（道路与铁道工程专业论文）基于体外钢束与混凝土协作关系的梁桥分析方法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 由于体外预应力与传统预应力体系相比较而言，具有很多自身的优点， 近年来这种结构形式在世界范围内得到了广泛的运用和不断的创新。国内外 学者为了研究体外预应力混凝土梁的结构行为，傲了大量的试验和理论分析 工作，探讨体外预应力混凝土梁的极限承载能力。但大多是通过试验结果建 立的经验公式，没有从结构本身的力学性能出发去研究预应力钢筋的极限应 力问题，得到的结论往往具有一定的局限性。论文在分析研究国内外试验资 料、设计规范以及相关文献的基础上，基于钢混协作关系的理论较系统地研 究了体外预应力混凝土桥梁结构的应力增量、预应力损失、极限承载能力计 算的原理与方法，具体有如下研究工作： 首先，简述了体外预应力混凝土桥梁的结构形式及力学特性，综合分析 了体外预应力混凝土梁桥在极限承载能力下的各种计算理论，讨论了各自的 优缺点。 其次，在分析极限承载能力之前，必须要先确定体外索的应力增量。在 荷载作用下体外索的位移和混凝土截面无关，体外索的应力变化可以通过整 根梁的变形协调条件得到。本文基于钢混协作关系的理论，分别就简支梁和 连续梁在极限荷载作用下，体外索伸长量的计算做了研究，进而给出计算应 力增量的简单公式。 接着，对体外预应力混凝土梁桥的预应力损失计算的有关问题作了进一 步的探讨，指出了与体内预应力混凝土梁桥预应力损失计算的不同之处。 再次，在上面章节的体外索与周围混凝土纵向整体交形协调关系的基础 上，利用弯矩一曲率法讨论了正截面极限承载能力的计算，对受弯构件进行 了受力全过程分析。就影响极限承载能力的一些因素做了简要分析。 最后，基于前几章分析得出的结论，对某体内体外混合配筋的预应力粱 桥进行了实桥计算分析。得到了该桥成桥状态的内力图，应力云图及体外索 在使用阶段的应力和索力，验证结构模型的合理性。实例也表明基于钢混协 作关系开发的w x q 2 0 程序在体外预应力体系的建模计算方面具有一定的 优点。 关键词；钢混协作关系体外预应力应力增量 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lp r e s t r e s s i n g ，e x t e r n a lp r e s t r e s s i n gs y s t e mh a si t s o w nm e r i t s t h a ti sw h yt h i sk i n do fs t r u c t u r eh a sb e e nw i d e l yu s e da n d c o n s t a n t l yi n n o v a t e d a l lo v e rt h ew o r l di nr e c e n ty e a r s f o r e i g ne x p e r t s c o n d u c t e dl o t so fe x p e r i m e n t sa n dt h e o r ya n a l y s i s ，a n dd i s c u s s e dc a r r y i n g c a p a c i t yl i m i to ft h ee x t e r n a lp r e s t r e s s e dc o n c r e t eb e a mi no r d e rt os t u d yt h e s t r u c t u r eb e h a v i o ro ft h ee x t e r u a lp r e s t r e s s e dc o n c r e t eb e a m w h i l em a n y f o r m u l a sa r ee s t a b l i s h e do nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，a n dt h ei s s u eo n s t r e s sl i m i to fp r e s t r e s s e dr e i n f o r c i n gs t e e lb a rw a sn o tr e s e a r c h e db a s e do nt h e d y n a m i c sp e r f o r m a n c eo f t h es t r u c t u r e ，s ou s u a l l yt h e r ew e r es o m el i m i t si nt h e c o n c l u s i o n s t h i s p a p e rg i v e s as y s t e m a t i c a lr e s e a r c ho nt h ec a l c u l a t i v e p r i n c i p l e sa n dm e t h o d so ft h es t r e s si n c r e m e n t ，p r e s t r e s sl o s sa n dc a r r y i n g e a p a c i t y , w h i c h i so nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fd o m e s t i ca n df o r e i g n e x p e r i m e n t sa n dd a t a ，d e s i g nc r i t e r i o na n dr e l e v a n tl i t e r a t u r e s t h er e s e a r c h e s c o n d u c t e da r ea st h ef o l l o w i n g ： f i r s t l y , i ts i m p l yd i s c u s s e st h es t r u c t u r ef o r ma n dm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c o fe x t e r n a lr e s t r e s s e dc o n c r e t e b r i d g e ，c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e s k i n d so f c a l c u l a t i o nt h e o r i e su n d e rt e r m i n a lc a r r y i n gc a p a c i t y , a n dd i s c u s s e st h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si n d i v i d u a l l y t h e n ，b e f o r ea n a l y z i n gt h et e r m i n a lc a r r y i n gc a p a c i t y , i ti sr e q u i r e dt om a k e s u r et h es t r e s si n c r e m e n tf i r s t t h e r ei sn or e l a t i o nb e t w e e nd i s p l a c e m e n to ft h e p r e s t r e s s e dc a b l ea n dt l l ec o n c r e t es e c t i o nu n d e r1 0 a d s t h es t r e s sc h a n g e sc o u l d b ea c q u i r e df r o mt h et r a n s f o r mc o o r d i n a t i o nt e r mo ft h ew h o l eb e a m t h i sp a p e r i sb a s e do nt h es t e e la n dc o n c r e t ec o - r e l a t i o nt h e o r y , r e s p e c t i v e l yd i s c u s s e st h e c a l c u l a t i o no nt h ep r e s t r e s s e dc a b l ep r o t r a c t i o nv a l u eu n d e rt h et e r m i n a ll o a d so f s i m p l es u p p o r t e db e a ma n dc o n s t a n tb e a m ，t h e r e f o r eh a sp r o p o s e dt h es i m p l e f o r m u l af o rs t r e s si n c r e m e n tc a l c u l a t i o n a t i e rt h a t ，i tm a k e sf u r t h e rr e s e a r c ho ns o m ep r o b l e m sr e l a t e dt ot h e p r e s t r e s s e dl o s sc a l c u l a t i o no fe x t e r n a lp r e s t r e s s e dc o n c r e t eb r i d g e ，a n dp o i n t s 武汉理工大学硕士学位论文 o u tt h ed i f f e r e n c e sf r o mt h ep r e s t r e s s e di o s sc a l c u l a t i o no fi n t e r n a lp r e s t r e s s e d c o n c r e t eb r i d g e m o r e o v e r , o nb a s i so ft h e0 0 0 r d i n a t i o nr e l a t i o n s h i po fe x t e r n a lc a b l ea n d c o n c r e t e ，i td i s c u s s e st h ef r o n ts e c t i o nt e r m i n a lc a r r y i