[硕士]大跨度连续刚构桥体内外混合配索研究.doc

分类号 单位代码 密 级 学 号 硕 士 学 位 论 文论文题目： 大跨度连续刚构桥体内外混合配索研究 Research of the Internal and External Prestressed in Large Span Continuous Ridge Frame Bridge 研究生姓名： 导师姓名、职称： 教授 副教授 申请学位门类： 工 学 专 业 名 称： 桥梁与隧道工程论文答辩日期： 2008年 4 月 10 日学位授予单位： 答辩委员会主席：评阅人： 2008年 4 月 ABSTRACT II摘 要随着科学技术和交通事业的发展，预应力混凝土连续刚构桥以其施工简便、造价经济、受力合理、行车舒适等独特优势在近年来得到了迅速崛起。然而，随着这种桥梁大量使用后，很多现役的此类桥梁出现了腹板开裂和跨中下挠过大的问题，已直接威胁着连续刚构桥的正常使用。在大跨度连续刚构桥中尝试采用体内外混合配索，充分利用体外索可更换和补张拉等优点，以求解决或减轻目前连续刚构桥所出现的问题。本文以某某大桥为工程背景，在大跨度连续刚构桥中开展体内外混合配索研究。在充分总结体外预应力桥计算理论的基础上，分别对背景工程中的左右两幅桥开展体内配索与体内外混合配索对比设计；并通过对体内预应力桥和体内外混合配索桥的有限元对比分析，总结出两种不同配索体系桥的不同受力特点，得出设计成果满足有关规范要求。随后对体内外混合配索在控制斜裂缝的开展、抑制跨中下挠和经济性三方面的特点进行了探讨。同时，通过体外预应力在本工程中的实施，总结出体外预应力的施工工艺，以及施工中的其它关键技术。本论文的相关研究成果不仅直接支持和指导了依托工程的设计和施工，同时也为体外预应力技术在我国桥梁中的应用提供理论参考与实践。关键词：连续刚构桥；体内外混合配索；结构特性；施工工艺ABSTRACTAlong with Scientific technology and the development of transport, prestressed concrete continuous rigid frame bridge with its construction is simple, cost economy, reasonable force, comfortable journey to our unique advantages in recent years have been rapidly rising. However, with extensive use of this bridge, many of large span continuous ridge frame bridge widespread produce cracks in the webs and deflections in the middle of span.This have threated to the continuous rigid frame bridge normal use. The large span continuous rigid frame bridge is designed with a new prestressed systemthe internal and external prestressed technique.Make full use of the advantages of external cable can be replaced and repeat Tension, in order to solve or alleviate the current problems.This paper regard the Chong Qing Xitan Qijiang bridge as an example, Research of the internal and external prestressed technique in the large span continuous ridge frame bridge. On the basis of aggregating calculation theory fully, comparedly designing two bridges in background works Project.One is designed with internal and external prestressing, whereas the other is internal. Through comparison analysising, the characteristics of this two bridges are gained. Moreover, the design