跨度24m折线配筋先张梁设计研究

1、“全国铁路先张梁技术协作组”跨度24m折线配筋先张梁 设 计 研 究铁道专业设计院xx目 录一折线配筋先张梁的试验研究简介11.1折线筋的摩阻损失、静力破断强度及疲劳强度试验11.2预应力筋的转折方式的研究21.3折线筋合理布置型式的研究21.4导向装置的试验研究31.5张拉台座的研究41.6 张拉及放张工艺的研究41.7 实梁试验5二、青藏线跨度24m折线配筋先张梁设计62.1主要设计依据62.2主要设计原则62.3 主要设计指标72.4主要设计参数72.5材料和设备82.6结构、构造92.7普高梁主要设计指标92.8导向装置锚固区及梁端局部应力空间分析10三、施工注意事项11四、附图12跨

2、度24m折线配筋先张梁设计研究一折线配筋先张梁的试验研究简介为了适应青藏铁路建设的需要，推动铁路先张梁设计、施工技术水平的提高,为了取得折线配筋的设计参数、验证折线筋转向装置的使用性能、验证折线配筋先张梁的设计理论及其制梁工艺,在部科教司的大力支持下，由铁道专业设计院、铁道科学研究院、丰台桥梁厂共同承担了先张法预应力混凝土梁设计及制造工艺研究课题。1.1折线筋的摩阻损失、静力破断强度及疲劳强度试验折线配筋先张梁导向辊实现预应力筋的弯折，钢绞线与导向辊之间存在摩擦，而且钢绞线弯折点处应力状态复杂，降低了预应力筋的静力破断强度，根据铁科院所完成的四种导向辊直径和三种弯折角度的摩阻率及静力破断强度试

3、验，如表1，结果表明，在常用折角范围内（715°），主动端与被动端的拉力比值具有良好的线性关系；当折角一定时，具有较为稳定的摩阻率。在相同导向辊半径下，钢绞线与导向辊之间的摩阻率随折角的增大基本按线性增长。导向辊半径在19.550mm之间，相同折角的摩阻率变化不大；导向辊半径80mm时，摩阻率明显减小。带折角钢绞线的破断强度折减率随导向辊半径的增大而减小，随折角的增大而增大；当导向辊半径80mm时，在试验的折角范围内破断强度折减率已基本不变。导向辊是否开槽对摩阻率和破断强度折减率基本无影响。根据先张梁折线筋的常用折角（715°），从摩阻率以及强度折减率考虑，导向辊半径宜选用

4、R=30mm；但从预应力筋间距和实际应用方便考虑，导向辊半径选用R=19.5mm也是可行。 摩阻损失强度折减 表1导向辊半径（mm）弯折角（°）摩阻损失（%）强度折减（%）19.573.126.8114.0311.7154.7217.630.08.72.307.311.64.438.014.34.358.724m先张试验梁采用的导向辊半径R=19.5mm°之间，平均为9.28°，考虑到施工时钢绞线的位置偏差，综合摩阻率可取5%，导向辊截面处钢绞线的静力破断强度折减率可取12%。铁科院在2001年10月完成了3根空气中带折角预应力钢绞线的疲劳试验。折线预应力钢绞线的

5、疲劳加载在专用的试验架上进行。加载试验中导向辊的半径和预应力钢绞线的分别与试验梁相同（R=19.5mm、=10°），预应力钢绞线直径15.24mm，强度等级1860MPa。疲劳应力幅度=100 MPa，下限应力均为min=0.51fpu 。3根带折角预应力钢绞线均通过了2×106次疲劳加载，未出现钢丝断裂。在钢丝与导向辊的接触面上有明显的椭圆形压痕。对于我国铁路既有全预应力混凝土标准梁（min=0.51fpu, max=0.56fpu，=0.911），按考虑低温对预应力筋疲劳影响的公式计算，低温疲劳极限强度降低4.5%， S-N曲线的斜率增大17.8%。前苏联试验研究表明，

