專利名稱：設(shè)計和制造預(yù)應(yīng)力桁架的多步拉伸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及橋梁或建筑工程所用桁架的設(shè)計方法；更具體地說，涉及設(shè)計和制造預(yù)應(yīng)力桁架的多步拉伸方法，這種方法可提高橋梁承載負(fù)荷的能力并在需要時可在建設(shè)中逐步調(diào)整拉伸過程。
圖2表明傳統(tǒng)設(shè)計中負(fù)荷與應(yīng)力之間的關(guān)系。桁架制成后，通過前拉伸或后拉伸P1產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力分布如線1所示。但這種情況只是理論上的。實(shí)際上，桁架自重的彎曲力矩Md1在預(yù)加應(yīng)力前已經(jīng)存在，預(yù)應(yīng)力和自重共同作用下的彎曲應(yīng)力分布如線2所示。在這種情況下，桁架上緣的拉應(yīng)力不會超過σti，桁架下緣的壓應(yīng)力不會超過σci。
在線2所示應(yīng)力分布狀態(tài)因時間流失而產(chǎn)生應(yīng)力損失時，預(yù)應(yīng)力將減小，應(yīng)力分布將變得如線3所示。也就是說，桁架上緣的拉應(yīng)力將減少Δσ1，桁架下緣的壓應(yīng)力將減少Δσ2。
當(dāng)有另外的靜負(fù)荷力矩Md2和動負(fù)荷力矩M1時，應(yīng)力分布如圖5中線4所示。桁架下緣中的應(yīng)力將不超過σti，上緣中的應(yīng)力不會超過σcs。
若上緣和下緣要求的截面系數(shù)為Z1和Z2，具有上述應(yīng)力分布的桁架應(yīng)滿足下述方程1和方程2(方程1)Z1≥[(1-R)Md1+Md2+M1]/(σcs-Rσti)(方程2)Z2≥[(1-R)Md1+Md2+M1]/(Rσci-σts)在圖2及方程1和方程2中，按傳統(tǒng)的一次性施加預(yù)應(yīng)力的方法，計算構(gòu)件截面系數(shù)中考慮到桁架自重及外加的靜負(fù)荷和動負(fù)荷。但隨著跨度的增大，負(fù)荷彎曲力矩將與跨度距離的平方成正比加大。與此相應(yīng)，桁架的截面將隨著桁架跨度的增加而增加。這樣，桁架自重產(chǎn)生的彎曲力矩也將增加，桁架本身就要做得更大。因此，雖然可對構(gòu)件截面形狀進(jìn)行變化以改善其承載應(yīng)力的能力，但上述一些問題并沒有能夠得到解決，這一缺陷嚴(yán)重困擾著采用I型桁架的大跨度橋梁設(shè)計。
所有有關(guān)橋梁的問題都可通過所用桁架的應(yīng)力調(diào)節(jié)來加以解決，本發(fā)明對此提供了一種簡單有效且不昂貴的解決方法。
通過采用多步拉伸法，本發(fā)明可采用較小截面設(shè)計出比傳統(tǒng)方法跨度大得多的橋梁。
為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明桁架中的可調(diào)節(jié)鋼筋至少有一條沿長度方向配置在下翼緣。這樣，通過增加鋼筋的張力可提高桁架的負(fù)荷承載能力。
本發(fā)明一方面提供了一種預(yù)應(yīng)力桁架的多步設(shè)計方法，在所述方法中，預(yù)應(yīng)力根據(jù)建造每一階段中的負(fù)荷和應(yīng)力之間的相互關(guān)系而適當(dāng)引入預(yù)應(yīng)力，從而可減少桁架截面的高度。
本發(fā)明另一方面提供了一種預(yù)應(yīng)力桁架的多步制造方法，在所述方法中，預(yù)應(yīng)力根據(jù)建造每階段中的負(fù)荷和應(yīng)力之間的相互關(guān)系而適當(dāng)引入預(yù)應(yīng)力，從而可減少桁架截面的高度。
在本發(fā)明中，根據(jù)桁架是否與混凝土底板合成而將建構(gòu)步驟分為非合成截面和合成截面等兩類。
同時，在本發(fā)明中，初始應(yīng)力在桁架模型固化時引入，二次應(yīng)力在混凝土底板安裝后引入。
本發(fā)明可應(yīng)用于各種桁架中，不管桁架截面是I型、T型或其它形狀。一般將具有單位寬度矩形截面的平板作為桁架來進(jìn)行討論，因此以下有關(guān)本發(fā)明最佳實(shí)施例的說明將針對I型桁架進(jìn)行。
圖2曲線表明現(xiàn)有設(shè)計方法中負(fù)載與應(yīng)力之間的相互關(guān)系。
圖3表明按本發(fā)明鋼筋在桁架間的配置。
圖4曲線表明本發(fā)明方法中負(fù)載與應(yīng)力之間的相互關(guān)系。