results meet the requirements of relevant specifications. From controlling ramp cracks, repressing deflections in the middle of span and economy, the advantages of the internal and external prestressed technique has been discussed. At the same time, through implementing external prestressed in this project, the technology and other key points in external prestressed bridge construction have been summed up.In this paper, the relevant research results not only support the design and construction of this background projects directly, but also give a good reference and guide on Building external prestressed bridge in China.KEY WORDS: Continuous ridge frame bridge; The internal and external prestressed technique; Structural characteristics; Construction technology 目 录 II目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1连续刚构桥的历史与发展概况11.2连续刚构桥目前存在的主要问题31.3体外预应力技术在桥梁结构中应用41.3.1体外预应力桥的发展51.3.2体外预应力桥梁的类型61.3.3体外预应力配筋桥梁的优缺点71.4本文的研究目的和主要内容8第二章 体外预应力桥计算理论102.1体外预应力技术的研究现状102.2体外预应力体系的受力特点112.2.1体外预应力体系的整体受力特点112.2.2体外预应力体系生命周期内各阶段的计算特点132.3体外索的张拉控制应力与预应力损失142.3.1张拉控制应力142.3.2预应力损失计算152.4体外预应力桥极限状态计算172.4.1施工阶段及正常使用阶段计算172.4.2承载能力极限状态计算182.5体外预应力梁有限元计算模型202.6小结21第三章 体内外混合配索方案设计及计算223.1背景工程概况223.1.1主桥上部223.3.2主桥下部233.2连续刚构桥配索的发展233.3实例工程配索方案对比设计253.3.1对比设计方案的制定253.3.2左幅桥全体内配索方案263.3.3右幅桥体内外混合配索方案273.4实例工程结构计算分析313.4.1有限元模型的建立313.4.2计算结果及分析343.5小结42第四章 体内外混合配索的特点434.1对腹板斜裂缝的控制434.1.1斜裂缝的危害及产生原因434.1.2竖向预应力的现场测试分析454.1.3腹板开裂的参数敏感性分析484.1.4体内外混合配索对控制斜裂缝的优势524.2对跨中下挠的抑制544.2.1跨中下挠的危害及原因544.2.2跨中下挠的参数敏感性分析564.2.3体内外混合配索对抑制跨中下挠的优势594.3经济性比较604.4小结60第五章 体外预应力在某大桥中的应用615.1特殊构造设计615.1.1端横梁设计615.1.2转向块设计615.1.3墩顶零号块设计645.2体外预应力体系的组成645.3体外预应力的施工工艺665.4右幅桥体外预应力施工经验总结695.4.1悬臂施工中挂篮的改进695.4.2零号块中体外预应力部分的施工705.4.3体外预应力转向块施工715.4.3体外索混凝土进出口部位的处理725.5小结72第六章 结论与展望74致 谢76参考文献77在学期间发表的论著及取得的科研成果79 第一章 绪论 10第一章 绪论1.1连续刚构桥的历史与发展概况预应力混凝土连续刚构桥是在预应力混凝土连续梁和T型刚构的基础上发展起来的墩梁固结的一种新型连续梁结构，它同时继承了T型刚构和连续梁的优点，其特点是梁体连续、墩梁固结和双薄壁桥墩。其梁体连续、墩梁固结的结构形式既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点，又保持了T型刚构不设支座、不需体系转换，方便施工的优点。