现代桥梁结构4-体外配筋的混凝土结构

1、体外配筋的混凝土结构n第一节 概述n一、发展概况n以前所介绍的预应力结构无论是有粘结配筋的或无粘结配筋的结构，其预应力钢索（力筋）都是配置在结构构件混凝土内部，又称之为“体内配筋的预应力结构”。这种配置形式是工程结构中主要的配筋方式。但随着预应力混凝土结构技术的发展，预应力的配筋方式也有新的变革，目前逐渐的采用体外配筋方式，即把预应力钢索不是布置在构件混凝土内部，而是把钢索（力筋）配置在构件混凝土的外部，故称之为“体外配筋的预应力结构”。体外配筋的混凝土结构n1928年德国 Saale 一 Brucke 桥，该桥中跨为 68m ；n1936年1937年西德的Aue桥，该桥桥跨为25.2+69.

2、0+23.4m;Rhede - Wieden桥，跨度为34.5m;n1939年Warthe - Brucke桥，该桥是中跨为80.5m 的大跨度桥梁，该桥因二次世界大战而中止修建。n1939年1943年 Klockestrand 桥（ 40.5m+71.5m+40.5m）。n4060年代由于外索的防腐问题，强调采用体内配筋的预应力结构，因此，在此期间体外配筋的预应力结构用的较少。n但在 50 年代以后法国仍修建了一些体外配筋的预应力桥，如 Villeneuve - saint - George桥，Arles - Sur - Trch的Can Bia 桥以及Marne河上的Binson港湾桥等。

3、n60年代以后随着斜拉桥技术的发展，使外露索的防腐（斜拉桥的拉索）及其他一系列技术问题得到了较好的解决。此外，发现采用体外预应力对于已建成的结构进行维修、补强、加固等是一种很好的方法，方便可行，成本低廉。施工期间不影响结构的正常使用，体外配筋的混凝土结构n1967年瑞士的钢析架结构的 Aarwangen 桥，就采用了外索的补强。n奥地利的 Wangauer Ache 桥，该桥长 384.5m(25+628+241.25+328+25m)，桥面宽13.05m，梁高2.20m的形梁，19621964年修建，因预应力不足，其后引起各种缺陷，屡次修补。后来用外索加固，其外索采用12根12.4mm钢索。

4、体外配筋的混凝土结构n美国的一个停车场，预应力混凝土梁的补强，该停车场为五层的预应力结构，19781979年建成，可容纳1000台车辆，梁跨为21m，梁高h914mm，梁距为5.8m，板厚为114mm的后张预应力板，由于板和屋面等产生产生裂缝，于1985年用6根13mm的钢绞线，布置在梁的两侧面进行加固，如图 13 一 1 所示。体外配筋的混凝土结构n70年代以后，体外索在桥梁的架设与悬臂分段施工方面得到应用。由于客观的需要和预应力技术的进步，所以体外配筋的预应力结构得到很大发展。n相继在美国、法国、英国、日本和科威特等国家建造了一些体外配筋的预应力混凝土桥梁。如美国佛罗里达群岛的Long -

5、key 桥和 Seven - Mile ，hannet - Five , Niles Channel 等桥。又如日本的樽见线第10尾川桥，该桥全长228m，是用顶推法施工的体外配筋的4跨连续箱形铁路桥梁。又如19871991年在墨西哥纽伏里翁州蒙梯雷市建成的轻轨铁路高架桥，全为预制节段混凝土块用外索拼起来的桥跨结构，平均跨度为27m，最大跨度为47m，桥全长18km，共有619跨，共计6500节段，在支撑排架上用体外索拼装。除桥梁结构之外，体外索也可用于其他工程结构中。体外配筋的混凝土结构n国内80年代后期才开始使用体外配筋的预应力桥梁，如福州洪塘大桥主跨为120m的下承式钢筋混凝土三角桁架T

6、构和滩孔为体外索的预应力连续箱梁结构。n1990年12月建成的丹阳云阳大桥，主跨为70m的系杆拱桥，其系杆和吊杆均采用体外力筋。n1995年建成的汕头海湾大桥（悬索桥）的预应力混凝土加劲梁的纵向力筋中底板索，采用单股带 HDPE 防护套管的镀锌钢绞线组成的束股作为体外力筋。体外配筋的混凝土结构n采用体外力筋对结构进行加固的例子也越来越多，早在1983年上海市公路管理处采用预应力钢绳加固钢筋混凝土T形梁桥(单跨14m) ，采用的方法是：用手拉葫芦通过三门滑轮组对钢绳进行人工施加预应力，同时用电子称直接测力控制张拉吨位，用钢索测力仪抽检其吨位，竣工的实测数据表明，旧桥的承载能力有明显的提高，达到了

