1荷载组合 预应力混凝土结构及其构件应验算其在极限荷载 下的承载力,一般环境条件下的极限荷载组合为1.25 G+2 SG+2.5 Q,暴露在严苛环境中的极限荷载组合 应为1.5 G+2 SG+2.5 Q。式中G代表恒载,SG代表 二期恒载,Q代表包括冲击效应的活载。二期恒载应 包括预制人行道、栏杆、路面铺装、路缘石、分隔带等。 当恒载效应对结构有利时,还应按G+SG+2.5 Q的 组合检算承载力。 4.4.2抗弯承载力 极限荷载条件下钢筋屈服或混凝土压溃都可以造 成结构失效。截面承载力应根据下列公式对上述2种 情况进行计算,其中较小的作为设计极限抗弯承载力。 (1)钢筋屈服(低筋截面) M “=0.9・d6・A ・ (2) 式中A ——钢筋面积; ——钢筋极限抗拉强度; 以——截面受压边缘到钢筋重心的高度。 上列承载力计算公式中非预应力钢筋也可以按其 面积乘以屈服强度计入。 (2)混凝土压溃 矩形截面: “=0.176・b・d ・厶 (3) ,, 形截面: “ =0.176・b・d:・厶+ ・0.8・ ・b・f d6一寺}. ・ ・ (4) 式中6——矩形截面宽度或T形截面腹板宽; B厂—_T形截面翼缘宽; 卜一T形截面翼缘厚。 4.4.3抗剪承载力 截面的最大剪力不应超过表2所列最大剪应力与 6 的乘积。 表2截面最大剪应力 量 重壅 !兰l兰: I!:兰l兰:!I : l : I : l : 不管截面实际弯矩是否使混凝土开裂,混凝土抗 剪承载力都应按未开裂截面和开裂截面分别计算,并 取较小值作为混凝土所能承受的极限剪力,如果实际 剪力超过混凝土抗剪承载力,则应设置抗剪钢筋。 铁道工程学报 2008年12月 (1)未开裂截面混凝土抗剪承载力 。=o.67bd (5) (2)开裂截面混凝土抗剪承载力 Vcr=0.037bdb + - ̄-v (6) (3)钢筋抗剪承载力 当设计剪力小于混凝土抗剪承载力 的1/2,可 不配置抗剪钢筋。当设计剪力大于Vc/2小于 时, 应按式(7)中最小配筋率的要求配置箍筋。 x -o-4 MPa ㈩ 当设计剪力大于 时,应按式(8)的要求配置抗 剪钢筋。 S : 0 87f (8)口 . .dt 5主要构造规定 T梁腹板厚度不应小于200 mm加管道外径,板的 最小厚度包括悬臂板端部不应小于200 mm。支座处 必须设置与桥面板连成整体的横隔梁,中间横隔梁根 据需要设置。除单车道或人行桥外梁板结构的桥梁主 梁不得少于3片。梁板横隔梁的厚度不应小于纵向主 梁腹板的最小厚度。 箱梁腹板的厚度不得小于梁高的1/36加上净保 护层的2倍和管道外径。钢束锚固点的腹板厚度应加 厚至350 mm并不小于锚具的规定值。底板厚度不得 小于底板顶两侧腹板距离的1/20或200 mm中较大 的。顶板的厚度参照T梁的规定。有预应力管道穿 过的顶板或底板厚度不得小于150 mm加管道外径。 腹板和顶板充分有效连接能够传递足够剪力的箱 梁,可视为整体,顶板全部宽度可作为受压区有效宽 度。对于跨度相对桥宽较小、腹板间距较大、悬臂板较 长的箱梁应通过研究分析来决定翼缘有效宽度。主梁 的翼缘最大有效宽度要满足式(10)和式(11)的规定: b =b +1/5 f0(T梁) (1O) b =b ,+1/10 (L梁) (11) 式中6 ,——腹板厚; ——有效跨度。 悬臂法施工应尽量采用箱梁,并在支座处设置横 隔板。箱梁高度不应突然变化。为减少温度梯度对箱 梁的影响应设置合适的通风孔。 箱梁内侧角隅应设置尺寸不小于300 mm(水平方 向)×150 mm(竖直方向)的梗肋。外侧角隅可以适当 圆弧过渡。 箱梁内部净高不得小于1.5 in,以方便检查。 梁端的宽度必须满足锚具的布置及受力要求,长 度不得小于600 mm或梁端宽度。 除设计需要的预应力钢筋外,结构中需预留备用 管道以提供额外4%的预应力。 任何部位预应力钢筋从管道外缘起量的最小净保 护层不得小于75 mm。非成束布置的预应力钢筋的净 距不得小于50 mm或管道外径两者中较大者。如果 预应力钢筋必须成束布置,只允许竖直方向2根钢筋 并列布置,如图5所示。 工o 工Ⅱ --f-。 工c 闩 向 闩卜 闩 图5预应力钢筋布置示意图 注:口,b≥50mm或预应力管道直径二者中较大者,c>/75mm 预应力钢束从跨中最低点到端部最高点的连线坡 度不得超过1:6。钢束最小弯曲半径、间距和保护层 的设置必须避免周围混凝土崩脱。上述设计规定可参 照BS:5400:Part 4:(Appendix—D)第16条。 