墩身将较大的抗弯刚度和较小的抗推刚度结为一体，利用薄壁高墩大的抗弯刚度保持桥面的平整，利用其小的抗推刚度来适应桥梁的水平变位，并且由于双墩的“削峰”作用可以减少墩顶负弯矩峰值，从而有效地改善了结构的受力状况，更适合建造大跨度的桥梁。另外，双薄壁墩的柔性对桥梁承受温度变形、减小桥墩及基础工程的材料用量、削减墩顶负弯矩及增加施工稳定性都有一定的益处。伴随着预应力混凝土梁桥悬臂施工方法的发展，大跨度连续刚构桥多采用悬臂施工，省料、省工、省时，使得该结构的应用范围得到迅猛的发展。从60年代后期开始，连续刚构体系桥梁得到了迅速的发展。国外修建大跨连续刚构桥的历史相对稍早一些。1982年，美国的修斯敦(Houston)运河桥跨径为114+228.6+114m，主梁为双室箱型断面，刚性桥墩，算跨径较大时间较早的一座。1985年，澳大利亚建成的门道桥(Gateway)，跨径为145+260+145m，采用了双薄壁柔性墩、单室箱型主梁和50#高强混凝土，该桥保持世界第一达12年之久，是一座里程碑式的建筑。从此，连续刚构桥得到了蓬勃发展，如澳大利亚的Mooney桥(130+220+130m)、英国Orwell桥(主跨190m)，挪威利用轻质高强混凝土修建了Raft Sundet桥(86+202+298+125m)，和当时跨径居世界首位的Stolmasundet桥(主跨302m)，不断将连续刚构桥的发展推向高潮。在国内12，1988年建成了我国第一座预应力混凝土连续刚构桥广东洛溪大桥，主桥4跨相连(65+125+180+110m)，全长480m，主跨长180m，主梁为单室箱型，梁高3.0l0.0m。桥墩为双肢薄壁柔性墩，墩高29m。该桥的设计、施工技术水平均已跨入世界先进行列。进入九十年代，我国相继修建了几座大跨径的连续刚构桥，如1995年建成的黄石长江大桥(162.5+3245+162.5m，连续长度居世界首位)，1997年建成的虎门大桥辅航道桥(150+270+150m，97年位居世界首位)，最近建成的某市石板坡长江大桥复线桥(86.5+4138+330+132.5m，330主跨主梁采用钢混凝土组合结构)，不断地把连续刚构桥推向新的高度。据不完全统计，到2005年为止我国就修建了18座主跨超过200m的连续刚构桥，随着施工技术和机具设备的不断改进、更新，连续刚构桥已经成为预应力混凝土梁桥的主要桥型之一。表1.1和表1.2分别列出了国外主跨超过200m和国内主跨超过240m的PC连续刚构桥。表1.1 国外现有大跨径混凝土连续刚构桥L200m序 号桥 名国 家建 成 年 份跨 径1Stolmasundet挪威19983012Raft Sundet挪威199986+302+296+1253Gateway澳大利亚1985145+260+1454Varodd挪威19942605Doutor葡萄牙19902506Skye英国19952507Schortwien奥地利19892508Pontede Chevire法国19902429Koror Babelthuap帕拉奥岛1977240.810Houston运河桥美国1982114+228.6+11411Mooney澳大利亚1985130+220+13012Shubenacadie Rirer加拿大1979213.4表1.2 国内现有大跨径混凝土连续刚构桥L240m序 号桥 名建 成 年 份跨 径1某石板坡复线桥200686.5+4138+330+132.52虎门大辅航道桥桥1997150+270+1503云南元江大桥200358+182+265+194+704福建下白石大桥2003145+260+260+1455某嘉华大桥2007138+252+1386某黄花园大桥1999137+3250+1377马鞍石嘉陵江大桥1999146+3250+1468黄石长江大桥1995162.5+3245+162.59泸州长江二桥2001140+240+55.510江津长江大桥1997140+240+14011某高家花园嘉陵江大桥1997140+240+14012某龙溪河大桥2000140+240+140随着建桥技术的不断进步，预应力混凝土连续刚构桥将向着以下趋势发展3：(1)跨径可进一步增大。目前，修建连续刚构桥的热潮仍在继续中。可以预计，在不久的将来，跨径300m以上的连续刚构桥将更多的在中国出现。(2)上部构造不断轻型化。桥梁结构的轻型化，可以减少上下部构造的自重和材料用量，从而减轻对挂篮的要求，降低经济造价。由于采用大吨位锚具、高强混凝土和轻质混凝土,上部构造不断轻型化，这也是连续刚构桥的发展方向。(3)为适应桥址处的地形特点，下部结构将更加轻型化和多样化。(4)取消边跨合拢的落地支架，采用合适的边、主跨比,在导梁上合拢边跨,或与引桥的悬臂相连接来实现合拢。在高墩的场合下，取消落地支架有一定的经济效益，方便了施工。(5)预应力束的类型和布置方式不断简化，大吨位锚固张拉系统，更多样化的预应力束以及更完善的布置方式将会越来越多地在连续刚构桥中得到应用。