6、在中等疲劳应力水平下，低温对钢丝疲劳强度影响不大。我国高强度钢绞线的常温疲劳应力幅为140MPa，-50低温下疲劳应力幅降低25%，可取100 MPa。对高寒地区折线配筋先张梁预应力钢绞线转折处的疲劳应力幅值还应进一步降低，建议取55MPa。1.2预应力筋的转折方式的研究 国外折线筋弯折主要有两种形式，即转折器导向式和千斤顶下拉式。导向式主要应用于近年来意大利等国的高速铁路桥梁结构，一般为短线法施工。下拉式主要应用于6070年代的长线法施工。其预应力筋的拉力主要通过先张拉钢绞线，使其达到某个给出的力，然后用下拉装置施加竖向力，使钢绞线呈折线型，这种操作危险性较大，工人不可将身体暴露在下拉装置的

7、上方，必须采取有效措施，使操作可以在旁边进行。为达到安全操作的目的，必须对下拉装置采取遥控的方法，该方法要求计算及操作的精度较高；同时由于预应力筋强度的控制，预应力筋的位移受到限制，即转折角度的大小受到限制。为简化施工步骤，保证安全，我们采用导向装置的弯折方式。1.3折线筋合理布置型式的研究从结构受力角度看，预应力筋的弯折应分批进行，且在端部尽可能多的布置斜筋以提供预剪力，降低梁体主拉应力。基于以上观点，我们对布置一批折线筋方案与两批折线筋方案进行分析比较，两批折线筋端部预应力筋布置较均匀，一批折线筋构造简单，施工较方便。跨度24m梁由于构造的限制，第二批钢筋弯折点距梁端较近，考虑应力传递长度

8、的影响，第二批预应力筋提供的预剪力有限，因此采用了一批折线方案。1.4导向装置的试验研究通过分析张拉及放张过程中导向装置各种状态的分析我们认为转折器(1)摩阻应尽可能小；（2）应能适应纵向转动和梁体纵向移动；（3）应操作简便，价格合理。试验表明我们研制的如图1、图2的导向装置可以推广使用。图1图21.5张拉台座的研究国内直线配筋先张梁的张拉台座大多采用固定的反力梁，活动的张拉横梁方式；国外反力梁有固定和活动两种，张拉横梁亦有固定和活动两种。T型梁由于下缘的马蹄形构造，脱模必须靠模板的平移和转动进行，因此脱模需要一定的操作空间。在对以下几种方案:(1) 活动反力梁及活动横梁；(2)固定的反力梁及

9、活动横梁；(3) 反力梁及张拉横梁均为固定型；进行分析的基础上,针对T型梁的特点试验及青藏线制梁时直线筋均采用了采用固定的反力梁方式，折线筋采用了斜向支撑的横梁方式，试验梁张拉台座见图3,青藏线张拉台座见图4。 图3图41.6 张拉及放张工艺的研究放张工艺分以下几种方案进行研究，见表2。放张方案 表2方案施工步骤方案11先切断导向拉杆2放松折线筋及直线筋方案21同时放松斜筋与直筋2切断拉杆方案31先放折线筋2切断导向拉杆3放松直线筋分别用SAP程序及PRBP程序模拟放张工况分析表明，其中方案1在切断导向拉杆后，梁体在预应力筋转折点截面的上缘产生拉应力较大，方案2在放松折线筋及直线筋后，由于梁体

10、的变形将会增大导向拉板外露部分的应力，而使导向拉板在放张中破坏；而方案3在放松折线筋后梁体处于受压状态，此时切断导向拉板，梁体应力在允许范围内。由于折线筋的放松将对梁体产生预压应力，从而使梁体产生压缩量，该压缩量将使未放松的直线筋产生应力增量，为保证施工中的安全性必须对此应力增量进行检算。跨度24m试验梁理论计算结果是，放松折线筋后梁体下缘将产生0.99mm的压缩量，如直线筋的体外工作段长度大于2m，直线筋的应力增量将小于97.5MPa，而试验梁的放张应力为1200MPa，此直线筋工作段的应力将小于0.8Ryj=1488 MPa，因此方案3是可行的。1.7 实梁试验2001年在丰台桥梁厂进行了

