體內(nèi)-體外混合配束節(jié)段預制拼裝橋梁設計方法研究

唐明虎

(湖南恒利建筑工程有限公司, 湖南 長沙 410000)

體內(nèi)-體外混合配束節(jié)段預制拼裝橋梁設計方法研究

唐明虎

(湖南恒利建筑工程有限公司, 湖南 長沙 410000)

體內(nèi) — 體外混合配束節(jié)段預制拼裝橋梁因其具有良好的技術合理性、耐久性和經(jīng)濟性，目前在我國正逐漸興起。但由于該類橋梁在我國的應用起步時間較晚，國內(nèi)對該類橋梁的研究深度還不夠，現(xiàn)行公路橋規(guī)中沒有針對節(jié)段預制拼裝施工及體外預應力橋梁的相應條款。以體內(nèi)-體外混合配束節(jié)段預制拼裝橋梁為研究對象，對該類橋梁設計過程中的一些關鍵問題展開研究。結合施工方法、改善結構性能和提高經(jīng)濟性三個方面，探討了體內(nèi)束與體外束的合理比例設計原則。此外，對正常使用極限狀態(tài)的預應力筋應力限值、接縫處的應力限值、體外預應力的極限應力和承載能力極限狀態(tài)的強度折減等問題進行了探討，并進行了算例分析。

橋梁設計; 體內(nèi) — 體外混合配束； 節(jié)段預制拼裝； 預應力筋； 接縫

0 引言

在預應力混凝土橋梁的發(fā)展歷程中，人們對于“原位澆筑”與“節(jié)段預制拼裝”、“體內(nèi)預應力”與“體外預應力”技術的運用，伴隨著制造技術的進步，環(huán)保意識的提高，對耐久性問題的重視，以及工程經(jīng)驗教訓的積累，在不斷進行著實踐和探索。近30 a來，歐美、日本等國對“體外預應力技術”和“預制節(jié)段拼裝施工技術”的研究與應用十分重視，新建的混凝土梁橋和組合梁橋大部分以這些技術為核心[1]。

相比國外的廣泛運用，在國內(nèi)節(jié)段預制拼裝施工、體內(nèi)-體外混合配束還屬于設計新理念，有關它的研究與應用相對較少。目前我國混凝土梁橋的設計，雖然還是以“體內(nèi)預應力”和“現(xiàn)澆混凝土”為主，但“體外預應力”以及“節(jié)段預制拼裝”在經(jīng)濟和技術上的優(yōu)勢，已開始受到我國橋梁工程界的重視[2]。隨著我國工業(yè)化水平的提高，這些技術的推廣應用將具有廣闊的前景。但與這種發(fā)展趨勢不相匹配的是，我國針對這類橋梁，開展的研究還較少，規(guī)范中沒有針對預制節(jié)段拼裝施工體外預應力橋梁的相應條款。在實橋的設計與施工中，經(jīng)常需要參考國外的相關規(guī)范。因此，應就體內(nèi)-體外混合配束節(jié)段預制拼裝橋梁設計與施工中關心的一些主要問題，積極開展研究，從而更好地指導實踐。

1 體內(nèi)-體外混合配束的分配原則

在體內(nèi)-體外混合配束的混凝土橋梁設計中，首先要面對的一個現(xiàn)實問題，即如何分配體內(nèi)束與體外束的用量。在后張預應力混凝土橋梁中，預應力設計受到較多因素的影響，不同的設計思想會帶來不同的預應力筋布置方案。從以往的設計中看，有采用全體內(nèi)預應力的，也有采用全體外預應力的，從這個角度來說，在全體內(nèi)與全體外預應力之間的任何一種比例分配的混合配束方案都是可行的。但是考慮到橋梁施工、結構性能和經(jīng)濟性等方面的要求，對體內(nèi)束與體外束應進行合理的分配。

1) 基于不同施工方法的體內(nèi)-體外混合配束原則。

根據(jù)具體施工方法的不同，節(jié)段預制拼裝施工可分為平衡懸臂拼裝施工和逐跨懸拼施工。橋梁的設計與所采用的施工方法密切相關。對著兩種施工方法，因各自有其相應的特點，體內(nèi)束與體外束的分配原則也不相同。在預應力設計過程中，應結合各施工方法的特點，針對不同施工階段的受力需求，選配合適的預應力筋[3]。