1.2连续刚构桥目前存在的主要问题预应力混凝土连续刚构桥虽因其卓越的优点越来越受到设计人员的青眛，有着广阔的应用前景。但是目前一些预应力混凝土连续刚构桥，特别是大跨径预应力混凝土连续刚构桥出现了不同程度的病害，主要集中在以下两个方面：一是主梁的跨中持续下挠问题；二是箱梁的裂缝问题，其中裂缝问题又主要集中在箱梁腹板斜裂缝上，同时也伴随顶底板的纵、横向裂缝。列举一些典型病害如下：三门峡黄河公路大桥主桥4跨径组成为105+4160+105m，是国道209线上一座特大型桥梁，位于河南省三门峡市与山西省平陆县交界处，是沟通河南省与山西省的交通要塞。该桥从1993年通车至今，一直处于繁忙的运营状态，不仅车流量大，车辆载重量也很大，且常常有超载、重载车辆通过。在1999年9月对该桥进行了全面的外观检查，结果发现箱梁腹板出现了很多斜裂缝。这些斜裂缝虽然发育长度从20cm165cm不等，但走向大致相同，均为倾向支点；角度也大致相同，为450左右；宽度均小于0.2mm。2002年六月又对其检查发现，跨中下挠最大达22cm。广东南海金沙大桥主桥5为66m+120m+66m预应力混凝上连续刚构，使用不满8年便由于交通量过大和超载等原因而使中跨梁体产生下挠，箱梁腹板出现大量斜裂缝。此桥于1994年建成通车，通车时桥梁外观检查结果良好，桥标高控制精确，桥梁结构的静动载试验结果也反映该桥处于正常状态。桥梁建成后，桥上交通量迅速增长，在1999年10月发现主跨跨中区域出现明显下挠，2000年年底检查发现跨中挠度己达到22cm左右。主跨箱梁腹板有大量的斜裂缝最大裂缝宽度为1.15mm。1995年建成的黄石长江大桥6，跨径布置为162.5+3245+162.5m，主墩采用钢筋混凝土双薄壁墩，单壁宽10m，厚3m。箱梁截面为单箱单室截面，三向预应力混凝土结构，在墩顶设有横隔板。箱梁顶面宽19.6m，底面宽10.0m，薄壁墩处梁高13.0m。合龙段梁高4.1m，箱梁底面曲线为二次抛物线。大桥经过近7年的运营后，出现了较为严重的病害。而且病害仍在发展，经检测病害主要表现为：(1)主梁下挠：根据对大桥垂直位移观测结果。大桥各跨跨中均有明显下挠，与成桥时相比。大桥北岸次边跨2#3#墩之间主梁跨中下挠累计30.5cm。中跨3#4#墩之间主梁跨中下挠已达21.2cm，南岸次边跨4#5#墩之间主梁跨中下挠已达226cm。(2)箱梁裂缝通过对箱梁的详细检查，共发现裂缝6638条。其中5328条分布在箱梁腹板内表面上(上游腹板2200条。下游腹板3128条)；1073条分布在箱梁腹板外表面上(上游腹板272条，下游腹板801条)；237条分布在箱梁底板上。箱梁开裂主要表现在个方面：一是跨中段一定范围内腹板的斜向开裂；二是箱梁底板下表面的横向裂缝和腹板的竖向裂缝；三是墩顶横隔板的横向和竖向裂缝。主跨为270米的虎门辅航道连续刚构桥7，跨径布置为150+270+150，建成6年后，2003年左幅桥跨中已下挠达22.2cm，右幅桥跨中累计下挠达20.7cm，远超过了原来设计预留的10cm徐变预拱度。根据裂缝调查资料，可以发现箱梁出现了两种裂缝：(1)箱梁腹板斜裂缝；(2)跨中附近弯曲横向受力裂缝。斜裂缝主要出现在箱梁的边孔现浇段、L/4截面附近或梁腹厚度变化区段。混凝土连续箱梁在L/4截面附近梁腹板表面出现的与顶板大致呈200600夹角的斜向裂缝，方向基本与主拉应力方向垂直。裂缝在结构上呈现一定的对称性，主桥箱梁腹板的斜向裂缝基本上属于主拉应力裂缝；跨中附近弯曲横向部位在距跨中左右约20米的范围内底板上。1997年建成的某江津长江大桥，在通车不到3年的时间里跨中下挠已达17cm，到目前下挠仍不稳定，累积下挠达25cm。同时在1/4L3/8L跨之间出现腹板斜裂缝。大跨径PC连续刚构桥梁大都是在近十几年才建成并投入使用，但是在这短短的十几年时间里，很多现役的此类桥梁所出现的裂缝开展过多（特别是腹板斜裂缝的开展）和跨中下挠等问题，降低了桥梁的实际承载能力和使用寿命，已直接威胁着连续刚构桥的正常使用。所以跨中下挠和裂缝开展过多已成为当前制约大跨径连续刚构桥发展的一个急待解决的问题。随着体外预应力技术的发展，在大跨度连续刚构桥中尝试采用体内外混合配索，充分利用体外索可更换和补张拉等优点，以求解决或减轻目前连续刚构桥所出现的问题。1.3体外预应力技术在桥梁结构中应用体外预应力是后张预应力结构体系的重要分支之一。国际预应力协会(FIP)于1996年将体外预应力定义为预应力索布置在混凝土截面之外的预应力。体外预应力桥梁则是指将预应力筋设置在梁体混凝土截面外部，力筋束和混凝土之间的荷载传递是通过端部锚具和转向块进行的一种桥梁结构。1.3.1体外预应力桥的发展体外预应力结构的概念及方法产生于法国，由Eugene Freyssinet完成了体外预应力的首次应用。1934年，的德国人Franz Dischinger获得体外无粘结预应力的专利。