11、一片跨度24m折线配筋先张梁的试验，主要测试成果如下：(1)在直线筋外露长度不小于2m时，先放松折线筋，然后切断转折器，最后放松直线筋的放松方案可行。(2)放张后实测跨上拱度为14.0mm，理论计算值为14.8mm；放张时跨中上下缘混凝土应力分别为0.83MPa及14.8MPa,设计计算值为-0.29MPa和15.6MPa,梁顶未发现裂纹；放张时实测梁体下缘压缩量为9.1mm，计算值为8.1mm；放张时预应力钢绞线传力长度为520mm，各截面应力状态与设计相符。(3)静载试验时测得梁底排和转折处预应力钢绞线最大应力幅为35.7MPa和28.6MPa，能满足青藏线的要求。梁静活载跨比为1/272

12、4， 小于设计值1/2345。通过实梁试验表明跨度24m折线配筋先张梁的设计理论和计算方法正确;使用半径R=19.5mm圆形导向辊的导向装置能够满足折线配筋先张T梁的需要,可以推广使用;折线配筋先的疲劳性能能够满足-50低温下的要求,可在青藏线使用。二、青藏线跨度24m折线配筋先张梁设计2.1主要设计依据 2.1.1青藏铁路高原多年冻土区工程设计暂行规定。2.1.2 “关于对青藏铁路多年冻土地区少维护、高耐久性铁路简支梁设计研究等六个设计研究报告意见的复函”（部鉴定中心鉴线200143号）。2.1.3关于新建青藏铁路冻土常用跨度梁设计意见书的批复（部鉴定中心鉴线200170号）。2.1.4铁路

13、桥涵设计基本规范TB10002.1-99。 2.1.5铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范TB10002.3-99。 2.1.6铁路桥涵施工规范TBJ203-96。 2.1.7铁路工程抗震设计规范GBJ111-87。 2.1.8铁路线路设计规范GB50090-99。2.1.9铁路架桥机架桥规程TB10213-99。参考：前苏联公路、铁路、城市道路桥涵设计规范CH-84。2.2主要设计原则2.2.1 线路标准：桥梁按级线路、最小半径600m设计。 2.2.2 线路设备轨枕为型枕，钢轨为50kg/m正轨，钢轨处枕下道碴厚度最小为250mm，轨底至梁顶的高度取600mm。 2.2.3道碴槽顶

14、面外缘宽度为4.2m，腹板中心距2.0m。 2.2.4 恒载： 梁体容重：25kN/m3。 二期恒载：考虑人行道及其栏杆、线路设备、道碴、电缆槽。 2.2.5 活载：中活载，动力系数按TB10002.1-99公式(4.3.5-3)计算，其中取2。人行道活载按TB10002.1-99条计算。计算主梁时人行道活载不与列车活载同时组合。 2.2.6 离心力：按TB10002.1-99条计算。 2.2.7 摇摆力：按TB10002.1-994.3.8条计算。 2.2.8 人行道宽主要为0.5m和0.75m两种，个别桥梁采用1.05m,其结构仍采用现行标准图型式。避车台按桥规要求设置。 2.2.9 曲线

15、梁平面布置按平分中矢布置。2.3 主要设计指标主要设计指标见表3。 主要设计指标 表3序号项 目检 算 条 件控制条件桥规规定及备注1设 计安全系数强度安全系数主力K2.0考虑冻融作用安装荷载K1.8抗裂安全系数主力Kf1.2考虑冻融作用安装荷载Kf1.12预应力钢绞线应 力预加应力时锚下钢绞线控制应力con0.75fpk传力锚固时钢绞线控制应力p0.65fpk运营荷载作用下钢绞线应力p0.55fpkp0.60fpk钢绞线应力幅值100MPa140MPa3混凝土应力传力锚固时混凝土压应力c0.65fcc0.75fc传力锚固时混凝土拉应力ct0.60fctct0.65fct恒载作用下混凝土压应力

16、c0.40fc桥规无规定运营荷载作用下混凝土压应力c0.50fc考虑冻融作用运营荷载作用下梁体受拉区ct0考虑冻融作用运营荷载作用下梁体最大剪应力c1.06考虑冻融作用抗裂荷载下混凝土主拉应力tpfct考虑冻融作用抗裂荷载下混凝土主压应力cp0.60fc考虑冻融作用运送及安装阶段混凝土最大拉应力ct0.80fct运送及安装阶段混凝土最大压应力c0.80fc刚度静活载（不计动力作用）所产生的竖向挠度不大于计算跨度的1/800考虑冻融作用注：fpk为预应力钢绞线抗拉强度标准值；fc、fct分别为预加应力时混凝土的抗压、 抗拉极限强度；fc、fct分别为混凝土的抗压、抗拉极限强度。空白处与桥规相同。

