12李国平-节段式体外预应力混凝土桥梁的构造.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术会议论文 2006年节段式体外预应力混凝土桥梁的构造李国平* 李国平，男，1958.10生，教授交通部公路工程标准制（修）订项目 编号：200113（同济大学混凝土桥梁研究室）摘 要：介绍节段式体外预应力混凝土桥梁整体、节段、接缝、体外预应力钢束转向及锚固构造的设计方法，以及节段、转向和锚固构造主要钢筋的构造要点。关键词：节段式，体外预应力，桥梁，构造20世纪70年代，预制节段拼装施工工艺得到了迅速发展。1980年竣工的由Jean Muller设计的美国Long Key桥，是一座采用预制节段逐跨拼装施工的体外预应力混凝土桥梁，也是新一代的体外预应力混凝土桥梁。该桥采用的标准化节段预制、拼装施工方法，大大提高了施工速度与质量，并对环境的不利影响降到了最小程度。之后，结合体外预应力技术和先进架桥设备的标准化节段预制、拼装施工方法在全世界得到了发展。下面将主要介绍节段式体外预应力混凝土梁整体、节段和接缝等的构造方法，以及节段等主要钢筋的构造要点 1。1 节段式体外预应力混凝土梁的整体构造1.1 节段划分与组合为了满足标准化设计与施工要求，预制节段式体外预应力混凝土梁尤其是连续梁，可将其划分为标准节段、转向节段、锚固节段及墩顶节段等（图1），通过改变各类节段的数量形成不同的跨径。在无特殊要求的情况下同类节段尺寸一致，跨径零数通过墩顶段或其它特殊段调整。节段的长度主要取决于节段重量及运输尺寸的限制条件。标准节段的长度一般为2.5m3.5m；转向与锚固节段根据重量等限制条件调整其长度。图1 箱梁预制节段划分与组合示意1.2 曲线段梁的节段构造为进行标准化的节段预制施工，当梁位于道路平曲线加宽段时，可根据平曲线半径的大小采用内侧或两侧加宽悬臂板（图2）。悬臂板底面做成折线形，加宽的等厚度段现浇施工。 图2 箱梁悬臂板内侧与两侧加宽示意 图3 箱梁节段超高横坡调整示意当梁位于小半径平曲线超高段时，从节段预制便利和利于受力考虑，可采用梁体整体转动的方法调整桥面横坡（图3）。图4 平曲线段预制节段划分示意图5 竖曲线段预制节段划分示意位于道路平曲线段内的梁，为便于节段预制定位和几何线形控制，宜用节段的设计长度割线划分梁的平面轴线，将割线作为轴线形成平面折线形的节段式梁，并使各节段一端的接缝与割线轴线垂直（图4）。位于道路竖曲线段内的梁，则可用节段的设计长度割线划分梁的立面轴线，将割线作为轴线形成立面折线形的节段式梁，并使各节段一端的接缝与割线轴线垂直（图5）。位于道路组合曲线段内的梁，可综合采用上述方法，保证节段一端的接缝（结合面）与折线形轴线垂直，以及保证梁顶面接缝处的横坡与设计值一致。因道路超高变化的影响，预制节段各板表面均为双曲面。因此，设计时应要求节段预制避免采用抗扭刚度大的模板，以便通过适当扭转形成所需的双曲面。2 接缝与剪力键构造2.1 接缝的类型节段式体外预应力混凝土梁的接缝，应设置密接匹配的复合剪力键。体内外组合预应力、循环冻融及采用化学消冰的节段式梁，应采用环氧树脂胶结接缝；全体外预应力、不发生循环冻融和不用化学消冰的节段式梁，可采用表面不涂任何封闭粘结剂的干接缝。用于预制节段拼装调整和合拢而设置的小宽度现浇缝（湿接缝），端面应设剪力键或仔细凿毛露出粗骨料。2.2 剪力键的构造节段接缝应设置如下几种剪力键（图6）：图6 节段剪力键（键槽）布置示意图7 剪力键形状及传力示意（1）腹板内剪力键，由多个矩形键块（槽）组成，主要承受与传递接缝截面在正常受力情况下的剪力；（2）顶板内剪力键，由多个长条形键块（槽）组成，主要用于传递接缝位置桥面车辆荷载引起的剪力，协助节段拼装镶嵌对接定位；（3）底板内剪力键，由多个长条形键块（槽）组成，主要用于协助节段拼装时的镶嵌对接定位；（4）腹板与顶板和底板结合区，若无体内预应力筋通过也应设置剪力键，尤其在梁跨中区段的腹板与顶板结合区、连续梁近中墩旁区段的腹板与底板结合区，其主要用于因超载等原因造成接缝开展后的剪力传递。为便于节段密接匹配预制时脱模、拼装时镶嵌对接及挤出多余的环氧胶体（胶接缝），剪力键应构造成凹凸密接的棱台状。