采用逐跨拼裝施工時，橋梁一般要經(jīng)歷簡支狀態(tài)和連續(xù)狀態(tài)。在簡支狀態(tài)下，需設置預應力束以滿足一期恒載和施工階段荷載的受力需求。可采用全體外束的方案，也可采用體內(nèi)與體外混合的方案。當采用混合配筋時，主要布置底板直束和折線形的體外束。當結構體系轉換成連續(xù)梁后，需張拉墩頂節(jié)段的頂板體內(nèi)預應力筋，以滿足結構體系轉換后墩頂處的受力需求。此外還要張拉跨內(nèi)的體外預應力束和通長體外預應力束，以承受二期恒載和活載產(chǎn)生的內(nèi)力。

懸臂施工時，節(jié)段從墩頂向兩邊對稱懸出。為保證施工過程中的平衡與穩(wěn)定，需設置頂板預應力筋，此時采用體內(nèi)束比較方便。因為如果采用體外束，每個節(jié)段都要設置凸出錨塊，導致節(jié)段制造復雜化。橋跨合龍后，設置一定量的體內(nèi)局部連續(xù)力筋，用于滿足跨中節(jié)段合龍后的受力要求。全橋合龍后，再張拉通長體外預應力束，以承受二期恒載和活載產(chǎn)生的內(nèi)力。

2) 基于改善結構性能的體內(nèi)-體外混合配束原則。

在節(jié)段預制拼裝橋梁中，若采用全體外預應力時，其極限狀態(tài)抗彎承載力及延性都較體內(nèi)預應力梁要差一些。這時可通過配置一定量的體內(nèi)預應力筋，來改善結構的受力性能。A.N.A.Hindi、J.E.Breen等人進行了這方面的研究[4]。他們以一逐跨拼裝施工的三跨連續(xù)梁為模型，分析了不同的體內(nèi)-體外配束比例結構的力學性能，結果表明在接縫張開之前，不同配束比例的橋梁力學性能比較接近，但接縫開始張開后，體內(nèi)預應力用量大的橋梁，其極限承載力更高，延性更好。

從極限狀態(tài)的受力性能上來說，體內(nèi)預應力的用量越大越好。但采用混合配束時，主要希望能加快橋梁施工速度和使其后期的維修與加固方便，提高受力性能不是采用混合配束的主要目標。但是，若體內(nèi)預應力用量配置合適，則可使橋梁在極限狀態(tài)有較好的受力性能。A.N.A.Hindi等人認為，預制節(jié)段拼裝橋梁在極限狀態(tài)的受力性能改善表現(xiàn)為：在關鍵接縫失效之前，至少有一個關鍵接縫附近的接縫張開。要達到這個目標，可通過增大關鍵接縫的極限抗彎承載力或減小鄰近接縫的張開彎矩來實現(xiàn)。因為體內(nèi)預應力筋與混凝土粘結，其在極限狀態(tài)的應力增量較體外預應力筋大，所以配置一定量的體內(nèi)預應力，可增大關鍵接縫的極限抗彎承載能力，從而改善結構在極限狀態(tài)的受力性能。

3) 基于工程經(jīng)濟性的體內(nèi)-體外混合配束原則。

體外預應力筋的工作效率要小于體內(nèi)預應力筋。為達到與體內(nèi)預應力方案相同的效果，體內(nèi)預應力用量一般要相應增加。同時體外預應力筋、錨具及其防護等一般要比體內(nèi)預應力體系昂貴，因此從這個角度看，采用了體外預應力的橋梁，其直接材料成本要高于體內(nèi)預應力橋梁。但同時也應該看到，采用體內(nèi)-體外混合配束體系有其更大的綜合優(yōu)勢。首先，將一部分預應力筋布置在體外，減少了體內(nèi)束的數(shù)量，這有利于腹板中的體內(nèi)預應力筋和普通鋼筋的布置，有助于提高混凝土的澆筑施工質(zhì)量；同時還可減小箱梁截面的腹板和底板厚度，進而減小結構的自重。其次，作為體外索的主要優(yōu)點之一，再張拉及可更換使設計者可以將橋梁設計的目標與橋梁結構服役過程中的功能退化、耐久性下降、維修和加固等問題加以綜合考慮，實現(xiàn)全壽命設計。此外，混合配束與節(jié)段預制拼裝施工相結合，施工速度快，能滿足現(xiàn)在工程建設中日益緊迫的工期要求。并且在施工期間，對周圍環(huán)境影響小，不干擾城市現(xiàn)有交通，帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

