CN103485287B - 混凝土框架箱涵施工中的预应力应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土框架箱涵施工中的预应力应用方法，即在混凝土框架箱涵的顶板、边墙、中墙和底板中设置直线、折线或抛物线形式的预应力筋。这样做的目的是要解决目前框架箱涵在施工和使用过程中存在的顶、底板挠度过大，顶板、底板、边墙和中墙的开裂及裂缝超限等问题。实施该预应力应用方法，可改善顶、底板的受力性能，有效降低顶、底板主筋的应力循环幅度，增加疲劳寿命，减少边、中墙的开裂和裂缝宽度，使预应力混凝土框架箱涵的整体性能得到提高，整体刚度增大，抗震性能增强。

Description

混凝土框架箱涵施工中的预应力应用方法

技术领域

本发明属于土建技术，具体地说是混凝土框架箱涵施工中的预应力应用方法。

背景技术

涵洞作为重要的线下构筑物，在铁路和公路工程建设中广泛应用。涵洞有盖板箱涵、圆涵、框架箱涵等几种常用类型。其中框架箱涵具有整体性好、圬工量小、对地基承载力要求低、过水能力强、可就地灌注等优点，设计中采用的比例较大，有些项目全线均采用混凝土框架箱涵。混凝土框架箱涵在使用过程中存在的主要问题是顶、底板挠度过大，顶底板、边中墙的开裂及裂缝超限。当混凝土框架箱涵裂缝宽度超限时，将会使受力钢筋暴露在外，受到腐蚀，其承载力必然下降，箱涵的使用寿命也随之降低；当框架箱涵的顶、底板挠度过大时，将影响行车的平稳性和安全性。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种混凝土框架箱涵施工中的预应力应用方法，该方法可以有效解决上述混凝土框架箱涵在施工中变形过大和裂缝超限的问题，同时还可以减小顶、底板的厚度，降低自重，更有利于施工。

本发明技术方案是：混凝土框架箱涵施工中的预应力应用方法，其特征在于：所述混凝土框架箱涵施工中的预应力应用方法，包括：所述框架式预应力涵洞顶板、涵洞底板的配筋计算；给出预应力混凝土框架箱涵的预应力筋的数量和布置形式；施工工艺方法；具体步骤如下：

步骤一：框架式预应力涵洞顶板、涵洞底板的配筋计算，具体地：

涵洞顶板和涵洞底板沿箱涵跨度方向、垂直沿箱涵跨度方向或任意方向布置有预应力筋，取单位宽度箱涵作为计算单元来计算预应力筋数量；

预应力涵洞的受力分析模块是采用厚板有限元进行分析，在有限元分析中计算出每个板单元的力场；

在最不利荷载工况下，按照控制截面处所有板单元的力场进行控制截面配筋，绘出最不利荷载工况下的配筋弯矩图；

同理，绘出在不同工况下的配筋弯矩图，得到涵洞顶板和涵洞底板配筋弯矩包络图；

根据配筋包络图，对涵洞顶板和涵洞底板的各个截面进行配筋设计；

步骤二：给出预应力混凝土框架箱涵的预应力筋的数量和布置形式，沿涵洞顶板沿箱涵跨度方向、垂直箱涵跨度方向或任意方向，按照计算后的预应力钢筋数量布置涵洞顶板预应力钢筋；

沿涵洞边墙、涵洞中墙竖向按照计算后的预应力钢筋数量布置预应力钢筋，其两端锚固在涵洞顶板、涵洞底板中，涵洞边墙在箱涵横向也布置预应力筋；

沿涵洞底板沿箱涵跨度方向、垂直箱涵跨度方向或任意方向，按照计算后的预应力钢筋数量布置涵洞底板预应力钢筋；

涵洞顶板、涵洞底板、涵洞边墙和涵洞中墙中的预应力筋采用直线、折线或抛物线的形式布置；

步骤三：施工工艺方法，具体地：

根据设计图纸对预应力混凝土框架箱涵进行施工，预应力混凝土框架箱涵中预应力的施加方式后张法施工，施工工序为：先浇筑混凝土框架箱涵，待框架箱涵混凝土达到预期强度后，将预应力筋穿入预应力孔道中，利用混凝土框架箱涵本身作为受力台座进行张拉，在张拉预应力筋的同时，使混凝土框架箱涵受到预压；

张拉完成后，在锚固端用锚具将预应力筋锚住；

最后进行预应力孔道内灌浆，使预应力筋和混凝土形成一个整体，成为有粘结后张预应力混凝土框架箱涵。

本发明的优点效果是：该方法当混凝土框架箱涵的底部地基不良或者有地铁、隧道、管道等通过时，可对底板施加预应力，以改善底板的受力性能；框架箱涵顶板主要承受的是列车的动荷载，施加预应力可以有效降低顶板主筋的应力循环幅度，增加疲劳寿命；为了减少边墙的开裂，也可以对边墙施加预应力。通过对顶板、边墙、中墙和底板施加预应力，使预应力混凝土框架箱涵的整体性能得到了提高，整体刚度增大，抗震性也相应地增加。