17、2.4主要设计参数 2.4.1预应力损失按如下参数计算: (1)按整批张拉工艺考虑,未计入锚头变形、钢束回缩等损失。(2)先张梁折点摩阻损失按如下公式计算：L1 =·sin·p式中：为折点摩阻系数，普通高度梁取0.25，低高度梁取0.30；为折线筋转折角；p为张拉应力。 (3)当传力锚固时钢绞线应力p0.5 fpk时，钢绞线松弛引起的预应力损失按L5 =0.025p计算。 (4)钢绞线和张拉台座之间的温差引起的预应力损失为L3=2t,设计中t取20。 (5)考虑青藏铁路年平均相对湿度低于40%，本设计采用的收缩应变终极值 、徐变系数终极值增大30%。(6)其它预应力损失按T

18、B10002.3-99有关条文计算。 (7)施工时应按实测结果调整第(2)、 (4)项损失。根据放松工艺计入第(1)项损失。 2.4.2 预应力筋传力长度由桥规的80d增大至105d。 2.4.3 钢绞线折点处强度折减15%。 2.4.4 放张时混凝土强度等级不得低于设计强度等级的85%，弹性模量达相应值,且混凝土龄期不少于3天。2.5材料和设备混凝土(1)梁体混凝土强度等级普通高度直曲梁均采用C50，低高度直线梁采用C50，低高度曲线梁采用C55， 在300次冻融循环作用下混凝土静强度等级不得小于设计值的80%。(2)封端锚穴混凝土采用强度等级不低于C40的微膨胀混凝土。(3)两片梁横隔板现

19、浇混凝土强度等级不小于C50。 预应力钢筋 纵向预应力钢筋采用公称直径15.2mm、抗拉强度标准值为1860MPa的级松弛标准型钢绞线，弹性模量1.95x105MPa,其技术条件符合GB/T5224-1995的要求。横向预应力筋采用高强度精轧螺纹粗钢筋或钢绞线。高强度精轧螺纹粗钢筋公称直径32mm、强度级别为735/935（即JL930）、弹性模量为2.0x105MPa,其技术条件应符合TB10002.3-99中的有关规定及相关低温冲击韧性的规定，相应锚具采用YGM高强精轧螺纹粗钢筋锚具，张拉设备可采用配套设备YG-70型穿心式单作用千斤顶。横向预应力钢绞线技术要求同纵向预应力钢绞线。 普通钢

20、筋 采用235钢筋及HRB335钢筋。235钢筋其技术要求应符合GB13013-91及GB700-88的要求；HRB335钢筋其技术要求应符合GB1499-98的要求，其化学成分C+Mn/6不大于0.5%。 防水层防水层采用满足-50要求的耐低温TQF-I型防水层，保护层采用C40纤维混凝土保护层。 钢板钢板采用235。 泄水管泄水管采用内径为100mm的铸铁管。2.6结构、构造(1)两片梁腹板中心距为2.0m，横向在横隔板处施加预应力进行联接。(2)梁顶道碴槽顶面外缘宽度4.2m，每片梁梁顶宽度2.07m,两片梁梁间缝宽60mm。(3)梁体内外两侧悬臂板下缘均设置滴水槽，梁体顶面设横向排水坡

21、，梁顶面两端设三角形纵向排水坡，桥面雨水通过设置于挡碴墙内侧的排水管竖直向下排走。(4)桥面铺设耐低温防水层、保护层。(5)挡碴墙内预埋U形螺栓,梁端下翼缘预埋支座垫板。横隔板处内侧预埋隔板联接板和外露钢筋，外侧预埋横向预应力锚垫板。(6)曲线梁外侧挡碴墙上加设L形挡碴块，L形挡碴块用砂浆与挡碴墙砌筑在一起。(7)两片梁间纵向梁缝布置铁盖板或混凝土盖板，两孔梁间(或梁与桥台间)布置铁盖板。(8)梁体外侧两边均设人行道，避车台按TB10002.1-99设置。2.7普高梁主要设计指标各截面预应力损失直线梁各截面预应力损失见表4，曲线梁各截面预应力损失见表5。直线梁各截面预应力损失 表4截面距跨中距