2 體內(nèi)-體外混合配束節(jié)段預制拼裝梁橋的設計計算

體內(nèi) — 體外混合配束節(jié)段預制拼裝橋梁與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆體內(nèi)預應力橋梁相比，所采用的預應力體系和施工方法都有較大的不同。因此，在進行該類橋梁的設計計算時，應考慮到體外預應力結構的受力特點，以及節(jié)段預制拼裝橋梁的極限強度計算與普通結構存在的不同。

2.1 正常使用極限狀態(tài)的應力限值

在我國現(xiàn)行的規(guī)范中，針對體外預應力和節(jié)段預制拼裝施工橋梁在正常使用極限狀態(tài)的應力限值的條款很少。在已建的該類橋梁的設計計算中，較多的參考了美國AASHTO的《節(jié)段式混凝土橋梁設計和施工指導性規(guī)范》，該規(guī)范也是世界范圍內(nèi)經(jīng)常參考的節(jié)段預制拼裝橋梁設計規(guī)范之一[5]。

2.1.1 接縫處的應力限值

接縫是節(jié)段預制拼裝橋梁中的特殊構造。當橋梁上作用的荷載較大時，有可能出現(xiàn)接縫張開的情況，在干接縫橋梁中尤其如此。因此，為保證接縫有較好的抗剪性能，并且對膠接縫來說，保證其拼裝質(zhì)量和環(huán)氧涂層有效發(fā)揮作用，接縫處在節(jié)段拼裝時及在荷載作用下，均應有一定量的壓應力。各國設計規(guī)范或設計手冊對此規(guī)定不盡相同。

在節(jié)段拼裝階段，美國AASHTO的《節(jié)段式混凝土橋梁設計和施工指導性規(guī)范》中規(guī)定：對于膠接縫，拼裝時接縫處的最小壓應力為0.21 MPa，平均壓應力為0.28 MPa，直到環(huán)氧樹脂養(yǎng)護好。英國BS5400規(guī)定節(jié)段拼裝時接縫處的平均壓應力為0.2～0.3 MPa，差值不超過0.5 MPa[6]。日本取環(huán)氧樹脂硬化時其壓應力要在0.3 MPa以上。由于我國目前還沒有節(jié)段拼裝橋梁方面的相關規(guī)范，設計時一般參考國外規(guī)范，可取節(jié)段拼裝時膠接縫處的最小壓應力為0.15～0.3 MPa。

在使用階段，萊昂哈特在《鋼筋混凝土及預應力混凝土建筑原理》中認為：在荷載作用下，接縫處要留有0.5～1 MPa的壓應力?！度毡緡需F道混凝土結構設計標準和解釋》中認為設計荷載作用下接縫面必須保留有不小于1 MPa的壓應力。在沒有相關試驗數(shù)據(jù)的條件下，設計時可保守取荷載作用下膠接縫處最小壓應力為1 MPa以上。

2.1.2 預應力筋的應力限值

關于預應力筋的應力限值，公路橋規(guī)僅針對體內(nèi)預應力給出了相應條款，即在正常使用極限狀態(tài)，預應力筋的應力σp≤0.65fpk，fpk為預應力鋼筋的抗拉強度標準值。但對體外預應力，尚無相應的條款。

決定體外預應力筋在使用階段應力限值的主要因素是體外預應力筋在活載作用下的應力變幅。該幅值是對體外預應力體系的疲勞性能進行評價的關鍵。因為體外預應力筋僅在轉向塊和錨固快等處與混凝土結構聯(lián)結，在活載作用下，體外預應力的應力變化幅值比體內(nèi)預應力要小。從這個角度來說，體外預應力筋可有更寬松的應力限值。但對體外預應力體系的疲勞性能進行評價，不僅要考慮體外預應力鋼束的疲勞性能，還要考慮體系中錨固系統(tǒng)安全、轉向塊受力及轉向塊處力筋的應力等情況。因此，各國對體外預應力筋在正常使用階段的應力限值的規(guī)定各不相同，如美國AASHTO規(guī)范規(guī)定，對后張的低松弛鋼絞線，使用階段體外預應力筋的應力不超過0.72fpu；日本規(guī)范規(guī)定不超過0.7fpu；德國規(guī)范原規(guī)定體外預應力筋的應力限值為0.55fpu，現(xiàn)在修改為0.7fpu，fpu為體外預應力筋的極限抗拉強度。

目前我國尚未對體外預應力體系的疲勞進行較深入的研究與試驗驗證，一些已有的體內(nèi) — 體外混合配束節(jié)段拼裝橋梁的設計取體外預應力筋在使用的應力限值為0.6fpk，張拉控制應力取為0.65fpk～0.70fpk。設計時可作參考。