圖5曲線表明本發(fā)明方法中平板合成后負(fù)載與應(yīng)力之間的相互關(guān)系。
如圖3所示，本發(fā)明中桁架21包括上翼緣24、下翼緣25和架體26。至少有兩條鋼筋22和23縱長地穿過桁架21的下翼緣25和架體26的低端。
同時，鋼筋22和23中的鋼筋23最好在縱長方向配置下翼緣25中并與截面中心相對稱。從桁架21的縱截面看，上翼緣24水平安裝在架體26的上部，橋梁的上橋面安裝在上翼緣24上；下翼緣25水平安裝在架體26的底面而其底面由橋墩所支撐。
如圖3所示，鋼筋22和23主要配置在桁架21的下部并使其作用力平均分布在桁架21的兩端截面，即鋼筋的作用力在桁架21的兩端在四個方向上對稱，從而使鋼筋22和23所產(chǎn)生的應(yīng)力可均勻分布在桁架21的整個截面。
當(dāng)在桁架21外配置另外的鋼筋時，應(yīng)在桁架兩端安裝適當(dāng)?shù)腻^定裝置，使這些鋼筋能夠被錨定在桁架的端部。由于安裝在桁架端部緯度方向的桁梁在設(shè)計上沒有承載拉伸裝置所產(chǎn)生應(yīng)力的功能，需要安裝一個額外的錨定裝置27或?qū)﹁旒芏瞬康木暥确较蜩炝哼M(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)以承載所產(chǎn)生的應(yīng)力。
在按本發(fā)明的桁架21中，當(dāng)因負(fù)載長期作用產(chǎn)生破裂或過度垂弛時，配置在桁架21之內(nèi)或之外的鋼筋22將被進(jìn)一步拉緊，以增加桁架21的強(qiáng)度。在此，對鋼筋22的進(jìn)一步拉緊是通過液壓傳動裝置來進(jìn)行的。
本發(fā)明設(shè)計方法將按引入多步拉伸裝置的原則進(jìn)行說明。
在采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行的PSC I-型桁架大跨度橋梁設(shè)計中，不論截面承載應(yīng)力的效果如何總會存在對截面系數(shù)的限制。為克服這種傳統(tǒng)PSC I-型桁架設(shè)計方法中的缺陷，提出了按建構(gòu)步驟引入預(yù)應(yīng)力的方法。并按混凝土底板是否與桁架合成而將建構(gòu)步驟區(qū)分為非合成截面和合成截面階段。非合成階段與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，當(dāng)按每一建構(gòu)階段的應(yīng)力狀態(tài)通過后加應(yīng)力法施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力時，在保持相同截面高度的情況下可增加設(shè)計跨度；或者，在同樣跨度下可減少截面高度。
圖4表明按本發(fā)明設(shè)計方法非合成截面的負(fù)荷與應(yīng)力之間的相互關(guān)系。如圖所示，線1表示通過初始拉伸引入預(yù)應(yīng)力時的應(yīng)力分布。在這一階段，由于存在構(gòu)件自重產(chǎn)生的彎曲力矩，應(yīng)將預(yù)應(yīng)力與這一彎曲力矩產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行綜合。同時，在這一階段，桁架上緣的應(yīng)力σg1t和下緣的應(yīng)力σg1b可按應(yīng)用容許應(yīng)力設(shè)計概念的傳統(tǒng)方法進(jìn)行計算，即按方程3計算得出(方程3)σg1t＝P1/Ag-(P1*E1)/Zgt+Mdl/Zgtσg1b＝P1/Ag+(P1*E1)/Zgb-Mdl/Zgb這里，P1為初始拉力，Ag為桁架縱截面面積，E1為初始拉力的偏心距離-即離開初始拉力幾何中心的距離，Mdl為自重的彎曲力矩，Zgt和Zgb為桁架上緣和下緣的截面系數(shù)。
按方程3計算的應(yīng)力值應(yīng)在混凝土引入應(yīng)力后較短時間內(nèi)所容許的拉應(yīng)力σti和壓應(yīng)力σci之間。當(dāng)適當(dāng)降低截面高度以調(diào)節(jié)偏心距時，可避免桁架上緣產(chǎn)生拉應(yīng)力。也就是說，桁架可被設(shè)計成整個截面均承載壓應(yīng)力。
線2表示在混凝土底板安裝后短時間內(nèi)截面上的應(yīng)力分布。由于偏心距即是離開質(zhì)量中心的距離，它會隨著截面高度的降低而縮短，因此底板負(fù)載在上緣和下緣產(chǎn)生的應(yīng)力會與圖2所示發(fā)生很大的變化。