附图说明

图1是混凝土框架箱涵正交配筋的配筋方式；

图2是混凝土框架箱涵斜交配筋的配筋方式；

图3a是钢筋混凝土附有一般弯矩场和屈服线的板单元；

图3b是钢筋混凝土设计力场下屈服线处板的微小单元(弯矩为单位宽度)；

图3c是钢筋混凝土极限抵抗弯矩时屈服线处板的微小单元(弯矩为单位宽度)；

图4是斜交配筋的板单元，其中α为x轴与配筋方向的夹角；

图5是框架箱涵计算立体网格图，用于计算框架箱涵各部分的弯矩；

图6是顶板和底板的配筋包络图，方便框架箱涵顶板和底板的配筋数量；

图7a是边墙、中墙计算小偏心受压构件的截面应力状态图，用于计算边墙和中墙的配筋数量；

图7b是边墙、中墙计算大偏心受压构件的截面应力状态图用于计算边墙和中墙的配筋数量；

图8是混凝土框架箱涵施工中的预应力应用方法示意图。

附图标示：1为顶板预应力筋，2为边墙预应力筋，3为中墙预应力筋，4为底板预应力筋。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明：

混凝土框架箱涵施工中的预应力应用方法，具体地：

步骤一：框架式预应力涵洞顶板、涵洞底板的配筋计算

涵洞顶板和涵洞底板沿箱涵跨度方向、垂直沿箱涵跨度方向或任意方向布置有预应力筋，取单位宽度箱涵作为计算单元来计算预应力筋数量；

预应力涵洞的受力分析模块是采用厚板有限元进行分析，在有限元分析中计算出每个板单元的力场；

在最不利荷载工况下，按照控制截面处所有板单元的力场进行控制截面配筋，绘出最不利荷载工况下的配筋弯矩图；

同理，绘出在不同工况下的配筋弯矩图，得到涵洞顶板和涵洞底板配筋弯矩包络图；

根据配筋包络图，对涵洞顶板和涵洞底板的各个截面进行配筋设计；

(1)正交配筋

对于涵洞底板预应力钢筋：

M_ux＝maxM_x+max|M_xy｜；

M_uy＝maxM_y+max｜M_xy｜。

若M_uy＜0，令M_uy＝0， $M_{\mathrm{ux}}=\max M_x+\left|\frac{{\left(\max \right|M_{\mathrm{xy}}\left|\right)}^2}{{\max M}_y}\right|;$

若M_ux＜0，令M_ux＝0， $M_{\mathrm{uy}}=\max M_y+\left|\frac{{\left(\max \right|M_{\mathrm{xy}}\left|\right)}^2}{{\max M}_x}\right|.$

对于涵洞顶板预应力钢筋：

M_ux＝minM_x-max|M_xy｜；

M_uy＝minM_y-max|M_xy|。

若M_uy＞0，令M_uy＝0， $M_{\mathrm{ux}}=\max M_x-\left|\frac{{\left(\max \right|M_{\mathrm{xy}}\left|\right)}^2}{{\max M}_y}\right|;$

若M_ux＞0，令M_ux＝0， $M_{\mathrm{uy}}=\max M_y-\left|\frac{{\left(\max \right|M_{\mathrm{xy}}\left|\right)}^2}{{\max M}_x}\right|;$

(2)斜交配筋

对于涵洞底板预应力钢筋：

$M_{\mathrm{ux}}=\max M_x-2\max \left|M_{\mathrm{xy}}\right|(\mathrm{ctg\π}-\mathrm{\α})+{\max M}_y{\mathrm{ctg}}^2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+\left|\frac{-\max \left|M_{\mathrm{xy}}\right|+\max M_y\mathrm{ctg}(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}{\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}\right|$

$M_{\mathrm{u\α}}=\frac{{\max M}_y}{{\sin }^2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}+\left|\frac{-\max \left|M_{\mathrm{xy}}\right|+\max M_y\mathrm{ctg}(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}{\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}\right|;$

若M_ux＜0，令M_ux＝0，

$M_{\mathrm{u\α}}=\frac{1}{{\sin }^2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}({\max M}_y+|\frac{{(-\max |M_{\mathrm{xy}}|+\max M_y\mathrm{ctg}(\mathrm{\π}-\mathrm{\α}))}^2}{\max M_x-2\max \left|M_{\mathrm{xy}}\right|\mathrm{ctg}(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+{\max M}_y{\mathrm{ctg}}^2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}\left|\right)$