从20世纪30年代起，体外预应力的发展经历了兴衰交替的几个阶段，在发展早期的主要工程有89：1928年在德国建成的Sal Ansieben桥是世界上第一座体外预应力混凝土桥梁，主跨68m。1936年由F. Dischinger设计，建于德国Aue的公路桥是一座体外预应力混凝土悬臂梁桥，跨径布置为25.2+69+23.4m，预应力钢材采用极限强度为500Mpa的高强粗钢筋。这座桥在1962年和1983年进行了两次维修和预应力筋的重新张拉后，使用至今。19501952年，法国的Henry Lossier设计了Villeneuve-Saint-Georges桥； Coigent设计了Vaux-Sur-Seine、Pont a Binson和Can Bia桥。上述早期体外预应力的工程应用中，由于体外筋的防腐没有完全解决腐蚀和氢脆是困扰工程界的两大难题，而目在构造方而也存在一些缺陷，所以尽管体外预应力结构得到初期的短暂的发展，但很快又几乎被工程界遗忘，体外预应力结构在6070年代基本上处于停滞阶段。当时的后张灌浆体系一度被工程界所推崇，然而事实证明压浆并不能保证预应力筋的防腐，而目带来了不易检查的隐患(1986年英国威尔士一座后张压浆桥梁发生事故10)，最后首先被英国运输部禁止。而后随着体外筋防腐技术的成熟，体外预应力技术再次受到青睐。体外预应力的大发展始于70年代末期。从桥梁的补强加固开始推广，欧洲各国相继发现用体内布筋方式建造的预应力混凝土桥梁，由于对摩擦造成的钢束预应力损失及混凝土徐变、温度影响估计不足，桥梁破损严重，致使多数需要补强，而这时又多采用了体外力筋补强技术。进而体外预应力技术在新建桥梁中也开始使用，以1979年E.C.Figg和Jean Muller设计建造的Long Key桥为标志，体外预应力技术又再度兴起1112。80年代以来，体外预应力技术在法国和美国的努力下得到了较大的发展，建造了以Long Key桥为代表的一系列体外预应力桥梁1314。在法国几乎所有新建的大型桥梁都是采用体外预应力，自1982年以来，已先后建成50座以上的体外预应力桥梁，并且法国建设部高速道路局规划新建的桥梁中体外预应力桥梁占了一半；在美国，体外预应力技术主要用于逐跨施工的多跨长桥，是唯一与AASHTO标准梁或基于这些标准梁的预应力混凝土叠合梁相抗衡的结构形式，根本原因在于其经济性；在日木，采用体外预应力索修建的PC桥正迅速增加，如有名的3座坦拉式体外预应力结构桥梁：小田原项桥、冲原桥、蟹泽大桥；在香港、汉城、曼谷、墨西哥城等大城市的高架道路和轻轨交通干道均已大量使用体外预应力结构；在德国、比利时、印度、委内瑞拉等国家也对体外预应力结构也均进行了系统研究并且应用于各种结构类型的桥梁。在我国，体外预应力技术的发展相对较晚，其推广到80年代才开始，至今尚未广泛应用。目前国内对体外预应力技术的使用主要停留在对既有桥的加固上。对连续梁桥采用体外预应力加固技术主要是在箱梁体内(上缘、侧面、下缘)布设一定数量的体外预应力筋束，用以补偿体内预应力的不足，达到控制裂缝扩展和产生，提高连续梁的整体刚度和强度。如1995年加固完成的厦门324国道坂头大桥就是采用体外预应力加固的四跨连续梁桥。还有上海的曹安路8号、12号、14号桥及吉林青山桥、浙江奉化桥、广东大沙桥等均应用了该技术进行加固，效果可靠，具有明显的社会经济效益。特别是近几年来，体外预应力技术不断应用在我国的几座病害大跨度连续刚构桥的加固工程中，有效的抑制了连续刚构桥跨中的下挠和裂缝的开展。其中，具有代表性的工程是2003加固完成的三门峡黄河公路大桥15。利用布置在相应位置的12束27j15.24体外束，使得中跨桥面最大上拱约2. 8cm，边跨桥面最大上拱约1.3cm，适当改善了主桥的桥面线形，缓和了主梁明显的下挠现象；同时增加了主梁的应力储备，有效减小了主拉应力，确保了桥梁的使用安全，加固效果良好。在新建桥梁中，代表性的建筑物有福州洪塘540m多跨连续箱梁桥，采用了与Long Key桥相似的体外预应力结构。该桥是我国首次采用无粘结预应力连续梁桥。1995年采用体外预应力建成汕头海湾大桥，该桥为三跨简支预应力混凝土加筋箱梁悬索桥，其预应力混凝土加劲梁纵向预应力筋即是体外无粘结钢绞线束组成16。2001年建成通车的沪杭高速公路的长洪里立交桥，是一座三跨连续箱梁桥(35+44+35m)，采用整体现浇，体内有粘结和体外无粘结相结合。2003年，北京四丰立交桥1号、2号匝道桥采用了体外预应力预制节段拼装混凝土箱梁桥17。由此可见，体外预应力技术在我国也是应用在一些中小跨径的桥上。有理由相信，随着体外预应力技术的发展及对体外预应力技术认识的加深，体外预应力技术在我国木土工程中必将得到更为广阔的应用。1.3.2体外预应力桥梁的类型体外预应力结构从20实际30年代发展至今，其结构体系一直在不断地创新和改进。自Long Key桥建成以来，以法国和美国为受的各国工程师对体外预应力进行了丰富多彩的应用，主要可归纳为以下四种类型18：(1)逐跨预制节段施工的长桥。