2.2 體外預應力筋的極限應力

體外預應力筋極限應力的計算，是體外預應力梁抗彎承載力計算的關鍵。由于體外預應力筋與混凝土之間可發(fā)生相對滑動，預應力筋的應力趨于一致，在極限狀態(tài)時一般達不到屈服。因此只能用體外預應力筋在極限狀態(tài)的應力值來進行抗彎承載力計算。一般極限應力表示為有效應力與應力增量之和：fps=fpe+Δfps。由于體外預應力筋的極限應力增量Δfps與預應力筋的布置形式、荷載形式、梁的跨高比、預應力筋與普通鋼筋的配筋率等眾多因素有關，目前尚無統(tǒng)一的計算公式，且國內(nèi)外提出的計算公式均是以體內(nèi)無粘結預應力梁為研究對象。

對體內(nèi) — 體外混合配束節(jié)段預制拼裝橋梁來說，當橋梁結構為連續(xù)梁或連續(xù)剛構時，考慮到采用體內(nèi)-體外混合配束，且一般情況下連續(xù)梁的極限撓度較相同跨度的簡支梁要小，則其體外預應力筋的應力增量也相對較小。此外，連續(xù)梁的破壞一般是某一跨或幾跨引起的，這些跨內(nèi)的梁體變形引起的體外預應力筋應力增量要均分到其它跨內(nèi)的體外鋼束上，因而體外預應力筋的應力增量也相對較小。可偏安全的取體外預應力筋在極限狀態(tài)的應力增量Δfps=0。

2.3 承載能力極限狀態(tài)的強度折減

節(jié)段預制拼裝橋梁由于各節(jié)段之間存在接縫，且非預應力鋼筋在接縫處被切開，削弱了主梁的抗彎剛度，使其在極限狀態(tài)的受力性能與整體現(xiàn)澆梁不同。因此，在進行極限狀態(tài)的設計時，需對其抗彎剛度和抗剪強度進行折減。

一般認為，接縫類型和預應力筋與結構的粘結狀態(tài)對節(jié)段預制拼裝橋梁在極限狀態(tài)的承載能力影響較大。國外對這方面進行了較多研究，但我國目前還沒有節(jié)段拼裝橋梁相關的設計規(guī)范。美國AASHTO的《節(jié)段式混凝土橋梁設計和施工指導性規(guī)范》給出了各種接縫和不同類型預應力筋布置下的節(jié)段預制拼裝橋梁的抗彎強度和抗剪強度折減系數(shù)建議值，如表1所示。表中的折減系數(shù)通常是從模型試驗中得到的，反映了結構在極限狀態(tài)下的力學性能與預應力筋的形式和接縫類型有關，而與外部荷載等因素關系不大。目前我國在這方面尚未有深入研究，在進行階段預制拼裝橋梁的設計計算時，可參考美國規(guī)范。需要注意的是，AASHTO規(guī)范是先計算結構總的抗力，然后再進行折減，即Pr=φPn，式中Pr為考慮各種因素折減后的抵抗力;φ為折減系數(shù);Pn為名義抵抗力。而我國規(guī)范則是先將材料強度折減為設計值，再計算抗彎承載力或抗剪承載力。因此在參考AASHTO規(guī)范時，建議把中國規(guī)范材料的強度標準值而非設計值代入各項承載力計算公式。

表1 節(jié)段預制拼裝施工橋梁強度折減系數(shù)

3 算例

3.1 工程概況

某4×50 m體內(nèi) — 體外混合配束、采用節(jié)段預制逐跨拼裝的連續(xù)梁，主梁采用單箱單室等高度箱梁，梁高3 m；箱梁頂板寬15.8 m，底板寬6.2 m；頂板全跨等厚，為25 cm；跨中截面腹板厚38 cm，底板厚25 cm；墩頂截面腹板厚60 cm，底板厚50 cm。標準節(jié)段長度為2.8 m，支座附近節(jié)段長度有1.55、2.0、2.15、2.4、2.6 m，節(jié)段之間采用環(huán)氧膠接縫聯(lián)結。

箱梁縱向預應力采用體內(nèi)-體外混合配束。體內(nèi)束與體外束的分配原則為：箱梁簡支狀態(tài)下的預應力由全部的體內(nèi)預應力和部分體外預應力提供，以抵抗一期恒載和施工臨時荷載；結構體系轉化后，再張拉一部分體外預應力，用于抵抗二期恒載和活載。