22、离(mm)l1(MPa)l3(MPa)l4(MPa)l5(MPa)l6(MPa)017.2540.0096.5230.00164.48300017.2540.0096.7130.00164.44445017.2540.0096.0230.00164.6045500.0040.0095.5030.00164.7160000.0040.0087.7430.00166.7080000.0040.0075.6930.00169.8898000.0040.0067.9530.00172.00120000.0040.005.3930.00191.23l1-折点摩阻损失；l3温差损失；l4压缩损失；l5松弛

23、损失；l6收缩徐变损失曲线梁各截面预应力损失 表5截面距跨中距离(mm)l1(MPa)l3(MPa)l4(MPa)l5(MPa)l6(MPa)015.7540.00104.7130.00172.41300015.7540.00104.1430.00172.56445015.7540.0099.9130.00173.6645500.0040.0099.4130.00173.7760000.0040.0091.7230.00175.8480000.0040.0079.5930.00179.2198000.0040.0071.8330.00181.43120000.0040.008.8230.002

24、01.73l1-折点摩阻损失；l3温差损失；l4压缩损失；l5松弛损失；l6收缩徐变损失运营阶段应力和变形(1)运营荷载作用下，直线梁跨中截面底层钢束最大应力为981.24MPa，应力幅为38.73MPa；曲线梁跨中截面底层钢束最大应力为966.23MPa，应力幅为38.52MPa。(2)运营荷载作用下，梁体混凝土应力见表6、表7。直线梁混凝土应力 表6截面距跨中距离(mm)上缘应力(Mpa)下缘应力(MPa)抗剪荷载下主拉应力(MPa)运营荷载下主拉应力(MPa)09.661.16-0.26-0.1230009.151.78-0.93-0.4844508.322.79-1.21-0.7445

25、508.233.08-0.57-0.2660007.593.82-0.86-0.4880005.815.39-1.20-0.7998003.767.86-1.73-1.18120000.121.75-1.21-0.96曲线梁混凝土应力 表7截面距跨中距离(mm)上缘应力(MPa)下缘应力(Mpa)抗剪荷载下主拉应力(MPa)运营荷载下主拉应力(MPa)010.580.71-0.35-0.16300010.041.35-1.13-0.5944509.162.41-1.44-0.8545509.062.71-0.79-0.3660008.313.58-1.10-0.6380006.275.41-1

26、.45-0.9798003.958.19-2.05-1.42120000.101.81-1.13-0.88(3)直线梁传力锚固时上拱度为13.45mm，静活载挠度为8.47mm；直线梁传力锚固时上拱度为14.74mm，静活载挠度为9.28mm。2.8导向装置锚固区及梁端局部应力空间分析放松折线后切断转折折器时，对梁体产生较大的集中力。所有预应力都通过梁端传至全梁，存在应力集中现象，因此我们用SAP93建立了全梁有限元模型进行空间分析。有限元空间分析表明，放张及解除转向装置约束时，梁体应力较均匀。三、施工注意事项 3.1混凝土要满足300次冻融循环的要求，静强度等级不小于设计值的80%。混凝土中可掺入I级粉煤灰或硅粉，以提高混凝土抗冻融性能，其掺量不超过水泥用量的5%，总胶凝材料每立方混凝土中不宜超过500kg。3.2要注意青藏线日温差大给制梁带来的不利影响,采取措施，避免温度应力引起的梁体裂纹。3.3粗骨料母岩的抗压强度与混凝土强度之比不宜小于2。对所用骨料应进行成分分析及碱活性试验，碱活性及其含量应符合混凝土碱含量限制标准CECS53:93的要求，总碱含量控制在3kg/m3以内。3.4应对折点摩阻、钢绞线与端模板摩阻等实际测定，根据实测结果对张拉控制应力作适当调整。3.5上下翼缘、隔板与腹板相交处宜做成半径为3050mm的圆弧，应严格按设计要求设置反拱，并应预留