其突出优势在于设计施工标准化、施工速度快，是进20年来国际上最广泛采用的体外预应力桥梁形式，在国外城市的高架道路和轻轨干线建设中大量采用。该类型以Long Key桥为代表，体外预应力束采用与体内预应力同样的普通多股钢绞线和锚具，同样采用水泥灌浆，因而预应力成本低。这种体外预应力结构通常在预制节段间采用干接缝和复式剪力键，当整跨所有的预制节段在支撑结构上安装就位后，施加体外预应力，形成一跨的整体结构。(2)当采用悬臂施工或顶推施工的预应力混凝土连续梁或连续刚构桥，通常采用体内、体外混合配束。该形式中用体外预应力索替代原本配置在腹板内的大量预应力筋，简化了腹板构造，降低了其厚度。采用悬臂施工时，悬臂束为直线的体内预应力，成桥后张拉的连续束采用大吨位体外预应力，从而免除了大量的穿束和灌浆工艺，易于控制施工质量。(3)第三种是第二种类型的衍生物，特点是将混凝土箱梁腹板改成混凝土桁架或钢结构。该类型往往集创新性的结构构思与美观的外表与一体，成为体外预应力结构的代表作。(4)第四种称为坦拉式体外预应力结构，它把过去那种预应力筋的偏心矩被控制在主梁的有效高度之内的体外筋，放在了梁的有效高度之上。因此它具有梁式和斜拉桥的双重特性，可看作介于预应力混凝土箱形梁桥到预应力混凝土斜拉桥之间的结构体系，它采用了部分索结构帮助主梁承担竖向荷载，从而达到了降低梁高的目的。1.3.3体外预应力配筋桥梁的优缺点结构的优缺点是选用结构的主要依据，也是一种结构能否发展的主要原因，二十世纪80年代以后，力筋的各种防腐措施渐趋完善，力筋的严密防腐已不十分困难，结构的安全和耐久性得到保证，而体外力筋的易于检查，便于更换，利于施工等优点显得突出而成为它后期发展的有利因素。与体内配筋的预应力桥梁相比，体外配筋的预应力桥梁有下列主要优点19：(1)可以减小构件的截面尺寸，减轻构件的自重，以节约材料，增大跨越能力。由于预应力钢索及其管道全部布置在构件体外，可以使构件腹板的尺寸减小，混凝土的用量减小，构件的自重减轻。既可节约材料，又增大了结构跨越能力。(2)可以提高构件的质量。体内配筋的预应力桥梁，由于钢索及其管道，再加之必要的普通钢筋，梁体内钢筋十分拥挤，影响了混凝土的灌注质量。即使采用强力振捣，也难免产生缺陷；而预应力索布置在体外，大大地改善了构件混凝土的灌注条件。同时体内配筋的力筋管道也需压浆，其质量好坏也不易控制和检查，压浆质量的好坏直接影响力筋的耐久性。(3)体外索的更换和维修比较容易。桥梁结构使用时间较久，钢束受到腐蚀或由于预应力张拉不足，或由于其他原因必须更换钢束时，或进行再张拉时，体内配置的钢束是难以实现的，而体外配索比较容易。(4)预应力钢索线型可以设计的更为理想，使受力更趋合理。由于钢索布置在体外，要求的线型轮廓更加方便，也便于调整。同时由于减少了管道偏差和摩阻损失，提高了预应力效果。(5)由于体外预应力筋的变形与混凝土截面不协调，力筋的应力沿长度方向分布均匀，变化幅度小，由于应力引起的疲劳影响小。(6)节约材料和劳动力，梁体无需制孔和压浆等工序，施工方便，可以加快施工进度，其综合经济效益较好。(7)体外预应力技术可用于加固，以提高构件的抗弯甚至抗剪能力，是一种主动加固方式。事物总是一分为二的，体外预应力也存在一些问题，主要有18：(1)体外预应力筋无混凝土保护易遭火灾，并要限制自由长度以控制振动。(2)转向和锚固装置因承受着巨大的纵、横向力而特别笨重(3)对于体外预应力结构，锚固失效则意味着预应力的丧失，所以锚具防腐要求高。(4)承载极限状态下体外预应力结构的抗弯能力小于有粘结和无粘结预应力结构，在开裂荷载和极限荷载的作用下，应力不能仅按最不利截面来估算。(5)体外预应力结构在极限状态下可能因延性不足而产生没有预兆的失效。但是随着结构形式、预应力材料和设备的不断发展，体外预应力技术将体现更大的优越，缺陷也将逐渐得以克服。1.4本文的研究目的和主要内容大跨度预应力混凝土连续刚构桥目前所普遍出现的跨中持续下挠和裂缝开展过多的病害，究其原因大部分是由于竖向预应力筋失效，预应力施工技术还不完善造成纵向预应力损失过大，导致应力过大，裂缝急剧增加，主梁跨中的下挠。同时，目前对混凝土的收缩徐变理论还未完全摸清，混凝土收缩徐变的作用进一部加剧了连续刚构桥的跨中下挠。借助体外预应力技术在病害连续刚构桥加固和在新建桥梁应用中的成功经验，考虑在新建的大跨度连续刚构桥中尝试体内外混合配索方式，充分利用体外索可更换和补张拉等优点，有望解决或者减轻目前连续刚构桥所出现的问题。所以开展对体内与体外混合配索连续刚构桥的研究，必将推动连续刚构桥在我国的发展，意义深远。同时，在大跨径连续刚构桥中采用体外预应力技术，结构的受力性能可能与体内预应力有所不同，开展对体外预应力连续刚构桥的设计研究，掌握体外预应力技术在大跨径桥梁中的使用特点和存在的问题，为我国体外预应力技术的推广积累经验。