体外预应力桥梁设计施工技术研究.doc

精品文档体外预应力桥梁设计施工技术研究报告简本0 引言桥梁结构施工质量和预应力水平的可靠性、结构和预应力体系的耐久性，使用基准期综合经济性，是现代预应力桥梁发展的必然趋势。20多年来，现代体外预应力桥梁有了很大发展，给预应力桥梁带来了更大的优越性和发展空间，并广泛应用于世界各国。在我国有部分前期基础，但缺乏系统和全面的研究。从桥梁结构施工质量和预应力水平的可靠性上看，体内预应力钢束形状复杂、管道布置密集、容易与普通钢筋构造发生矛盾、现场穿束困难；同时，密集的体内预应力管道也增加了混凝土的浇注困难，这些因素都对混凝土施工质量的可靠性造成不利的影响。采用体外预应力技术，在混凝土结构体外布置预应力钢束，使混凝土施工免受密集管道的影响，从而改善结构构造，使结构施工质量更可靠。更为重要的是，管道内体内预应力钢束施工时容易留下隐患，直接影响预应力的可靠性。而体外预应力体系是一种“看得见，摸得着”的预应力体系，可以在使用期内方便地进行检测、调整甚至更换，从而确保了结构预应力的可靠性。预制节段拼装施工方法，具有施工速度快、混凝土质量易控制等特点，结合体外预应力技术能够最大限度地发挥这种施工方法的优点，使预制节段的结构构造更标准，预制及现场架设施工速度更快。体外预应力技术促进了新结构的发展，促进了预应力技术与钢结构、钢与混凝土组合结构的融合。采用体外预应力技术的（波纹）钢腹板、钢或混凝土桁架腹板等组合结构桥梁，使桥梁上部结构的重量大为减轻。从桥梁结构的耐久性来看，体外预应力体系具有自身防护功能，如采用具有多层防腐的单根环氧涂层无粘结钢绞线，避免了管道压浆不满及空洞造成的灌浆质量问题，也避免了因混凝土碳化及水泥灌浆开裂对传统体内预应力钢束造成的侵害；由于预应力钢材在高应力作用下的腐蚀将导致应力腐蚀而断裂，所以预应力钢材的耐久性是预应力结构耐久性的重要保证。体外预应力体系具有的可调整、可检测、可更换的特点，使其比传统体内预应力体系具有更可靠的耐久性保证。从桥梁结构使用期内的经济性来看，体外预应力结构可以减小结构的非受力需要尺寸，降低结构重量和上下部结构的材料用量。相比体内预应力结构，一旦在使用期内出现问题，体外预应力结构的加强费用要小得多。故体外预应力结构比体内预应力结构具有寿命期整体经济性。体外预应力技术由于在现代桥梁建设中具有较为突出的优点，故在国外桥梁建设中得到了广泛的应用。我国正处于预应力技术迅速发展、成熟时期，在过去二、三十年的时间内，我国在体内预应力混凝土桥梁技术，尤其在后张预应力混凝土桥梁技术的研究与应用方面，取得了很大进步。随着预应力混凝土桥梁建设经验的积累，以及对结构设计理念认识的不断深入，桥梁结构设计基本原则已经从单纯的安全、经济发展为安全、经济、耐久并重，发展体外预应力桥梁具有现实意义和迫切性。尽管体外预应力桥梁的发展优势在国外桥梁建设中已充分体现出来，但在我国因技术储备不足而进展较慢。同时，作为一种较新的结构体系，在设计理论与方法的研究方面仍存在许多急待解决的问题。对体外预应力混凝土桥梁的设计理论和方法、关键部位构造及其设计方法、体外预应力桥梁施工技术的全面研究；发展可调整、可检测、可更换的体外预应力体系，是体外预应力桥梁应用和发展的关键和基础。本项目联合承担单位体集科研、设计、施工于一体，对西部人才的培养是多方面的，参研人员通过本项目的研究，已成为西部地区在这个领域的技术骨干或带头人，另有十余名硕士、博士通过课题的相关研究通过了论文答辩；公开发表科研学术论文五十余篇；获得两项发明专利。依托工程立足西部，其科研、建设的过程涉及建设、设计、监理和施工等单位，对众多的西部地区的管理人员、技术人员具有良好的带动作用。