n gc a p a c i t yc a l c u l a t i o n w i t hb e n t c u r v a t u r em e t h o d ，m a k e saw h o l e p r o c e s s a n a l y s i s o ft h eb e n t c o m p o n e n t f i n a l l y , b a s e d o nt h ec o n c l u s i o n a b o v e ，i tm a k e sap r a c t i c a lb r i d g e c a l c u l a t i o na n a l y s i so nt h ep r e s t r e s s e db r i d g eo fs o m ei n t e r n a la n de x t e r n a l c o n c r e t ec a b l e i th a sa c q u i r e dt h ei n t e r n a lf o r c ep l o t ，p r e s t r e s s e dp l o t ，t h es t r e s s a n dc a b l ef o r c eo ft h ee x t e r n a lc a b l ei nu s e ，a n dh a sv a l i d a t e dt h er e a s o n a b i l i t y o ft h es t r u c t u r em o d e l t h ep r a c t i c a le x a m p l ea l s oi n d i c a t e st h a tw x q 2 0 p r o g r a md e v e l o p e d o ns t e e la n dc o n c r e t ec o r e l a t i o ni n d e e dh a ss o m e a d v a n t a g e si nm o d e l i n gc a l c u l a t i o nf i e l d k e yw o r d s ：s t e e la n dc o n c r e t ec o r e l a t i o n e x t e r n a lc o n c r e t es t r e s si n c r e m e n t i v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 体外预应力技术的发展 体外预应力的设想是同预应力的概念一起产生的，体外预应力桥梁的出 现甚至在体内预应力桥梁出现之前，1 9 3 5 年德国人d i s c h i n g e r 的体外预应 力专利比1 9 3 8 年f r e y s s i n e t 先张法体内预应力的专利还要早。从2 0 世纪3 0 年代起，体外预应力的发展经历了兴衰交替的几个阶段。 在预应力技术发展的初期，许多桥梁用这种方式建造。1 9 2 8 年在德国 建成的s a la n s i e b e n 桥是世界上第一座体外预应力混凝土桥梁。1 9 3 6 年由 e d i s c h i n g e r 设计，建于德国a u e 的公路桥是一座体外预应力混凝土悬臂梁 桥，使用至今。1 9 5 0 年在gm a g n e l 教授的主持下，比利时国内建造了s c l a y n 等数座体外预应力桥。1 9 5 0 1 9 5 2 年，法国的h e n r y l o s s i e r 设计了v i l l e n e u v e s a i n t g e o r g e s 桥，c o i g n e t 设计了v a u x s u r - s e i n e 、p o n tab i n s o n 和c a n b i a 桥。1 9 5 2 年古巴建造了美洲的第一座体外预应力桥一c 舭勰河大桥【4 】【5 1 。 早期体外预应力钢束由于预应力钢束的没有防护，或仅使用沥青简单防 护，腐蚀问题严重。在考虑换钢索时，因为在当时的条件下锚固端和转向装 置处的构造较复杂，如果需要更换钢索就会对本来就比较复杂的部位提出更 高的要求，带来的后果是使整个工程造价升高，无法充分反映体外预应力技 术的优越性，因此在其后的时间里很少应用于实际工程。所以在较长一段时 间内体外预应力技术没有得到发展，甚至出现停滞。 随着六十年代以来斜拉桥的复兴，斜拉索的防护问题在不断得以解决和 完善的同时，其相关技术也大量应用于解决体外预应力束的防腐问题，从而 使制约体外预应力结构发展几十年的关键因素一钢束防腐蚀问题得到了很 大程度的解决，这无疑大大促进了因腐蚀问题而停滞不前的体外预应力桥梁 的发展。另外，原本认为的体内预应力筋因管道压浆而不会受到腐蚀的观念 正日益受到挑战，预应力管道内( 特别是曲线段内) 由于压浆往往无法彻底 密实而只是管道内存在空洞；密集的预应力管道也导致混凝土灌注困难，使 混凝土易产生蜂窝现象【9 】。这些问题使人们对体内后张预应力桥梁的施工质 量难以把握，而深埋在混凝土体内的钢束在现有技术条件下根本无法进行检 武汉理工大学硕士学位论文 测和调换。实际上，体外、体内并不能作为判断防腐性能优劣的依据，关键 是对质量的把握上。