本文以某某大桥为工程背景，开展体内与体外混合配索方案的研究，开展的具体工作如下：(1)在阅读大量科技文献的基础上，总结出体外预应力技术的研究现状，分析体外预应力桥梁的受力特点和计算方法，为大跨度连续刚构桥体内外混合配索方案的设计提供理论基础。(2)依托某某大桥工程，分别对左右两幅桥进行体内和体内外混合配索方案的对比设计，并用专用桥梁结构分析软件Midas/Civil6.7.1进行有限元整体分析，验算大桥的极限承载能力和各阶段的应力变形是否满足要求。(3)结合目前常规体内配索的连续刚构桥出现的普遍病害，从控制斜裂缝的开展、抑制跨中下挠和经济性三方面对体内外混合配索的特点进行分析。(4)针对本桥体外预应力束可张拉和更换的要求，介绍了本桥体外预应力体系的组成及主要施工工艺；并从特殊构造设计和施工等其它方面，总结在大跨度连续刚构桥中体外预应力是如何实现的。 第二章 体外预应力桥计算理论 23第二章 体外预应力桥计算理论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，而体外预应力桥是将预应力筋布置于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、耐久性等诸多方面都具有其自身的特点。目前，各国对体内预应力的认识已比较充分，而对体外预应力的研究还不完善。只有在总结体外预应力技术的研究现状的基础上，充分了解体外预应力结构的受力特点及其它计算理论后，才能更好地进行连续刚构桥体内外混合配索中体外预应力部分的设计与计算。2.1体外预应力技术的研究现状体外预应力技术的研究在国外开展得比较早，欧洲、美国在体外预应力方面的研究相对较多，目前在欧洲已经制定了专门的体外预应力规范，日本也于1996年完成了体外索PC结构的设计施工指南。在我国由于体外预应力技术起步相对比较晚，所开展的研究工作相对也较少。世界各国对体外预应力的研究主要有如下几个方面：(1)体外力筋的振动；(2)材料的选择；(3)转向块和锚固的设计；(4)体外力筋的防腐；(5)体外力筋的应力增量；(6)体外预应力梁的承载力计算。体外预应力技术在结构加固的应用过程中，各国对前四个方面已进行了较为全面的研究，并取得了较大进展，在应用过程中基本不存在困难。而对预应力筋的应力增量，各国均提出不同的计算公式，但都是在各自不同的条件和环境下得出的。这些公式各有不同特点，对于不同情况，需要进一步研究。对体外预应力梁的极限承载力，各国的试验和实践结论是一致的，即体外预应力梁极限承载力较有粘结预应力低，这一点与无粘结预应力是相同的。主要原因是体外力筋在受载变形后全长或部分长度范围内应变相同，因而当梁发生弯曲破坏，截面受压区混凝土达到极限应变时，体外力筋极限应力低于有粘结情况。K.H. Tan和Naaman20于1993年对体外预应力简支梁的极限强度进行分析，提出了几种可能的破坏模式与相应的决定条件。同年，Mohamed H.Harajli21对体外预应力梁的抗弯强度和承载能力进行了试验，得出一般抗弯强度有所提高。1995年，Gonzaol Ramos和Angel C.Aparicio22利用数值模型分析了体外预应力混凝土桥。他们提出了可分析简支、连续、整体或节段式体外预应力混凝土梁桥的数值计算模型，并可分析在任何荷载水平下预应力筋的真实应力。结果表明，简支梁在极限状态下预应力增量不能忽略；另一方面，对连续桥梁，如果转向块是自由滑动的，在极限状态下，预应力筋的应力增量较小，可以忽略，如果转向块不滑动，预应力筋的应力增量达到208MPa。经过分析还表明，ACI规范给出的应力筋极限状态下的应力增量偏高。国内针对加固形式，对预应力增量的研究表明，一定范围内预应力筋的应力增长与荷载是直线关系且数值增长不大。当混凝土标号较高或预应力筋的内力相对较低时，正常使用的钢筋混凝土梁的配筋范围内，预应力加固截面破坏情况与适筋梁相同，并且提出一些计算体外预应力筋应力增量的公式。在对抗弯强度研究的基础上，提出了体外预应力抗弯强度的计算方法，如假设塑性区长度和塑性铰等，提出了影响预应力筋极限应力的因素，得出体外索加固梁的破坏状态与无粘结部分预应力混凝土相近。1992年铁道部牛斌等23进行了一批体外预应力混凝土梁的试验。利用试验结果，建立体外预应力混凝土梁全过程非线性分析的计算方法和相应的计算机程序。2000年，牛斌又利用试验结果假设体外预应力混凝土梁在破坏阶段时，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，据此建立相应的数学模型和计算方法，并进行了验证，计算结果与试验结果吻合良好。1999年，同济大学的徐栋、项海帆24等建立了能够对各种预应力混凝土结构进行全过程受力分析的通用计算模型，对影响体外预应力结构力学性能的主要因素进行了参数分析，包括整体施工或节段施工、体内配束或体外配束、钢束与结构有粘结或无粘结对结构力学性能的影响，并讨论了改善其极限荷载阶段力学性能的方法。