7、加固设计和要求。n此后利用体外力筋加固的桥梁和其他工程结构逐渐的多起来了，采用体外力筋加固，具有施工方法方便，设备简单，不中断交通等优点。但与国外相比，我们在设计理论和工程实践上都还有一定的差距，国内现有相当数量的旧桥及其他结构，由于运量和车辆载重及荷载的增大，结构的承载能力不足，急待维修和加固。随着交通运输事业和其他工程结构的需要和发展，体外配筋的预应力结构的形式和应用范围也逐渐扩大，其前景是非常广阔的。体外配筋的混凝土结构n二、体外预应力结构的优缺点n与体内配筋的预应力结构相比，体外配筋的预应力结构有下列主要优点：n1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

8、应力钢索及其管道全部布置在构件体外，可以使构件腹板上、下板的尺寸减小，混凝土的用量减少，构件的自重减轻。既可节约材料，又增大了结构跨越能力。n2可以提高构件的质量。体内配筋的预应力结构，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；而力筋钢索布置在体外，大大地改善了构件混凝上的灌注条件。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。体外配筋的混凝土结构n3钢索的更换和维修比较容易。当结构构件使用时间较久，钢索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索时，或进行

9、再张拉时，体内配置的钢索是难以实现，而体外配筋的钢索比较容易。n4预应力钢索线型可以设计得更为理想，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摩阻损失，提高了预应力效果。利用外索更有效地对旧有结构物进行加固和补强。体外配筋的混凝土结构n5荷载作用下外索力筋的应力变化较小，因此，其耐劳性能较好。n6体外力筋的配置更适合于分段悬臂施工的各种长跨度桥梁，也适用于小跨度的桥梁。n7节约材料和劳动力，梁体无需制孔和压浆等工序，施工方便，可以加速施工进度，其综合经济效益较好。体外配筋的混凝土结构n体外预应力也存在一些问题，它们是：n1力筋要有严密的防腐措施，

10、特别应注意其防腐效果和耐久性。n2锚具必须要安全可靠，耐久及耐疲劳性能要好。n3力筋的强度不能充分地利用，梁的极限强度较有粘结预应力梁低。n4有些局部构造处理，如转向块等在构造上较困难，梁体为防止收缩及温度应力等引起的裂纹，仍必须要配置一定数量的普通钢筋。体外配筋的混凝土结构n第二节 体外配筋方式n目前体外配筋的预应力混凝土结构，其体外预应力钢索的布置方式可归纳为三种。n一、各跨连续的全部为体外配筋方式n这种配筋方式除梁体内配置必要的普通构造钢筋外，全部预应力钢索全跨连续的布置在结构混凝土体外，每根钢索穿过主梁的全长，从墩到墩钢索在跨中段平行于梁轴，靠近支座逐渐弯起并锚固于支座处的横隔板上，钢

11、索在跨度转向可利用横隔板，板底及梗胁或专门设置突出的钢筋混凝土转向块，如图13-2所示。体外配筋的混凝土结构体外配筋的混凝土结构体外配筋的混凝土结构n美国的长礁桥（Long key Bridge）就是这种配筋形式。该桥共103跨(101x36m+2x35.6m)，全长3701m，桥面宽11.7m，为等高度单室倒梯形箱梁，梁高为 2.13m，每8孔设一个伸缩缝，伸缩缝设在墩顶。每个标准跨由7个节段组成，标准节段长度为5.5m，大约重590kN。n预应力采用13mm强度为1836MPa低松弛钢绞线，典型桥跨每侧腹板附近用2束263mm钢绞束，每孔梁4束，在设伸缩缝的梁跨增加2束1913mm钢绞束，