体内预应力致命的缺陷便是在灌浆结束后便无法检测、 更换，而体外预应力索不管本身怎样，却较易的对预应力体系地施工质量进 行判断，必要时可以进行换索 r l 。 直到上世纪7 0 年代，随着斜拉桥的大量兴建，防腐技术的不断发展， 以及人们对体内预应力“自然防腐”的重新认识，使体外预应力技术得以重 新焕发生机。同时，大量体内预应力结构中预应力钢束严重的腐蚀导致欧洲 人从8 0 年代开始发展具有自身防护能力的体外预应力钢束体系。目前欧洲 渐渐减少体内预应力的使用，广泛推动体外预应力体系，甚至有取代体内预 应力的趋势。英国已明文抑制体内预应力的应用；德国经过一段时间使用后， 决定以体外预应力为主的设计为箱梁的标准设计，并规定所有桥梁的施工方 法都必须采用体外预应力体系，包括现场支架浇注、滑模现浇施工及所有的 节段施工方法。特别是预制拼装施工法成为桥梁建设的主流，这使桥梁的设 计、施工和管理成为相互紧密关联的因素，桥梁的经济性不再仅仅由桥梁结 构本身所耗费材料的指标所决定，还取决于施工速度、施工费用、对施工质 量的把握以及将来对桥梁的管理和维护等方面，在这些方面体外预应力具有 体内预应力难以比拟的优势【1 4 】【”】。 从体外预应力的发展方向看，主要可以分为以法国工程师为代表的换索 方案和美国工程师倡导的不换索方案。在美国，采用体外预应力结构的主要 目的是降低工程造价，因为承包商往往是以最低的价格赢得投标。体外预应 力结构可以减小腹板厚度，从而减轻结构重量，并且不需要换钢索的结构是 最简单、最经济的结构。在这种条件下，f i g g 和m u l l e r 成功地战胜了常规 的a a s h t o 梁，建造了一系列节段施工的桥梁。其中最具有代表性的是在 1 9 7 8 1 9 8 0 年间由j e a nm u l l e r 设计的长礁桥( l o n gk e yb r i d g e ) 。在法国采用 体外预应力的目的是作为一种提高结构施工质量的手段。体外预应力结构采 用简单的布索形式和极少的转向装置，以减小摩阻损失，通过消除腹板内的 管道来提高混凝土的浇注质量。同时对所有的业主来说，体外预应力允许更 换体外索，可以用更简单方便的方式加固结构。但同美国的预应力技术不同 的是，这种换索的方案较为昂贵，在很大程度上影响了体外预应力结构的经 济性【1 2 】。它通过在转向管内灌注热的油脂或石蜡的方式，使得换索成为可能。 具体的桥例有法国的l af l e c h e 桥、b o i v r e 高架桥、巴黎附近的d a r s ed ug a z d ef r a n c e 高架桥等等。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 体外预应力技术的应用前景 体外预应力与传统预应力体系相比较而言，具有很多自身的优点： 1 ) 预应力钢束布置在混凝土截面以外，当钢束受到腐蚀或因为灌浆质 量等因素需要换索的时候，可以及时的修补或更换。 2 ) 由于构件内部不考虑预应力筋的布置，所以可以减小构件的截面尺 寸和减轻构件的自重。既节约了材料，又增大了跨越能力。混凝土部分的设 计和计算都可以按普通混凝土构件要求进行，当混凝土受拉出现裂缝时，也 不会影响预应力筋的防护。 3 ，力筋除了在锚固端和转向块与结构有接触，其余地方都可以自由滑 动，故减少了由管道偏差引起的预应力摩擦损失。 目前，体外预应力技术在世界许多国家的应用范围包括：预应力混凝土 桥梁、特种结构和建筑工程结构；预应力混凝土的结构重建、加固、维修； 也可应用于临时性预应力混凝土结构或作为施工临时性钢索。欧美各国积累 了大量修建预应力桥梁的经验，特别是体外索的发展，法国差不多8 0 的 预应力桥采用了体外索工艺。日本修建的东名、名神高速公路，为了探求合 理、安全、经济的新桥型式，其中就有几座采用体外索的p c 桥梁。体外配 索桥梁在国外似乎已成为当今桥梁建设的时尚。体外预应力的应用大大减轻 了结构的自重，同时也相应减少了桥梁下部工程量。体外预应力的应用最大 限度地发挥了节段施工的优点。采用预制节块组拼，上部结构的预制与下部 结构的旋工同时进行，缩短施工工期从而带来巨大的经济效益。体外索与体 内索相结合并配置一定数量的非预应力普通钢筋成为部分预应力混凝土结 构，更能充分发挥其优点。随着以轻型、高强高能为目标的钢一混凝土复合 结构的出现，例如采用波形钢板或桁架构件作腹板的组合p c 桥梁，体外预 应力技术将达到一个新的水平，其应用前景更加广阔【1 7 】【1 8 】。 1 3 体外预应力承载能力的理论研究 体外预应力因其实际的经济性和对建造速度的极大提高，而被日益考虑 应用于新建的混凝土结构中，同时也作为修复和加固既有结构的主要手段得 到了广泛的应用。由于体外预应力混凝土结构的预应力筋布置在截面之外， 预应力筋除了在锚固和转向区内，预应力筋与粱并无接触，因此在受到外荷 载作用时，在相同截面上，体外预应力钢筋的应变与混凝土主梁的应变不协 3 武汉理工大学硕士学位论文 调，结构设计中所带来的新问题也都是从这一点而引发的。 1 3 1 国外的研究现状 在体外预应力极限承载力计算方面主要有塑性铰区长度法、弯矩一曲率 法、利用试验结果对体内有粘结或者无粘结预应力的公式进行修正以及计算 机非线性有限元的方法【2 5 】【2 6 1 【2 7 1 。 