2000年，又编制了适用于节段式体外预应力桥梁非线性分析的程序，可以进行节段施工的体外桥梁的极限承载力，并用试验进行了研究。2005年，西南交通大学的杨莉25等完成了四片体外预应力三跨连续梁的静载试验，对试验梁的裂缝行为、挠度变化、弯矩重分布以及连续梁的抗弯刚度进行了较为深入的研究，建立起了体外预应力筋应力增量与连续梁挠度有关的分析模型，提出了“三折线刚度折减，按弹性理论计算梁体挠度”的理论。2.2体外预应力体系的受力特点2.2.1体外预应力体系的整体受力特点体外预应力结构的设计与传统的体内预应力混凝土结构构件具有基本相同的共性，但由于体外预应力的作用，使其又具有特殊性。体外预应力混凝土结构与有粘结或缓粘结和无粘结预应力混凝土结构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。这主要体现在体外预应力结构的体外预应力筋应力增量和二次效应问题1826。1.体外预应力筋的应力增量体外预应力混凝土结构的预应力筋与混凝土不粘结在一起，只在锚固端和转向块的位置与混凝土相连，体外力筋的应力、应变与这些点的位置变化密切相关。在计算中，应变协调条件不再适用，单纯依靠截面特性不足以确定力筋应力；体外力筋的应力是取决于整个构件的受力特征，需要求得锚固端和转向块处的变形才能确定。体外力筋的变形是由两个锚固点间的变形累积而成的，如果忽略转向装置处的摩擦影响，那么力筋的应变在两相邻锚固点间是均匀的。如图2.1所示，跨中受集中荷载的预应力简支梁，当采用有粘结预应力的时候，在最大弯矩位置跨中截面处力筋产生最大应变；采用只在两端锚固的体外应力直线筋时，力筋应变只有有粘结预应力筋最大应变的一半（此处仅绘出了由外荷载引起的力筋应变，且未考虑偏心距损失的影响）。这样在通常设计中的控制截面破坏时，体外预应力筋的应力达不到设计强度。因此，体外预应力混凝土梁的抗弯极限承载力要比相应的有粘结预应力混凝土梁低。 a) 有粘结预应力 b)体外预应力图2.1 预应力筋应变分布对比2.二次效应当构件受荷载作用产生变形后，体外预应力筋在锚固端或转向块之间仍保持直线，因此构件的形心线与力筋之间的距离会变化，这种现象通常称为偏心矩损失或二次效应（图2.2）。二次效应突出体现了体外预应力结构与体内无粘结预应力结构的不同之处。图2.2 体外预应力梁中的二次效应二次效应的产生和结构变形密切相关，因此影响结构变形的诸多因素也就是二次效应的影响因素，主要包括：外荷载形式，混凝土梁体刚度，转向块的布置，体外预应力筋的线性、面积、张拉力、初始偏心距。研究表明，二次效应的存在会导致体外预应力梁抗弯能力的降低。沿梁跨方向合理设置转向块可以有效地减小二次效应，在构件产生最大变形的截面位置布置转向块可以同时提高使用阶段性能和极限抗弯承载力。2.2.2体外预应力体系生命周期内各阶段的计算特点体外预应力结构生命周期内各节段的计算特点有几下几点27：1.施工阶段预应力钢筋对梁的作用，可以用一组等效荷载来代替。这一点对所有预应力结构都适用，所以对于体外预应力桥梁结构，预应力钢筋引起的结构内力，可以用有粘结预应力结构的分析方法来计算分析。可以使用现有的计算程序进行施工阶段的受力分析，但计算时不考虑预应力钢筋与结构(梁)的组合截面，即不用截面换算，只使用净截面(扣除局部孔道，无孔道时采用毛截面)的几何特性。2.正常使用阶段在这一阶段，体外预应力混凝土梁与体内预应力混凝土梁两者受力性能相同。这是因为，在此阶段构件或未开裂或者即使在有限的截面开裂但构件仍然处于弹性工作状态，梁的挠度小，体外预应力筋的应力增幅很小。所以Vir logeux在对简支梁研究的基础上认为可以采用与传统体内预应力梁相同的设计规定，采用弹性分析方法设计。此外，由于预应力筋布置在截面之外即使混凝土开裂，由于体外预应力筋自身的防腐性能强，也不用像体内预应力结构担心预应力筋发生锈蚀。3.疲劳破坏极限阶段体外预应力混凝土桥梁中的疲劳问题主要是指由于承受车辆荷载等活载而产生的预应力筋的疲劳问题。由于体外预应力筋的应力变化由整个构件的变形决定，因此无论是否考虑预应力筋在转向块处的滑移，预应力筋在活载作用下的应力变幅比体内预应力筋要小许多，所以整体上可以认为体外预应力梁的疲劳效应要优于体内有、无粘结预应力梁。4.承载能力极限阶段这是体外预应力混凝土结构与体内预应力混凝土结构力学性能差异最大的阶段。在此阶段，梁体受拉区混凝土逐渐达到抗拉强度而在跨中和支座附近产生裂缝、整个梁受力状况进入弹塑性阶段。对于体内预应力混凝上结构，在开裂截面处的有粘结预应力筋一般能达到屈服强度，最后梁体因为压区混凝土达到极限强度而破坏。与此相对的是体外预应力筋在结构破坏后应力增幅要明显小于体内有粘结预应力筋，一般达不到屈服应力，加上二次效应的影响，体外预应力混凝土梁的承载能力通常要比同形式的体内预应力混凝土梁要小，这种差距有可能达到20%。由于体外