人才的培养，对西部交通的建设与发展拓开了广阔的空间，使该项研究成果能较快速、全面地运用于西部交通建设项目，为西部地方交通企事业单位的科研水平的提高提供了一个平台和强有力的技术支持。1 项目研究内容与实施路线1.1 总体目标（1）项目研究总报告，实现对10个子课题中分项研究总结。（2）完成了体外预应力桥梁设计指南施工指南的编写；（3）依托工程桥梁的应用效果报告；（4）全套体外预应力体系和产品的研制报告。1.2 主要研究内容本项目共设十个子题，分别从调研、理论与计算方法、设计与施工、产品到指南编写。1.2.1 体外预应力桥梁设计理论、方法和应用实例调研调研国内外体外预应力桥梁设计理论、方法的发展状况，收集体外预应力桥梁实际工程应用情况；深入了解国外较成熟设计规范及其相关条文的适用条件和研究背景，结合我国实际情况提出在我国西部发展体外预应力桥梁的研究方向。1.2.2 体外预应力桥梁正常使用阶段设计理论和方法研究（1）体外预应力桥梁预应力损失计算方法研究根据体外预应力钢索（束）与结构的粘结关系，研究体外预应力钢索（束）摩阻损失、弹性压缩、徐变收缩引起的预应力损失计算方法。图1 摩擦系数试验装置（2）体外预应力钢索（束）特殊非线性计算模型和计算方法研究体外预应力钢索（束）与结构的粘结关系由人为指定。出于耐久性设计的考虑，体外预应力钢索（束）在转向构造处一般采用与结构没有联系的无粘结体系。在活载作用下，体外预应力钢索（束）在转向构造处不可避免地会产生滑移，并对结构受力产生非线性的影响。对这种特殊非线性效应的研究需要建立合适的分析模型，以判断体外预应力钢索（束）在各转向构造处的滑移条件。研究体外预应力钢索（束）的非线性滑移和二次非线性效应能够更准确地计算弹性阶段直至极限阶段体外预应力效应及对结构的影响。 a）L=30m, b/L=0.2 b）L=50m, b/L=0.6图2 体外钢束与转向结构之间滑移状态对二次效应影响1.2.3 体外预应力桥梁抗弯极限承载力设计理论和方法研究（1）体外预应力桥梁抗弯极限承载能力非线性设计理论研究根据体外预应力桥梁进入抗弯极限状态时的非线性特点，重点研究极限状态下体外预应力钢索（束）在转向构造处滑移产生的特殊非线性，极限状态下体外预应力钢索（束）与截面不协调变形产生的几何非线性，极限状态下体外预应力钢索（束）、普通钢筋、混凝土物理非线性等的影响。图3 预应力混凝土结构的通用有限元模型（2）体外预应力桥梁抗弯极限承载力全过程分析方法研究体外预应力桥梁抗弯极限承载能力与许多因素有关：桥梁结构型式、桥梁高跨比；体外预应力转向构造的形式、位置和数量；体外预应力体系及其与结构的粘结关系；体内、体外预应力配筋比例等。在常用计算方法中，结构弹性阶段至极限阶段的分析往往是不连续的，两者分析一般是分开独立进行的，极限承载能力分析往往以桥梁一次落架为起点，与桥梁真实施工过程不建立联系。由于大跨径体外预应力桥梁往往采用节段施工方法，其受力状态与施工方法密切相关，故极限状态的受力应以真实施工过程所累计的受力状态为起点，即在进行极限阶段分析时应以考虑施工过程的弹性阶段分析结果为起点。因此，提出考虑受力全过程的体外预应力桥梁极限阶段分析方法，能够更准确地计算体外预应力桥梁的极限承载力。对于预制节段施工体外预应力桥梁，节段间接缝是决定其极限阶段力学性能的关键影响因素。子课题8（预制节段施工体外预应力桥梁设计方法、施工技术研究）侧重于研究预制节段施工的体外预应力结构，建立接缝的力学模型是子课题8重要的组成部分。将子课题8建立的接缝数值模型与上述分析方法相结合，即可以准确计算预制节段施工体外预应力桥梁的抗弯极限承载力。（3）体外预应力桥梁抗弯承载力简化计算方法研究根据提出的考虑受力全过程的体外预应力桥梁极限阶段分析方法，规划代表不同参数的体外预应力桥梁（如简支/连续、跨高比、转向间距改变等），分析计算体外预应力钢索（束）在达到极限承载力时的应力（简称体外预应力钢索（束）的极限应力）。