美国密歇根大学( u n i v e r s i t yo fm i c h i g a n ) 的n a a m a n 教授及其助手 a l k h a i r i ，在2 0 世纪8 0 年代后期，通过对无粘结预应力混凝土梁系统研究， 提出了无粘结预应力筋极限应力增量的简化计算方法，进一步研究后将该方 法引入了体外预应力混凝土梁。该方法的特点是：将体内无粘结、体外预应 力梁的计算方法与体内有粘结预应力梁统一，以粘结折减系数模拟体内无粘 结、体外预应力筋与混凝土梁之间的粘结状况，并采用模型梁试验数据建立 该粘结折减系数的计算公式，该公式被建议替代1 9 8 9 年a c l 3 1 8 建筑规范 ( 1 9 9 2 年修订) 中的公式，a a s h t o u l e d 桥梁设计规范( 1 9 9 4 ) 则采用了 该公式。 m i c h e lv i r l o g e u x 采用塑性铰区长度的方法，讨论了很多与体外预应力混 凝土简支和连续梁在正常工作和极限状态下受力性能有关的问题，他注意到 体外预应力梁偏心距的变化是由于锚固端( 包括转向块) 之间预应力筋保持直 线，结构变形为非线性，并给出了梁在未开裂、保持线弹性状态下体外预应 力混凝土梁预应力筋伸长的计算公式，还利用塑性铰长度公式提出了推测极 限承载力时预应力筋平均伸长量的理论模型。 西班牙a p a r i c i o 教授及其博士研究生r a m o s 在对体外预应力混凝土梁 试验和全过程非线性有限元分析研究后，提出了体外预应力筋极限应力增量 的简化计算方法。该方法的特点是：利用开发的全过程非线性有限元计算分 析程序，以结构体系、构造比例、截面形式、配筋方法等分类，通过对具有 代表性的7 4 座体外预应力混凝土桥梁1 0 2 种工况进行弯曲性能和破坏状态 分析，归纳出体外预应力筋的极限应力随影响参数的变化范围，该简化计算 方法被纳入西班牙桥梁设计规范。 m h a r a j l i 采用参数研究的方法来确定体外预应力混凝土构件的性能。选 用体外预应力筋的布置、转向块的个数及外荷载的形式来进行研究，并得出 了这些因素对二次效应、结构承载力和体外筋应力增量等的影响。合理考虑 了构件的跨高比和偏心距变化的影响。通过对跨长方向上几个不同点进行多 4 武汉理工大学硕士学位论文 级迭代非线性分析来计算无粘结预应力筋平均伸长，提出了分析加载过程中 体内和体外无粘结预应力梁受力性能的模型。 k u n g h w e e t a n 等人通过对6 根相同的钢筋混凝土t 形体外预应力梁的 试验，研究了转向块和力筋外形( 力筋截面积、预拉力和偏心) 对粱在荷载 作用下的行为的影响，同时证明基于粘结削减系数的计算方法是可靠的。研 究结果表明：预应力偏心距变化导致的二次影响会使梁的承载力下降；设置 转向块的梁比没有设置转向块的梁具有更高的承载力：采用较小的有效预应 力将增加体内钢筋和体外预应力钢筋的应力，增大裂缝宽度和挠度，但延性 更好；采用折线布筋的梁刚度减小，裂缝宽度增加，预应力筋应力增加，但 与直线布筋梁相比延性变差。 f m a l k h a i n 通过有限元的方法推出了一种推测由预制构件组成的体外 预应力梁桥的弯矩一挠度关系的非线性运算法则。在研究中他考虑了两种非 线性的影响，即材料的非线性和预制节段分界处节点的开裂，并确定了几种 重要的极限状态：混凝土开裂、节段间节点的开裂、无粘结预应力筋的屈服 和极限承载力状态。 1 3 2 国内的研究现状 对体外预应力的研究国内起步相对较晚，在体外预应力极限承载力计算 方面所采用的研究方法基本与国外一致【3 0 】【3 1 】【3 2 1 。 铁道部科学研究院牛斌等在1 9 9 2 年开始对体外预应力进行试验研究并 以混凝土塑性铰区理论为基础，通过十片体外预应力混凝土梁的试验，利用 试验结果，建立了体外预应力混凝土梁受弯条件下全过程非线性分析的计算 方法和计算机程序。在此基础上，经过一些合理的简化，提出了体外预应力 混凝土梁极限状态的计算方法。 1 9 9 3 年，杜世生、叶见曙、赖国麟等提出了体外预应力加固钢筋混凝土 简支梁的抗弯极限强度的计算方法。该方法假设破坏阶段时，在最大弯矩截 面附近形成一个塑性区，将这个塑性区理想化为一个铰，并以破坏截面中性 轴位置为铰的中心把结构的变形看作是以此点为铰的所联结的相邻两部分 沿相反方向的转动产生的。从而可决定预应力筋的极限应力，计算结构的极 限强度。 1 9 9 5 年，单成林利用无粘结预应力结构原理，提出体外预应力结构预应 力筋的应力增量的计算公式，以及截面应力的计算方法。 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 9 7 年，黄侨、张树仁等试验分析了1 2 片钢筋混凝土梁，验证体外索 加固体系在正常使用阶段的应力、裂缝以及挠度计算方法的正确性，探讨体 外索斜钢筋、水平钢筋极限应力的合理取值，分析体外索加固体系的极限破 坏机理，并建立极限强度计算方法。 1 9 9 9 年，同济大学的徐栋等用条带法和分层模型的方法编制了有限元非 线性分析程序，通过试验分析了体外预应力梁在整个加载过程中的反应。在 单元刚度矩阵中比较全面地考虑了材料非线性、几何非线性及轴力二次矩 等，还考虑了预应力筋的材料非线性本构关系、体外预应力偏心距的变化、 转向块处预应力筋的摩擦和滑移的影响。