若M_uα＜0，令M_uα＝0，

$M_{\mathrm{ux}}={\max M}_x-2\max \left|M_{\mathrm{xy}}\right|\mathrm{ctg}(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+{\max M}_y{\mathrm{ctg}}^2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+\left|\frac{{(-\max |M_{\mathrm{xy}}|+{\max M}_y\mathrm{ctg}(\mathrm{\π}-\mathrm{\α}))}^2}{{\max M}_y}\right|$

对于涵洞底板预应力钢筋：

$M_{\mathrm{ux}}=\min M_x+2\max \left|M_{\mathrm{xy}}\right|\mathrm{ctg}(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+\min M_y{\mathrm{ctg}}^2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})-\left|\frac{\max \left|M_{\mathrm{xy}}\right|+{\min M}_y\mathrm{ctg}(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}{\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}\right|$

$M_{\mathrm{u\α}}=\frac{{\min M}_y}{{\sin }^2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}-\left|\frac{\max \left|M_{\mathrm{xy}}\right|+\min M_y\mathrm{ctg}(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}{\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}\right|.$

若M_ux＞0，令M_ux＝0，

$M_{\mathrm{u\α}}=\frac{1}{{\sin }^2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}({\min M}_y-|\frac{{\left(\max \right|M_{\mathrm{xy}}|+\min M_y\mathrm{ctg}(\mathrm{\π}-\mathrm{\α}))}^2}{\min M_x+2\max \left|M_{\mathrm{xy}}\right|\mathrm{ctg}(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+{\min M}_y{\mathrm{ctg}}^2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}\left|\right)$

若M_uα＞0，令M_uα＝0，

$M_{\mathrm{ux}}=\min M_x+2\max \left|M_{\mathrm{xy}}\right|\mathrm{ctg}(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+\min M_y{\mathrm{ctg}}^2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})-\left|\frac{{\left(\max \right|M_{\mathrm{xy}}|+{\min M}_y\mathrm{ctg}(\mathrm{\π}-\mathrm{\α}))}^2}{\min M_y}\right|$ 斜交配筋时，配筋弯矩与扭矩的符号有关，故在涵洞顶板和涵洞底板配筋时，扭矩采用最不利时的数值，对涵洞板底配筋采用-max|M_xy|，对涵洞顶板配筋采用max|M_xy｜；

这样得到各个截面的配筋弯矩后，计算预应力钢筋的面积：

$A_g=\frac{M_K/W}{(\frac{1}{A}+\frac{e_P}{W}){\mathrm{\σ}}_{\mathrm{pe}}}$

步骤二：给出预应力混凝土框架箱涵的预应力筋的数量和布置形式，沿涵洞顶板沿箱涵跨度方向、垂直箱涵跨度方向或任意方向，按照计算后的预应力钢筋数量布置涵洞顶板预应力钢筋；

(1)涵洞边墙、涵洞中墙配筋：

对于涵洞边墙、涵洞中墙配筋，分为两个方向配筋；一为桥跨方向配筋，按偏心受压构件配筋；一为竖向截面配筋，按板单元力场配筋；

涵洞边墙、涵洞中墙属于钢筋混凝土偏心受压构件，按容许应力法计算，计算偏心受压构件时，由于偏心压力的偏心距的不同，截面有两种不同的应力状态；首先要区分是小偏心受压还是大偏心受压；当偏心距e小于或等于核心距k时，截面全部受压，为小偏心受压；当偏心距e大于核心距k时，截面部分受拉部分受压，为大偏心受压；

小偏心受压构件的截面应力核算公式如下：

${\mathrm{\σ}}_h=\frac{N}{A_0}+\frac{M}{I_0}{y}_1\≤\left[{\mathrm{\σ}}_W\right]\·\·\·\left(2.6\right)$

${\mathrm{\σ}}_g^{\′}=n[\frac{N}{A_0}+\frac{M}{I_0}(y_1-a^{\′})]\≤\left[{\mathrm{\σ}}_g\right]\·\·\·\left(2.7\right)$

对于大偏心受压构件应先求出中性轴的位置(x)，其截面应力核算公式如下：

${\mathrm{\σ}}_h=\frac{{\mathrm{Ne}}^{\′}}{\frac{1}{2}\mathrm{bx}(\frac{h}{2}-\frac{x}{3})+{\mathrm{nA}}_g^{\′}\frac{{x-a}^{\′}}{x}(\frac{h}{2}-a^{\′})+{\mathrm{nA}}_g\frac{h-x-a}{x}(\frac{h}{2}-a)}\≤\left[{\mathrm{\σ}}_W\right]\·\·\·\left(2.8\right)$

${\mathrm{\σ}}_g^{\′}={\mathrm{n\σ}}_h\frac{x-a^{\′}}{x}\≤\left[{\mathrm{\σ}}_g\right]\·\·\·\left(2.9\right)$