同时规划具有相当数量的体外预应力桥梁缩尺模型试验，验证到破坏时体外索极限应力的计算值，得到修正系数，从而推荐体外预应力钢索（束）极限应力的取值，以满足生产实际中对体外预应力桥梁极限承载力简化计算的要求。本项目通过对体外预应力混凝土桥梁抗弯极限承载力的简化分析和试验研究，试验实测结果均与推荐的体外预应力钢束极限应力、极限有效高度，以及截面抗弯承载能力的简化计算方法吻合良好且满足设计可靠度要求。图4 抗弯试验加载1.2.4 体外预应力桥梁抗剪极限承载力设计理论和方法研究（1）体外预应力箱形梁抗剪桥极限承载力和配筋方法研究本项目针对配置纵向腹筋的腹部适配筋情况，在混凝土产生斜裂缝的情况下，由纵向腹筋和竖直箍筋形成网格，分别承担主拉应力的水平和竖向分量，混凝土起网格定位作用。在此基础上，研究极限状态下桥梁的抗剪性能及抗剪配筋的理论和方法。本项研究从固体力学理论出发，研究箱梁截面空间剪应力分布规律，研究混凝土和钢筋分离的抗剪强度设计计算方法，研究（体外）预应力因素对结构抗剪强度的影响，采用理论研究和试验研究相结合的方法，提出抗剪承载力“拉应力域”配筋设计理论。根据同济大学的几十根体外预应力混凝土梁的试验研究结果，考虑了诸多影响体外预应力抗剪承载能力极限状态的因素，统计回归出了体外预应力梁的抗剪极限承载力简化计算方法。（2）预制节段施工体外预应力箱梁桥抗剪极限承载力和配筋方法研究预制节段施工体外预应力箱梁的普通钢筋在接缝处是完全断开的，国内外对其机理的研究尚不充分，故抗剪极限承载力及其配筋方法在各国规范中均不成熟，甚至未提及。但是，预制节段施工方法是体外预应力桥梁最具特色的施工方法，并具有许多优点，故对其抗剪承载力计算方法的研究非常重要。研究在整体施工桥梁抗剪配筋方法研究成果的基础上，提出针对预制节段施工体外预应力桥梁结构抗剪配筋的设计建议。图5 抗剪试验装置 图6 模型梁破坏照片1.2.5 体外预应力混凝土桥梁关键部位构造和配筋方法研究归纳总结体外预应力结构的锚固位置和转向位置的关键构造，通过大型有限元程序对锚固结构和转向结构进行详细计算分析，结合复杂区域配筋的拉压杆模型（strut-and-tie model）理论，分析锚固位置和转向位置应力分布规律和力线传递路线，以及影响这些关键结构受力特点的影响因素。提出基于混凝土拉应力域配筋理论的锚固横梁配筋方法。通过对转向结构和锚固结构进行参数比较和分析，找出其普遍规律，总结出几种典型的模式，采用拉压杆模型理论和基于混凝土拉应力域配筋理论构造其受力路径并进行配筋设计。图7 转向结构压应力加载面示意图 图8 箱梁截面转向结构边界条件示意图 a 横向应力 b 竖向应力c 第一主应力图9 箱梁锚固结构的应力分布1.2.6 体外预应力钢束疲劳评价研究本部分对体外预应力钢束疲劳性能的研究分为三个方面：一是通过对体外预应力钢束在活载作用下的应力变化幅度的分析，来研究体外预应力钢束组件（包括锚夹具、连接器）的整体疲劳性能；二是分析在转向处体外预应力钢束的局部应力变化，来研究体外预应力钢束本身的局部疲劳特性；其次，对于由单根无粘结钢束组成的体外预应力体系（如OVMTJ.E），尚有另外一种特殊的局部问题，即钢束在转向处由于来回滑动，造成钢绞线会对外包PE在高压应力情况下不断摩擦，可能导致外包PE层磨损甚至损坏，从而失去对钢绞线的保护。这个现象虽然与真正的疲劳无关，但却与活载作用下体外预应力钢束在转向处的局部滑移密切相关，也属于使用性能范畴，需要专门的研究。因而，有关体外预应力钢束的疲劳评价研究内容包括：（1）体外预应力钢束整体疲劳评价研究（2）体外预应力钢束局部疲劳评价研究图10 试件和试验装置试验照片1.2.7 大跨径体外预应力桥梁设计方法、施工技术研究（1）大跨径体外预应力桥梁体外预应力钢索（束）合理布置方式研究对于悬臂施工的大跨径体外预应力桥梁，往往采用体内、体外预应力混合配置方式。