通过有限元分析，研究中对整体施 工与节段施工、节段施工时有无体内钢柬、钢束是完全粘结还离散粘结、转 向块处有无滑动等对结构力学性能的影响进行了讨论。 1 4 本文的主要工作 体外预应力桥梁的受力性能研究已成为近年来我国桥梁界专家学者的 研究热点之一，并取得了丰硕的科研成果。对于体外预应力筋的极限状态下 的极限应力问题，国内外学者作了大量的试验研究和理论分析。这些试验研 究及计算方法的建立，推动了体外预应力混凝土结构的发展，但似乎主要针 对承载能力极限状态，多依靠试验统计结果，这样仍不能彻底地认识和解决 体外预应力筋的应力变化本质。 本文总结了国内外预应力筋在极限状态下的抗弯承载能力研究现状及 存在的问题，就以下方面进行了研究； 1 分析体外预应力混凝土梁桥的力学性能，结合国内外学者的经验，指 出了目前在体外预应力混凝土梁桥抗弯极限承载能力和应力增量的研究中 需要解决的一些问题； 2 在基于钢混协作关系的基础上，讨论了简支梁及连续梁的应力增量的 计算方法。得出了一些有益的结论。并对体外预应力混凝土梁桥的预应力损 失计算做了进一步的探讨，指出了在不同的计算情况下应该考虑哪几部分的 预应力损失。 3 在前面计算出的应力增量的基础上，利用弯矩一曲率法，建立了体外 预应力混凝土梁桥在极限荷载状态下的公式。讨论了影响体外预应力混凝土 梁桥极限状态的一些因素。 4 最后，基于前几章分析得出的结论，对菜体内体外混合配筋的预应力 6 武汉理工大学硕士学位论文 梁桥进行了实桥计算分析。得到了该桥成桥状态的内力图，应力云图及体外 索在使用阶段的应力和索力，验证结构模型的合理性。进一步分析了某根体 外束的应力增量，表明基于钢混协作关系开发的w x q 2 0 程序在体外预应力 体系的建模、计算方面都具有一定的优点。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章体外预应力的结构体系和受力特征 2 1 体外预应力结构构造要点 体外预应力系统由体外预应力筋、体外预应力筋锚固系统、体外预应力筋转 向装置以及体外预应力筋防腐系统等组成。一般情况下，体外预应力筋通过跨中 的转向块保持方向与位置，并锚固在横隔梁( 板) 上。常用的体外预应力预制梁 桥多为箱形断面连续梁桥，如图2 - 1 所示。 图2 - 1 体外预应力箱形连续梁 体外预应力结构体系形式多样，主要包括：预应力索( 预应力筋、管道和灌 浆材料) 、体外索防腐系统、锚固系统、转向装置、减振装置等，如图2 2 所示。 图2 - 2 体外预应力体系示意图 2 1 1 体外预应力索构造及布置 体外预应力筋及其防护统称为体外预应力索，体外预应力筋常采用钢绞 线束，其中钢绞线可选用普通钢绞线、镀锌钢绞线、环氧涂层钢绞线和外包 8 武汉理工大学硕士学位论文 p e 的单根无粘结钢绞线。目前国内的o v m 公司开发了六种索体，见图2 3 所示。基本构造组成见表2 1 所示。 表2 10 m 体外预应力索体基本构造组成 索体 o v m s 1o v m s 2d v m s 3o v m s 40 v m s 5o v m s 6 型号 钢绞线普通环氧喷涂普通无粘 环氧喷涂 普通无粘 环氧喷涂无 无粘结 粘结 类型钢绞线钢绞线结钢绞线 结成品索 钢绞线 成品索 管道h d p e 套管外包h d p e 灌浆 水泥浆、环氧砂浆， 材料 油脂 自由段属无灌浆型 图2 3o v m 索体示意图 o v m s 3 、o v m s 4 型索体属于无灌浆型，可拆卸替换，可随时检测自 由段的索体情况。索体的防腐蚀主要依靠钢绞线自身的防腐蚀性能，外层的 h d p e 套管无防腐蚀作用，仅对其内部无粘结筋起保护作用，防止其他外部 物理作用对无粘结钢筋的p e 层造成破坏。外层的h d p e 套管由大、小管组 成，可以伸缩p ”。 体外预应力预制拼装p c 连续粱桥中体外索的使用可分为两类形式，即 全体外索形式和体外索与体内索混合形式。这两类形式中体外索的布置又有 分散布置与集中布置两种方式，如图2 - 4 所示。分散布置时转向块较多，节 段预制和体外索张拉在施工上较复杂，一般中小跨径桥梁采用集中布置方 式。采用混合形式时，一般按照体内索承担一期恒载，体外索承担二期恒载 9 武汉理工大学硕士学位论文 与活载的荷载分配方式进行设计。目前在欧美采用全体外索形式较多，而日 本采用体外索一体内索混合形式较多。 分散布置 图2 - 4 体外索布置方式 2 1 2 体外预应力筋的锚固和转向系统 集中布置 在活载作用下，预应力筋的应力变幅是预应力锚固系统设计的一个非常 重要的参数，体外索位于混凝土结构的外部，仅在锚固处及转向块处可能与 结构相粘结，是一个相对于组成结构整体的单独构件，如图2 5 。体外索 的锚具与体外索的构造密切相关，可分为更换锚具和不可更换锚具两大类。 体外索不可更换的锚具，一般用于体外索与梁体采用离散粘结的构造物上； 体外索可更换的锚具，一般用于体外索与梁体无粘结的构造物上。可更换体 外索的锚具，有钢绞线束无法放松和可放松两种类型。若没有预留预应力筋 再次张拉的工作长度，钢绞线束是无法放松的。 铸铁锚垫板 图2 5 体外索锚固体系 转向块是体外预应力索除锚固构造外，在跨内唯一与混凝土有联系的构 件，担负着预应力索转向的重要任务，是体外预应力混凝上结构中最重要、 最关键的结构之一。常用的转向块形式有3 种( 图2 - 6 ) ，即横隔板式、肋式 和块式。