在安裝后不久，混凝土底板還不具有結(jié)構(gòu)功能，而只是作為負(fù)載產(chǎn)生作用。因此，這一階段的應(yīng)力值要在按方程3計算出來的σg2上加以混凝土底板靜態(tài)力矩Md2所產(chǎn)生的彎曲力矩。這樣，截面在混凝土底板安裝上后的應(yīng)力可按下述方程進(jìn)行計算(方程4)σg2t＝σg1t+Md2/Zgtσg2b＝σg1b-Md2/Zgb如線2所示，在改進(jìn)了的設(shè)計方法中，底板的安裝只是使桁架下緣的應(yīng)力接近混凝土容許的拉應(yīng)力和使上緣的應(yīng)力接近混凝土容許的壓應(yīng)力。在這一階段，桁架還不能承載更多的負(fù)荷，因此要進(jìn)行另外的拉伸以減少桁架下緣的拉應(yīng)力和上緣的壓應(yīng)力。這里，與二次拉伸預(yù)應(yīng)力綜合的截面應(yīng)力σg3可按下述方程式5計算(方程5)σg3t＝σg2t+P2/Ag-(P2*E2)/Zgtσg3b＝σg2b+P2/Ag+(P2*E2)/Zgb這里，P2為二次拉力，E2為二次拉伸偏心距。
線3表示按方程5計算的截面應(yīng)力分布。由于二次拉伸后的預(yù)應(yīng)力可保證桁架上緣與下緣的應(yīng)力處于容許范圍內(nèi)，從而可承受橋面靜負(fù)載和動負(fù)載產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。合成階段圖5表示按本發(fā)明設(shè)計方法合成截面負(fù)荷與應(yīng)力之間的相互關(guān)系。一般而言，四星期內(nèi)的長期應(yīng)力損失約為50％。也就是說，在混凝土底板固化后，將產(chǎn)生大約一半的長期應(yīng)力損失。
若設(shè)定應(yīng)力相對于應(yīng)力總損失的應(yīng)力有效率為R，兩次引入的應(yīng)力剩余量則為(1+R)(P1+P2)/2。這里假定初始拉伸和二次拉伸的應(yīng)力損失之間不存在時間差。這樣，桁架的應(yīng)力分布如圖5中線4所示。如圖5所示，桁架縱剖面在混凝土底板固化后為合成截面。截面系數(shù)和矩心軸等幾何參數(shù)同樣被用作合成截面的設(shè)計變量。
如線4所示的桁架上緣和下緣的應(yīng)力可按下述方程6計算得出(方程6)σg4t＝σg3t+(1-R/2)(P1+P2)(1/Ag-Egp/Zgt)σg4b＝σg3b-(1-R/2)(P1+P2)(1/Ag+Egp/Zgt)這里，EGP為相對于所有拉伸力分布的偏心距。
同樣，混凝土底板的應(yīng)力因引力降低也產(chǎn)生一些變化?；炷恋装迳暇壍膽?yīng)力σ4可按下述方程7計算得出(方程7)σg4＝(R-1)(P1+P2)(1/Ag-Ecp/Zst)
這里，ECP為拉伸相對于合成截面的偏心距，Zst為合成截面底板上緣的截面系數(shù)。
在線4所示步驟，當(dāng)將道路、邊石和護(hù)攔等橋面靜負(fù)載的彎曲力矩Md3產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力綜合后，合成截面的應(yīng)力分布如線5所示。桁架上緣和下緣的應(yīng)力可按方程8計算得出(方程8)σg5t＝σg4t+Md3/Zctσg5b＝σg4b+Md3/Zst這里，ZCT為合成截面上緣的截面系數(shù)，Zst為合成截面下緣的截面系數(shù)。
底板上緣的應(yīng)力按方程9得出(方程9)σg5＝σg4+Md3/Zst橋梁建成后，當(dāng)假設(shè)因時間產(chǎn)生的應(yīng)力損失剛剛在動負(fù)載施加前已經(jīng)完成時，桁架下緣的壓應(yīng)力因最終的應(yīng)力損失而稍有降低，而桁架上緣的應(yīng)力稍有增加。在這一階段，應(yīng)力分布如圖5中線6所示，桁架上緣和下緣的應(yīng)力可按下述方程10得出(方程10)σg6t＝σg5t+[(1-R)/2](P1+P2)(1/Ac-Ecp/Zcp)σg6b＝σg5b-[(1-R)/2](P1+P2)(1/Ac+Ecp/Zcb)底板上緣的應(yīng)力表示在下述方程11中(方程11)σg6＝σg5+[(1-R)/2](P1+P2)(1/Ac-Ep/Zst)在線7所示包括外界影響在內(nèi)的所有動負(fù)載都存在的階段，足夠的預(yù)應(yīng)力已被引入。這樣，即使存在一些過載，構(gòu)件也不會因拉力而破壞。也就是說，根據(jù)桁架中拉應(yīng)力是否產(chǎn)生或是否存在在其壓應(yīng)力側(cè)，桁架中有承載過載拉應(yīng)力的桁梁也有拉應(yīng)力不足的桁梁。上述情況可以說是拉伸較少的桁梁。桁架上緣和下緣的應(yīng)力可按下述方程12計算(方程12)σg7t＝σg6t+M(1+1)/Zctσg7b＝σg6b+M(1+1)/Zst這里，M(1+1)為包括外界影響在內(nèi)的設(shè)計動負(fù)荷力矩。