6 结论 IRC规范建立了一套具有印度特色的桥梁规范体 系,经过长期桥梁设计和建设实践的检验并不断修订 和发展,已成为世界上较成熟的规范体系之一。 结构分析IRC钢筋混凝土规范规定以线弹性分 析方法为主,对于杆系结构桥梁一般采用解析法或有 限元法分析。荷载横向分配系数可采用杠杆原理法、 刚性横梁法或比拟正交异性板法计算,实际设计工作 中经常采用全桥有限元模型中的横向布载来计算最大 弯矩和剪力。 预应力结构的安全通过控制应力状态和极限承载 能力来保证。IRC:18的应力状态要求较严格,不允许 混凝土出现拉应力,即不允许部分预应力混凝土设计。 这样做的优点是设计偏于保守,结构安全裕量较大;缺 点则是部分预应力的使用,不利于灵活适应不同 设计要求和环境条件。 参考文献: [1]IRC:5—1998,Standard Specifications and Code of Practice (下转第65页) 第l2期 刘敬棉:分段施工的预应力混凝土连续梁钢束布置方式及预张力研究 65 5 结论 通过本工点的计算分析,满布支架现浇施工的连 续梁混凝土体积较大,不能一次浇筑完成时,需要分段 施工。分段施工同样需要预张拉部分预应力钢束以防 际不符,影响计算的准确。 参考文献: [1]TB 10002.3_2005,铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝 土结构设计规范[s]. [2]铁建设[2005]157号,铁路混凝土结构耐久性设计暂行 规定[s]. 止收缩裂缝的发生。在施工组织时,首先考虑逐段推 进的施工方法,钢束采用连接器连接。受构造,在 [3]娄晓龙,周雅峰,耿蕴华.郑州市航海路立交桥设计[J]. 采用钢束连接器布束困难时,建议预张拉钢束采用在 齿块锚固的钢束。整联梁的施工支架在成桥后一次拆 公路,2001(9):59—61 [4] 范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出 除,钢束重心尽量与截面重心重合,不改变满布支架的 版社,1988. 约束条件;预张力的大小,根据理论厚度、施工周期进 [5]徐岳,王亚君,万振江.预应力混凝土连续梁桥设计 行综合考虑,以预张拉产生的应变效应抵消收缩效应 [M].北京:人民交通出版社,2000. 为宜。如果在过大的预张拉力的作用下,有可能引起 (编辑张滨) 支撑条件的改变,使计算模型中支撑条件的假定与实 (上接第60页) for Road Bridges—Section:I—General Features of Design irce for Road Bridges—Section:III—Cement Concrete (Seventh Revision)[S]. (Plain and Reinforced)(Thidr Revision)[S]. [2] IRC:6—2000,Standard Specifications and Code of Practice [5] IRC:22—1986,Standard Specifications and Code of Prac— ofr Road Bridges—Section:II—Loads and Stresses(Fourth lfee for Road Bridges—Section:VI—Composite Construe— Revision)[S]. tion(First Revision)[S]. [3] IRC:18—2000,Design Criteria for Prestressed Concrete [6] IRC:78—2000,Standard Specifications and Code of Prac Road Bridges(Post—Tensioned Concrete)(Third Revi— irce for Road Bridges—Section:VII—Foundation and Sub— sion)[S]. structure(Second Revision)[S]. [4] IRC:21—2000,Standard Specifications and Code of Prac一 (编辑赵立兰) 

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