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 q 横隔板式b 肋式lc 块式 图2 - 6 转向块的三种形式 横隔板式和肋式转向块的优点是：能够承受较大的预应力索分力，并且 预应力索的转向力传向箱梁的梗腋，具有较好的受力保障，能抵抗较大的水 平分力，可用于转向力较大的结构中。其缺点是增加了恒载重量，加大了腹 板的平均厚度，使模板构造复杂。 块式转向块的特点是仅在项、底板根部设置很小的混凝土块，给结构施 加的附加荷载小，模板也简单，当采用直线力筋时可不通过转向块。不足之 处是承载能力较横隔板式和肋式转向块小。这是因为发生开裂后，不能形成 压力区，此时作用于转向块上的力仅靠联接筋和箍筋传递于箱体，因此，对 于转向块的构造细节必须给予足够的重视，与横隔板式、肋式转向块相比块 式转向块的配筋要复杂得多【3 9 】【4 们。 转向块的位置应设在底板或顶板与腹板交界的埂肋处或其附近。转向块 是采用固定转向管并与梁体联成一体的凸块。预应力筋的垂直分力或水平分 力有使转向块从梁体拉脱的倾向，故转向块钢筋应与梁体钢筋进行牢固的联 系。转向块一般设两种钢筋，一种是围住单根转向预应力筋的环筋，另一种 是沿着转向块周边围住块内所有预应力筋的闭口箍筋。这些环筋与箍筋应按 照抵抗预应力筋转向时产生的拉力、剪力来设计，并与梁底板或顶板中的纵 向钢筋相箍结。预埋在转向块中的转向弯管必须牢固定位，并与梁体钢筋牢 固联系，一般以采用钢管为宜( 见图2 - 7 ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 7 体外索转向装置及规格 2 1 3 体外预应力系统的防腐与防护 体外预应力系统的防腐与防护，由钢绞线束的自身防腐、护套与灌浆料 的保护，以及锚具的防腐与防护措施所组成。钢绞线、外护套及灌浆料的选 择，主要考虑环境条件和体外预应力索的暴露程度，如：通常处于干燥状态、 通常处于潮湿的环境中、长期处于湿润或干湿交变的环境中，以及处于严重 侵蚀性的恶劣环境中四种。成品的单根无粘结钢绞线是钢绞线柬自身防腐最 有效的手段，其中环氧涂层无粘结钢绞线具有更好的防腐性能。普通钢绞线 的体外预应力索，外护套与内灌料都是至关重要，采用h d p e 护套和灌水泥 浆是最经济的；在h d p e 管内灌油脂或石蜡是可靠的防腐措施，也便于钢绞 线更换。不管护套内采用何种灌注料，锚具的喇叭管、延伸管内均需灌料， 这是钢绞线防腐的关键部分。若体外预应力筋采用无粘结构造，则采用油脂 或其它非硬固性材料填充喇叭管及延伸管，以便拆卸更换。在锚具的锚板外 侧也应设置防护罩，并灌注防腐料。 2 1 4 体外预应力筋的减振装置 由于车辆通行等各种因素会引起结构与索体产生的振动，如果索体的自 振频率与整个结构的振动频率相近时，可能出现共振，给整个结构的安全带 来隐患。为使索体自由段的振动频率不同于整个结构的振动频率，必须在适 当的距离安装减振装置使索体自由段的振动区间变短，给索体适当的减振， 以避免索体产生有害的振动( 见图2 - 8 ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 8 体外索的减振装置 在一般情况下，减振装置间距以不大于7 m 为宜，或者也可以通过动力 计算确定；在设置减振装置处，体外预应力筋与护套间应用隔振材料填实。 体外预应力筋的定位构造通过设置减振材料也是一种减振装置，因此上述减 振装置通常仅设在体外预应力弯起后的区段。 2 2 体外预应力结构受力性能 体外预应力是后张预应力体系的重要分支之一。在传统的后张有粘结、 无粘结或缓粘结预应力结构中，预应力筋总是布置在混凝土截面之内的，而 体外预应力混凝土结构是将预应力筋布置在混凝土截面以外施加预应力的 一种结构体系，它在材料和设备、预应力损失、承载能力计算、耐久性设计 等诸多方面都具有自身的特点。在体外预应力结构中，预应力筋锚固在梁端 或中间横隔梁上，通过转向块调整预应力筋的方向，以适应梁的受力要求。 除了在锚固和转向区内，预应力筋与梁并无接触。根据施工方法的不同，体 外预应力混凝土结构可分为整体施工和节段拼装施工两大类，相应结构的受 力性能也有较大差别1 3 0 】。 1 整体施工的受力全过程 整体施工的体外预应力混凝土结构与体内无粘结预应力混凝土结构具 有基本相同的力学性能，从施加预应力、受荷至消压、开裂直至最后破坏的 机理也是相似的，两者的差别主要在构造上。适当配置有粘结预应力及非预 应力筋，对改善体外预应力混凝土结构的极限承载能力有较大的作用，也可 显著的改善裂缝的分布，使裂缝分布均匀、分敖，增加混凝土塑性变形的范 围。根据国内外试验资料，简支梁非预应力筋的不同配筋率对结构力学性能 的影响大致如图2 9 。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 体外预应力与有粘结或缓粘结预应力和无粘结预应力之间的本质差别 在于预应力筋和混凝土构件之间的协调工作程度不同。有粘结或缓粘结预应 力结构的预应力筋处处与混凝土粘结在一起，在混凝土开裂以前力筋和包裹 力筋的混凝土应变量一致，无相对滑移；无粘结预应力结构的预应力筋只在 锚固处与混凝土位移一致，力筋在内部与混凝土并无变形协调关系，力筋在 使用阶段的线形与施工阶段布设的线形有一定偏差，但由于混凝土内预留孔 道的限制，这种偏差造成的影响只会产生相应预应力摩擦损失，尚不足以对 极限承载力造成影响；而体外预应力结构只在端部锚固和转向块处与混凝土 有相同的位移，力筋与混凝土变形非协调现象在极限承载力状态很明显，会 引起显著的二阶效应，从而降低抗弯极限承载能力。