体内、体外预应力钢索（束）比例与结构施工过程及成桥后的应力状态、结构的抗弯极限承载力、抗剪极限承载力、关键区域局部受力及构造、桥梁的施工技术密切相关，因此必须研究体内、体外预应力的适当比例及其布置方式。（2）大跨径体外预应力桥梁施工技术研究研究大跨径悬臂施工体外预应力桥梁的相关施工技术，特别是大跨径悬臂施工桥梁中体外预应力体系的施工技术。 图11 转向结构处转向器的定位 图12 安装完毕的4转向结构1.2.8 预制节段施工体外预应力桥梁设计方法、施工技术研究针对预制节段施工体外预应力桥梁设计方法、施工技术开展如下5个方面的专题研究：(1) 预制节段体外预应力桥梁技术特点(2) 预制节段体外预应力混凝土桥梁的设计应力与抗裂要求(3) 预制节段体外预应力混凝土桥梁结构构造(4) 预制节段接缝形式和施工性能(5) 预制节段拼装体外预应力桥梁施工工艺1.2.9 体外预应力体系构造及防腐措施研究本子课题调研国外较成熟的体外预应力体系，继承优点、克服缺点，形成一套较为完善且能单根换索的新型体外预应力体系。比较各种防腐材料的性能，确定锚固构造的防腐体系。结合实桥进行体外预应力钢束安装、张拉、调整、更换、防护、减振等关键施工技术研究。参照国外规范及理论及试验研究成果，提出体外预应力钢束减振装置设置方法以及限制体外预应力钢束二次效应的限位构造设置方法。OVM-TJ.E体外预应力体系是同济OVM预应力研究中心新近研发完成的一种新型体外预应力体系。该体系的研发立足于单根操作，即可以进行单根张拉和单根换索，并可以方便使用过程中对体外钢束的单根检测。OVM-TJ.E体外预应力体系在直线段不灌浆，采用可伸缩的外套管可以随时暴露单根钢束，以方便在使用期的外观检测和束力跟踪检测；OVM-TJ.E体外预应力体系采用在转向处进行梳束的的专用转向装置，并于2006年5月17日获得国家发明专利（专利号：ZL02 1 19602.8），这种转向装置同时解决了体外预应力钢束任意方向转向的广泛适用性要求和满足在转向结构之间适应一定误差的要求。 图13 OVM-TJ.E体外预应力体系展示 图14 OVM-TJ.E体外预应力体系的换过索施工图15 OVM-TJ.E体外预应力体系总成图1.2.10 体外预应力桥梁设计施工指南编制与体外预应力体系成果依据上述相关研究成果，结合国内外规范的调研，引进成熟条文，提出体外预应力桥梁设计和施工指南。这也是本项目最终提交成果的重要组成部分。1.3 技术路线本项目研究的总体技术路线为：以国内外体外预应力桥梁科研、设计及施工调研、资料收集为起点，了解国内外发展现状、找出项目具体研究方向；以科研调研为基础，根据设计理论与方法、体外预应力体系、施工工艺技术以及依托工程实践等各方面内容开展综合系统研究；以项目研究成果和依托工程实践结果为依托，结合国内外调研资料分析总结，编制体外预应力桥梁设计与施工指南。本项目的重点是体现体外预应力桥梁特点的计算理论与设计构造方法，以及解决工程实践的施工技术和预应力工艺。十个子课题较全面体现了上述两个方面的内容，十个子课题相互独立又互相联系。项目承担联合体充分理解课题相关联系，明确分工，互相支持，确保顺利实现本项目任务。1.4 依托工程及成果应用情况本项目依托工程包括重庆新滩綦江大桥和辽宁省铁岭至朝阳高速公路K240+550天桥：两依托工程与项目均有良好的时间对应关系，2008年10月合拢后完成体外索张拉。辽宁省铁岭至朝阳高速公路K240+550天桥于2007年5月通车试验结束。研究成果均在依托工程中得到了较好的应用，确保了依托工程的安全顺利进行，建成后各项指标达到设计要求，说明实际工程与科研相结合取得了较好的效果。 