如有需要键槽可设置出胶槽配合胶体挤出（图6）。键槽与键块上、下侧面的倾斜角应接近45，以便在重力及胶体固化前润滑作用下，键块（槽）将所受剪力传递至节段端面的受力钢筋（图7）。为了美观，胶接缝剪力键的选位和胶体挤出方式如下（图6）：腹板内的剪力键宜靠箱内侧边设置，胶体从腹板内侧挤出；顶板和底板内的剪力键应设在板厚的中间，胶体从板顶面由出胶槽挤出；其它位置的剪力键均在箱梁内侧上表面的出胶槽挤出胶体。采用干接缝时，腹板内的剪力键可设在板的中部，其它剪力键布置方法同胶接缝（图6）。胶接缝拼接后接缝截面应保持约0.3MP的临时压应力，直至环氧树脂胶体固化。图8 剪力键构造尺寸示意2.3 剪力键的尺寸剪力键的尺寸应满足如下规定：（1）腹板内的剪力键应尽量在腹板全高度布置，布置范围一般为梁高的75（图8）；剪力键的横向宽度一般为腹板宽度的75；（2）键块（槽）应采用梯形（倾角接近45，见图7）或圆角梯形截面，高度应大于混凝土最大骨料粒径的2倍及不小于35mm；顶、底板及腹板内键块（槽）的高度与其平均宽度比取为1：2（图8d）；（3）位于腹板与顶、底板结合区的键块（槽）的尺寸，可根据该处实际尺寸选定。小宽度现浇缝（湿接缝）可不设纵向普通钢筋，在满足体内预应力管道连接和混凝土浇筑振捣要求的情况下接缝的宽度应尽量小。3 节段加强钢筋构造图9 跨中区段接缝两侧顶板、顶板与腹板结合区的加强钢筋示意为避免接缝开展后顶板和顶、腹板结合处混凝土局部压碎，帮助顶、腹板结合区混凝土截面传递剪力，并提供必要的延性，节段式梁跨中区段接缝两侧顶板内应设置固定于顶板上、下层纵向分布钢筋的竖向扣筋（图9）；接缝两侧顶板与腹板结合区内应设置固定于腹板箍筋的封闭箍筋。类似地，节段式连续梁靠近中墩的区段，接缝两侧底板内应设置固定于底板上、下层纵向分布钢筋的竖向扣筋（图10）；接缝两侧底板与腹板结合区内应设置固定于腹板箍筋的封闭箍筋。图10 墩旁接缝两侧底板、底板与腹板结合区的加强钢筋示意墩顶节段的接缝旁应设置竖向提拉钢筋或预应力筋，并保证其两端锚固可靠，以满足接缝开展后承受剪力引起的下拉作用（图11）。节段式梁剪力较大及剪弯共同作用区段，节段接缝边的竖向钢筋（箍筋）应予加强，并保证其两端锚固可靠（图12）；同时节段底部（或顶部）的纵向普通钢筋也应与接缝边的竖向钢筋连接良好。 图11 墩顶节段接缝旁的加强钢筋示意 图12 节段接缝边的加强钢筋示意 图13 转向构造示意a）块式；b）底横肋式；c）带竖肋块式；d）竖横肋式4 转向（定位）及锚固构造4.1 转向（定位）构造要点体外预应力钢束的转向构造，可根据其受力要求按如下种类选取：（1）块式转向构造（图13a），用于转向钢束数量较少的情况，或用于两个转向构造之间钢束的定位（以限制二次效应）；（2）底横肋式转向构造（图13b），用于横向转向力较大的情况，或用于两个转向构造之间钢束的定位；（3）带竖肋块式转向构造（图13c），用于竖向转向力较大的情况；（4）竖横肋式转向构造（图13d），用于竖、横向转向力较大的情况。转向构造的尺寸与钢束布置方式、转向器的尺寸有关。图14 块式转向构造配筋示意图15 锚固构造示意为了减小体外预应力二次效应，应对钢束设置定位构造（如块式和底横肋式）。在考虑构造标准化的情况下，定位构造之间或定位与转向构造之间的距离，一般可取为两个或三个节段的长度，并注意设置在梁体挠度最大的位置。块式转向构造内应设有两种钢筋，即围住单个转向器的内环筋，沿转向块周边围住所有转向器的外封闭箍筋（图14）。4.2 锚固构造要点体外预应力钢束应主要锚固在横梁上（图15a），需要时个别可锚固在腹板与底板或顶板内角处的凸块上（图15b），极个别可锚固在顶板或底板中部的凸块上。体外预应力钢束进入锚固构造后宜适当转向，以避免钢束拉力波动直接传至锚具夹片，并使张拉端处于施工便利的方位。锚固横梁的厚度可由锚具布置深度和钢束转向所需长度决定，一般情况下锚固横梁的厚度不小于1000mm。锚固横梁的平面尺寸应由锚具布置尺寸、张拉空间尺寸等要求选定。图16 锚固横梁整体受力钢筋布置示意锚固凸块内钢束不转向时，凸块长度可按锚固力传递至箱梁板壁所需长度取值；钢束在凸块内转向时，其长度由锚具布置深度和钢束转向所需