${\mathrm{\σ}}_g={\mathrm{n\σ}}_h\frac{h-x-a^{\′}}{x}\≤\left[{\mathrm{\σ}}_g\right]\·\·\·\left(2.10\right)$

(2)预应力筋的布置形式

沿涵洞顶板沿箱涵跨度方向、垂直箱涵跨度方向或任意方向，按照计算后的预应力钢筋数量布置涵洞顶板预应力钢筋；

沿涵洞边墙、涵洞中墙竖向按照计算后的预应力钢筋数量布置预应力钢筋，其两端锚固在涵洞顶板、涵洞底板中，涵洞边墙在箱涵横向也布置预应力筋；

沿涵洞底板沿箱涵跨度方向、垂直箱涵跨度方向或任意方向，按照计算后的预应力钢筋数量布置涵洞底板预应力钢筋；

涵洞顶板、涵洞底板、涵洞边墙和涵洞中墙中的预应力筋采用直线、折线或抛物线的形式布置；

步骤三：施工工艺方法

先浇筑混凝土框架箱涵，待框架箱涵混凝土达到预期强度后，将预应力筋穿入预应力孔道中，利用混凝土框架箱涵本身作为受力台座进行张拉，在张拉预应力筋的同时，使混凝土框架箱涵受到预压；

张拉完成后，在锚固端用锚具将预应力筋锚住；

最后进行预应力孔道内灌浆，使预应力筋和混凝土形成一个整体，成为有粘结后张预应力混凝土框架箱涵。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.混凝土框架箱涵施工中的预应力应用方法，其特征在于，包括框架式预应力涵洞顶板及涵洞底板的配筋计算步骤、给出预应力混凝土框架箱涵的预应力筋的数量和布置形式步骤以及施工方法步骤；其中：

所述框架式预应力涵洞顶板及涵洞底板的配筋计算步骤具体为：

涵洞顶板和涵洞底板沿任意方向布置有预应力筋，取单位宽度箱涵作为计算单元来计算预应力筋数量；

预应力涵洞的受力分析模块是采用厚板有限元进行分析，在有限元分析中计算出每个板单元的力场；

在最不利荷载工况下，按照控制截面处所有板单元的力场进行控制截面配筋，绘出最不利荷载工况下的配筋弯矩图；

同理，绘出在不同工况下的配筋弯矩图，得到涵洞顶板和涵洞底板配筋弯矩包络图；

根据配筋包络图，对涵洞顶板和涵洞底板的各个截面进行配筋设计；

所述给出预应力混凝土框架箱涵的预应力筋的数量和布置形式步骤具体为：

沿涵洞顶板沿任意方向，按照计算后的预应力筋数量布置涵洞顶板预应力筋；

沿涵洞边墙、涵洞中墙竖向按照计算后的预应力筋数量布置预应力筋，其两端锚固在涵洞顶板、涵洞底板中，涵洞边墙在箱涵横向也布置预应力筋；

沿涵洞底板沿任意方向，按照计算后的预应力筋数量布置涵洞底板预应力筋；

涵洞顶板、涵洞底板、涵洞边墙和涵洞中墙中的预应力筋采用直线、折线或者抛物线的形式布置；

所述施工方法步骤具体为：

根据设计图纸对预应力混凝土框架箱涵进行施工，预应力混凝土框架箱涵中预应力的施加方式后张法施工，施工工序为：先浇筑混凝土框架箱涵，待框架箱涵混凝土达到预期强度后，将预应力筋穿入预应力孔道中，利用混凝土框架箱涵本身作为受力台座进行张拉，在张拉预应力筋的同时，使混凝土框架箱涵受到预压；

张拉完成后，在锚固端用锚具将预应力筋锚住；

最后进行预应力孔道内灌浆，使预应力筋和混凝土形成一个整体，成为有粘结后张预应力混凝土框架箱涵。

2.根据权利要求1所述的混凝土框架箱涵施工中的预应力应用方法，其特征在于，在所述框架式预应力涵洞顶板及涵洞底板的配筋计算步骤中：

涵洞顶板和涵洞底板沿箱涵跨度方向或者垂直沿箱涵跨度方向布置有预应力筋。

3.根据权利要求1所述的混凝土框架箱涵施工中的预应力应用方法，其特征在于，在所述给出预应力混凝土框架箱涵的预应力筋的数量和布置形式步骤中：

沿涵洞顶板沿箱涵跨度方向或者垂直箱涵跨度方向，按照计算后的预应力筋数量布置涵洞顶板预应力筋；

沿涵洞底板沿箱涵跨度方向或者垂直箱涵跨度方向，按照计算后的预应力筋数量布置涵洞底板预应力筋。