混凝土底板上緣的應(yīng)力如下述方程13所示(方程13)σg7＝σg6t±M(1+1)/Zst結(jié)果，只要在橋梁使用中沒有承受過載，則構(gòu)件中央部分的截面應(yīng)力就會在線6和線7之間。
以下將對上述改進(jìn)了的設(shè)計方法進(jìn)行總結(jié)。首先對具有較小截面高度的桁架進(jìn)行初始拉伸。由于初始拉伸產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力只需支撐底板和桁架自重的彎曲力矩，構(gòu)件截面的面積和高度與傳統(tǒng)設(shè)計相比可以減少，使得靜負(fù)載可大大降低。在安裝底板后進(jìn)行二次拉伸，這時引入的預(yù)應(yīng)力可使桁架承載橋面的靜負(fù)荷和動負(fù)荷力矩。本發(fā)明改進(jìn)了的設(shè)計方法的基本原理在于根據(jù)建筑中每個階段的負(fù)荷-應(yīng)力關(guān)系適當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力，而不是一次性施加全部的預(yù)應(yīng)力，從而可降低截面的高度。
一般而言，隨著橋梁所用桁架跨度的加長，在整個設(shè)計負(fù)載中，靜負(fù)荷產(chǎn)生的彎曲力矩將大于動負(fù)荷產(chǎn)生的彎曲力矩。在預(yù)應(yīng)力一次性施加的傳統(tǒng)設(shè)計方法中，靜負(fù)荷力矩與動負(fù)荷力矩的比例在跨度等于或小于30米時為2-2.5。但在跨度為50米時，這一比例增加到3.5-4.0。這是因?yàn)?，可承受更大彎曲力矩的偏心距隨著跨度的增加而急劇加大，從而使截面尺寸增加。在改進(jìn)的設(shè)計方法中，通過減少構(gòu)件尺寸和構(gòu)件高度而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計方法中的缺欠。
本發(fā)明可用作橋梁桁架的設(shè)計和制造方法。特別是，本發(fā)明可用于設(shè)計和制造多步拉伸的預(yù)應(yīng)力桁架，使靜負(fù)荷彎曲力矩在整個設(shè)計負(fù)載中超過動負(fù)荷彎曲力矩和二者比例隨著桁架跨度加長而增大的問題得到緩解。
權(quán)利要求
1.一種用于預(yù)應(yīng)力桁架的多步拉伸設(shè)計方法，所述設(shè)計方法根據(jù)建設(shè)中各階段負(fù)荷與應(yīng)力的相互關(guān)系而施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，從而可降低桁架截面的高度。
2.如權(quán)利要求1所述設(shè)計方法，其中所述建設(shè)階段根據(jù)桁架是否與混凝土底板合成而分為非合成截面階段和合成截面階段。
3.如權(quán)利要求2所述設(shè)計方法，在桁架模型固化的初始階段進(jìn)行初始拉伸，在混凝土底板安裝后進(jìn)行二次拉伸。
4.一種用于預(yù)應(yīng)力桁架的多步拉伸制造方法，所述制造方法根據(jù)建設(shè)中各階段負(fù)荷與應(yīng)力的相互關(guān)系而施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，從而可降低桁架截面的高度。
5.如權(quán)利要求4所述制造方法，其中所述建設(shè)階段根據(jù)桁架是否與混凝土底板合成而分為非合成截面階段和合成截面階段。
6.如權(quán)利要求5所述制造方法，在桁架模型固化的初始階段進(jìn)行初始拉伸，在混凝土底板安裝后進(jìn)行二次拉伸。
全文摘要
在一種用于預(yù)應(yīng)力桁架的多步拉伸設(shè)計方法中，根據(jù)建設(shè)中各階段負(fù)荷與應(yīng)力的相互關(guān)系而分步施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，從而降低桁架截面的高度。
文檔編號E01D101/24GK1408042SQ00816794
公開日2003年4月2日 申請日期2000年10月7日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月8日
發(fā)明者韓萬燁 申請人:英特康斯泰克株式會社