同时体外力筋的应力发 展不同于体内预应力筋，通常在极限状态下不会到达屈服，也会削弱体外预 应力结构的极限抗弯能力。体外预应力与有粘结和无粘结预应力在其他方面 也有差别，如预应力摩阻损失较小，力筋内沿长度方向变化幅值小等。 体外预应力简支梁体系实际是一个带柔性拉杆的内部一次超静定混合 体系。对梁体施加预应力，预应力的控制值是在结构的自重作用下施加的。 因此在结构自重及预加力共同作用下，该体系已处于平衡状态。随着外加荷 载作用的变化，体外预应力简支梁体系所处的平衡状态被破坏，体外预应力 筋的应力发生改变，梁体截面应力也发生改变，从而出现新的平衡状态。当 外加荷载作用卸除后，体系又将回到原来的平衡状态。一般设计的体外预应 力混凝土都是适筋梁，分析其极限状态应该在适筋梁破坏范围。从抗弯性能 分析和设计的角度讲，体外预应力结构的受力特性与无粘结预应力结构类 似。在正常使用极限状态下，可采用弹性分析方法设计。但在极限承载力状 态下，由于预应力筋与混凝土之间可以发生滑动使得体外预应力钢束的应变 与混凝土主梁的应变在相同截面上不协调，体外预应力钢筋的应力发展将不 同于体内束，通常不会达到屈服，从而导致其抗弯能力的削弱。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章体外预应力筋应力增量研究 体外索应力增量是研究梁体力学性能的关键所在。在荷载作用下主梁与 体外索的应交是不一致的，即在主梁断面上，位于断面某高度处的体外索与 处于同一断面上同一高度处的混凝土应变量是不相等的。这一力学举动表明 将体外索视为与梁体共同变形的平截面的假设是不成立的，体外索通常在极 限状态下不会达到屈服，因此体外索p c 桥梁较结构相同的有粘结p c 桥梁， 其极限承载力低。除体外预应力筋外，混凝土和钢筋仍然满足平截面假定， 截面平衡方程仍然成立，因此体外索应力增量的研究对预应力体系的研究尤 为重要。 3 1 体外预应力筋应力增量研究现状 由于体外预应力与无粘结预应力在应力增量上的相似性，已有无粘结预 应力的研究成果是可以参考的。在对无粘结预应力的4 0 多年的研究中，人 们已得出影响这个应力增量的各种因素，并进行了相应的试验和分析研究工 作。如外荷载形式代表梁的弯矩分布形式；梁的跨高比反映了梁的柔度，与 梁的变形曲率关系密切。一般地，随着跨高比的增大，极限应力增量有降低 趋势；综合配筋指标表示梁截面相对受压区高度及其转动能力，它包含无粘 结预应力筋与非预应力筋的面积与强度、混凝土强度等因素，是影响应力增 量最显著的参数。对体外预应力筋，由于其变形均以直线线段形式出现，其 变化形式更加复杂。 在试验的基础上，各国对无粘结预应力筋的应力增量采用了不同的计算 公式。这在各国设计规范中得到应用【3 8 】【3 9 1 。 1 ) 美国a c i 规范 1 9 6 3 年，a c i 规范第一次引入极限状态下无粘结钢绞线应力计算公式。 由于当时试验资料少，公式采用了保守、极为简单的形式： 厶= 丘+ 1 0 5f 1 1 、 式中名预应力筋的有效应力，单位：m p a ( 下同) ； 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 厶预应力筋的极限应力，单位：m p a ( 下同) ； 研究指出该公式在低含筋率情况下太保守，而在高含筋率情况下又不安 全。所以a c l 3 1 8 - - 7 1 以后的规范中采用一个新的表达式： 厶= h 。+ 南 。，刊 该公式的限制条件是： 厶魄+ 4 1 4 ) l ，s l 。 厶o 5 厶 ( 3 3 ) 式中：z 、厶、丘、岛分别为混凝土的抗压强度、预应力筋的名义屈 服强度、预应力筋的极限强度、预应力筋的含筋率( 厶b z , ) ，其中b 、 d 。分别为受压区的宽度、预应力筋的有效高度。 研究上式中存在的主要问题是当用于大跨高比的构件时不安全，于是又 作了修改： 厶= 丘+ 加+ 参 = s 。此，砟 s s c s 一4 ， 该式考虑了跨高比的影响，当工以 3 5 时， = 3 0 0 。 2 ) 加拿大规范 1 9 7 7 年以前加拿大的规范a 2 3 3 一直沿用a c i 规范。2 3 3 m 8 4 则基于 “塑性铰”理论提出如下公式 厶2 ( 川o o o 孚厶 。吲 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 盹勺= 丝丝糍筹幽 式中、4 、4 、z 、，、屯、办、吃、纯、属分别为锚具间被 塑性铰分开的钢绞线长度、非预应力受拉钢筋的面积、受压钢筋的面积、非 预应力受拉钢筋的应力、非预应力受压钢筋的应力、翼缘板厚度、腹板宽度、 预应力钢筋的强度折减系数( = o 9 ) 、非预应力钢筋的强度折减系数( = o 8 5 ) 、混凝土强度的折减系数( = 0 6 ) 、等效矩形受压区高度与中性轴高度 之比。 3 ) n a a m a n 钢绞线应力计算模式 n a a m a n 在对无粘结预应力连续梁的研究中，发现支点上受压钢筋的数 量和荷载类型是