图16 重庆新滩綦江大桥正在悬臂施工中 图17 合拢后重庆新滩綦江大桥图18 K240+550天桥通车试验2 主要研究成果与创新点（1）依托工程重庆新滩綦江大桥采用新颖的体内、体外混合配束方式，其创新之处在于该桥并不是对体外预应力钢束的简单应用，而是具有以下两个方面的重要特点：一是尽量多地采用可更换、可检测的体外预应力钢束，以确保预应力的可靠性、结构的安全性及耐久性，并使施工更方便，质量更便于控制；二是将体外预应力钢束和体内下弯预应力钢束提供的预剪力，与边跨及跨中合拢段上弯体内预应力钢束提供的预剪力相结合，从而减小全桥的恒载剪力，也减小了箱梁全断面的恒载剪应力和主拉应力。依托工程的配束方式充分结合了体外束的优点和箱梁结构空间受力的特点，落实了大纲评审时专家提出的重视混凝土结构开裂性问题的建议。同时，依托工程的建设管理、设计、施工、监控等各方面为科研成果的实现提供了坚强的支撑。这种兼顾体外束耐久性和箱梁结构抗裂性的体内、体外配束方式为国内外首次采用，具有原创性。（2）提出混凝土结构有规律应力分布“拉应力域”的配筋新理论，通过网格配筋方式以承担混凝土拉应力的正交分量。该设计理论的特点是，在使用阶段控制参数为限制混凝土裂缝宽度的钢筋拉应力；在极限阶段控制参数为纵横向钢筋的面积。在抗剪设计方面，“拉应力域”为双向二维应力中的主拉应力，这种设计理论强调网格钢筋的抗剪作用，即将原来抗剪钢筋仅为腹板箍筋，扩大到更为广泛的领域，即所有组成箱梁断面的板式结构的面内纵横向配筋都是需要进行设计计算的抗剪钢筋。在体外预应力桥梁的转向结构和锚固结构配筋方面，“拉应力域”为双向一维应力（竖向、横向拉应力）。该研究成果为本课题中箱梁抗剪配筋设计和转向锚固结构的配筋设计的应用提供了理论基础。混凝土结构“拉应力域”配筋理论不同于以往所有配筋理论，可以覆盖现有配筋理论的许多“死角”，具有宽广的应用前景。（3）全面深入研究了体外预应力混凝土结构的设计方法和施工技术，取得了丰富的研究成果，并通过依托工程实践建立了完整的设计、施工指南，具体表现在以下几个方面：l 深入研究了使用阶段体外预应力混凝土桥梁的特殊非线性问题，建立了钢束的滑移和二次效应的分析方法，进行了定量分析。l 建立了能考虑施工过程影响的体外预应力混凝土结构抗弯全过程分析方法，以及节段接缝的分析模型，并由试验分析方法进行了验证。l 在理论研究的基础上进行了较大规模的试验研究，建立了考虑节段间接缝和二次效应影响的体外预应力桥梁抗弯承载力简化计算公式，以及考虑节段间接缝的体外预应力梁抗剪承载能力的简化公式。l 通过体外预应力钢束的整体应力变幅、局部弯曲应力和钢束磨损分析，全面研究了体外预应力钢束的疲劳问题。在此基础上建立了包括体外预应力钢束使用阶段的应力限值等与之相关的设计参数。l 系统、完整研究了预制节段施工体外预应力混凝土箱梁结构及其特殊构造的设计方法，详细阐述了节段预制与拼装架设工艺。（4）研制了一套完整的体外预应力体系OVM-TJ.E。其特点体现在以下几个方面：一是通过单根钢绞线梳索式转向器满足了单根钢绞线张拉和更换操作的要求，并能同时满足竖弯和平弯；二是自由段钢束不灌浆随时可满足检测的要求。OVM-TJ.E体系采用环氧涂层钢铰线，其在耐久性、可操作性、施工简易性及方便检测等方面的综合指标达到了新的高度，相比国外同类产品具有较明显的特点及优势。该体系于2006年5月17日获国家发明专利（专利号：ZL02119602.8）。3 项目的经济、社会、环境效益及推广应用前景“体外预应力桥梁设计施工技术研究”以目前国内外的研究和应用现状入手，通过相关的计算理论、方法和应用实例调研，完成了包括相关的正常使用阶段设计理论和方法、抗弯和抗剪极限承载力设计理论和方法、关键部位的构造与配筋方法、体外预应力材料与体系的构造、防腐，以及疲劳方面的研究，相应