體外預應力鋼束采用了22Φ15.2、15Φ15.2、5Φ15.2這3種規(guī)格，張拉控制應力σcon=0.75fpk=1375 MPa；體外預應力鋼束采用了22Φ15.2無粘結鋼絞線，張拉控制應力σcon=0.65fpk=1209 MPa。體外鋼束采用無粘結預應力鋼絞線可進行再張拉、單根換索等操作。

橋梁施工采用節(jié)段預制逐跨拼裝。箱梁除部分橫隔梁和連續(xù)端墩頂梁段現(xiàn)澆外，其余部分采用分節(jié)段在梁廠預制，在存梁場地存放至少3個月后，運送到橋位進行現(xiàn)場吊裝；并通過張拉預應力，使各跨的箱梁節(jié)段形成整體，再進行現(xiàn)澆部分的施工以完成結構體系轉換，箱梁由分跨簡支梁轉化為多跨連續(xù)梁。

3.2 計算結果分析

3.2.1 正常使用極限狀態(tài)的應力限值

在應力驗算標準組合作用下，除墩頂區(qū)域出現(xiàn)很小的拉應力外，其余截面位置始終作用有壓應力?？紤]到墩頂區(qū)域為現(xiàn)澆段，允許出現(xiàn)一定的拉應力。而其它位置的所有接縫，其截面上下緣的壓應力都大于1 MPa，滿足前文推薦的最小壓應力1 MPa的要求。

3.2.2 強度驗算

算例采用了體內(nèi)-體外混合配束，接縫為環(huán)氧膠接縫，根據(jù)表1，取承載能力極限狀態(tài)的強度折減系數(shù)為0.9?？紤]各種承載能力極限狀態(tài)下的荷載組合，截面內(nèi)力、抗力包絡曲線見圖1。在考慮了強度折減后，各截面抗彎承載力均滿足要求。

圖1 截面內(nèi)力、抗力包絡曲線對比

3.2.3 收縮徐變對體外預應力的影響

對體外預應力混凝土梁，由于預應力筋與梁體截面應變不協(xié)調(diào)，加之混凝土徐變與應力歷史有關，體外預應力因收縮徐變而引起的損失受到較多因素的影響，其計算與體內(nèi)預應力收縮徐變損失的計算有較多不同。圖2給出了用桁架單元模擬體外預應力筋時，收縮徐變計算至1500 d的情況下，各種布置形式的體外預應力筋的應力隨時間的發(fā)展。從圖中數(shù)據(jù)可以看出：因收縮徐變，早期的預應力損失較大，隨著時間發(fā)展，預應力損失量逐漸減小；在不考慮體外預應力筋與轉向塊之間的相對滑動的前提下，轉向點之間的距離對損失量影響大，轉向點之間距離越小，損失越大。

圖2 收縮徐變對體外預應力的影響

4 結論

體內(nèi) — 體外混合配束混凝土梁橋有其自身的技術優(yōu)勢，具有良好的發(fā)展前景。雖然沒有統(tǒng)一的標準確定體內(nèi)束與體外束的合理比例，但是設計者可以從施工方法、結構性能和工程經(jīng)濟性等三個方面來綜合考慮。且在這三者中，應優(yōu)先考慮施工方法，同時兼顧考慮其他兩個方面。

體內(nèi)-體外混合配束節(jié)段預制拼裝橋梁與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆體內(nèi)預應力橋梁相比，所采用的預應力體系和施工方法都有較大的不同。因此，在進行該類橋梁的設計計算時，應考慮到體外預應力結構的受力特點，以及節(jié)段預制拼裝梁橋的極限強度計算與普通結構的不同。目前，一般認為存在的一些特殊問題有：正常使用極限狀態(tài)的應力限值、接縫處的應力限值、體外預應力筋的極限應力和承載能力極限狀態(tài)的強度折減等。由于我國目前沒有節(jié)段拼裝橋梁方面的相關規(guī)范，設計時一般參考國外規(guī)范，這些取值可取為：節(jié)段拼裝時膠接縫處的最小壓應力為0.15～0.3 MPa；在荷載作用下，膠接縫處最小壓應力為1 MPa以上；體外預應力筋在使用階段的應力限值取為0.6fpk，張拉控制應力取為0.65fpk～0.70fpk；偏安全的取體外預應力筋在極限狀態(tài)的應力增量Δfps=0；承載極限狀態(tài)的強度折減系數(shù)參考表1取值。

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