12、每孔6束。安装时纵向力筋锚固在墩顶节段的横隔板上，相邻2孔力筋在墩顶交错通叠以建立连续性，力筋只在一端张拉（图13-3）。转向块的位置按力筋的垂直分力等于该点的恒载剪力设计。这样可以使安装时的预拱度为零，简化操作。每个预制段腹板上及上、下翼板的端面均设有传递剪力的齿键。n架梁时先在V形墩间架设长度为36m的辅助钢析梁，每个节段下有三个滑动支垫，在钢轨上的不绣钢板上滑动。体外配筋的混凝土结构体外配筋的混凝土结构n该桥为北美首次实现一些新的设计概念和施工技术，即体外力筋，腹板采用复式剪力键，非力筋全部采用环氧树脂涂层防腐，采用大型钢绞线力筋，每孔只用4-6束及利用辅助钢桁梁桥拼装等等。该桥的建造获

13、得较快速度和较高的经济效益，上部结构自1979年10月开始安装 1980年9月25日完工，平均每周完成2跨。体外配筋的混凝土结构n图13-4为Seven - Mile桥各跨连续的外索布置情况。n这种全跨连续的配筋方式只能用于一次架设整跨的桥梁，如在脚手架或支架上逐跨浇筑或拼装预制段的桥梁，使用有一定局限性。体外配筋的混凝土结构n二、全部为分散的外索方式n这种体外预应力系统应用于悬臂法施工的桥梁，该形式的预应力索不是等长的，其长度由主梁的分段浇筑或悬拼的长度而定，所有的钢索设在梁体混凝土外部，并锚固于梁段的肋板侧面伸出的突缘上，如 Sermenaz 桥（图13-5）就是这种形式。这种预应力的结构

14、形式使得体外预应力技术成功的应用于分段施工的桥梁（包括采用顶推法施工的桥梁），并使体外预应力技术的应用范围进一步的扩大。但由于分段引起的锚具数量的增加，可能会对施工带来一定的困难。体外配筋的混凝土结构体外配筋的混凝土结构n三、体内、体外预应力钢索混合布置的方式n这种配筋方式，体内索用于分段架设时承受梁体自重和施工荷载引起的内力，待全桥架通后，再用贯通各跨的体外预应力钢索，以承受二期恒载及活载引起的内力。如法国的 La Fliche 桥就是这种配筋方式，该桥跨径为26+64+26m，跨中梁高为1.75m，支点为2.80m，中跨采用轻质混凝土，边跨采用普通混凝土。该桥施工时将桥分为两段，分别在与河

15、流纵向平行的脚手架上施工，最后将两梁段转体至设计桥位合拢，体内钢索通过顶板水平布置，锚固于顶板的承托处。待桥合拢后，用设置于混凝土体外和高强度连续的预应力钢索贯通，外索采用19股直径为15的钢索，如图13-6所示。体外配筋的混凝土结构体外配筋的混凝土结构n法国的Pant - a - Mousson高架桥也是采用混合布置钢索的方式，其配筋方式与La Flieche 桥相同，采用悬臂法施工，体外钢索为1915，其长度为两跨主梁的长度，锚固于桥墩上梁的横隔板上。n根据工程实践，混合布筋方式可以用于任何施工方法来修建大跨度预应力混凝土结构。体外配筋的混凝土结构n第三节 体外配筋预应力结构设计要点n目前

16、尚未见到专门对体外配筋的混凝土结构设计的规程或标准，国内外的混凝土结构设计规范提及有关体外配筋设计条款也很少，有些规程也只提到一些原则。但体外配筋的预应力结构，其力筋的作用效果同体内无粘结预应力筋的作用相类似，因此，可参照无粘结预应力结构设计的规定和规程。对于体外预应力结构来说，由于力筋布置在体外，而梁体内部仍应布置相当数量的非预应力钢筋作为受力钢筋和构造钢筋。因此，一般可将体外配筋的预应力结构可按无粘结部分预应力混凝土结构来考虑，但设计时还应考虑体外预应力结构的一些特殊问题。体外配筋的混凝土结构n体外配筋的预应力结构其设计仍采用极限状态法，必须进行其承载能力极限状态（即抗弯和抗剪强度），使用

17、极限状态（即使用状态下的结构的挠度、裂缝和截面应力状态等）计算和校核。对于动载作用下的结构，如桥梁结构等，还应考虑其疲劳极限状态及有关的动力响应等。n这里简要介绍较早提及有关体外预应力结构设计问题的日本部分预应力混凝土梁设计准则（草案）对体外钢索的设计要点。n该准则指出：荷载产生的弯矩扣除由梁的外侧配置的预应力筋（体外钢索）引起的弯矩，剩余部分弯矩可按钢筋混凝土梁进行设计，这种方法很简便。体外配筋的混凝土结构n一、承载能力的极限状态n承载能力极限状态计算时，截面内力按下列荷载计算：n 1.7（恒载+列车荷载+冲击力+离心力）n1抗弯设计时应使构件的抗弯强度大于荷载引起的弯矩值。在抗弯强度计算时

18、，体外配筋的钢索计算应力的取值是一个关键问题。n由于体外配筋的钢索除在锚固部分与混凝土有粘结外，其余部分与混凝土没有粘结。因此，从变形协调来讲在构件的各截面中钢索的应变与混凝土的应变在同一水平面上不相等，平截面变形假定不适用。外索除在转向部分有摩擦影响外，而全长（支承间）的应变几乎是相同的，荷载下由于构件的变形外索的应变也随之增加，但由于各种因素的影响精确的计算是很困难的。体外配筋的混凝土结构n在分析时应考虑下列因素的影响：n(1)钢索的有效张拉力；n(2)外索支承的间距；n(3)钢筋的截面积（包括预应力外索及有粘结的普通钢筋）;n(4)构件的跨长和构件截面有效高度之比；n(5)材料的品质；n

19、(6)荷载的情况；n(7)钢索与管道的（导管）摩阻；n(8)钢索布置的形状和尺寸。体外配筋的混凝土结构n若将上述诸因素在计算中全部加以考虑，目前还不大可能，但实验和实践证明，配有外索的预应力结构与有粘结的预应力结构比较，其承载能力较低，在达到极限承载能力时，外部钢索的应力远低于有粘结钢索的应力。计算抗弯承载能力时，外索的计算应力取值多大，可参考无粘结预应力结构力筋的计算应力取值。日本石桥忠良认为，由于外索应力在荷载作用下其平均应变增加不多，可以近似地取其为有效预应力，或0.6倍的屈限强度（条件流限）, 对设计是偏于安全的。体外配筋的混凝土结构n2抗剪n设计时要使混凝土、箍筋及弯起钢筋的抗剪强度

20、大于扣除梁高变化影响的最终极限状态时的剪力。这里弯起钢筋应包括体外配筋的钢索，由于钢索在体外弯起后张拉时摩阻力的影响比有粘结索要小，其预剪力效果更为有利。体外配筋的混凝土结构n二、使用极限状态的检算n弯曲裂缝的检算可以计算裂缝宽度或名义拉应力，与规范限值相比较。n根据裂缝分析结果特制定了以下两条：n1恒载作用时，钢筋的拉应力应限制在120MPa 以下；n2恒载作用时，按混凝土全截面有效计算，其拉应力应小于表13-1的容许值。n关于斜裂缝的检算，根据现行的RC标准，列车作用时的剪应力应小于规定值，抗剪钢筋的拉应力，应限制在20MPa以下。此外，挠度、变形和振动等根据需要进行检算。体外配筋的混凝土

21、结构n三、疲劳极限状态检算n采用外部钢索由于梁体和预应力索之间没有粘结，荷载引起的预应力索的应变可转化为锚具间（或两支之间）平均应变，因此，预应力索应力的变化幅度很小，一般疲劳可不必检算。但对于短跨梁，仍有必要进行检算，值得注意的是疲劳最弱处为锚具附近部位。体外配筋的混凝土结构n第四节 体外配筋预应力结构的特殊问题n体外配筋的预应力结构与一般体内配筋的预应力结构不同，它还有一些必须注意的特殊问题。n一、钢索的防腐问题n钢索的防腐由来已久，而对体外配筋结构来说更为突出，因预应力钢索全部或大部分布置在体外，如果没有良好的防腐措施钢索会受到严重的锈蚀。防腐得当，外索防腐比体内索效果更好，因体内索只能

22、靠压浆和混凝土保护，而混凝土有一定的空隙，保护层厚度有限，易于渗水，钢索和普通钢筋都有锈蚀现象，防腐效果都不理想。体外配筋的混凝土结构n而体外索为防护提供了有利方便的条件，其防腐措施不受限制，可根据具体情况灵活采用，现有以下几种防腐措施。n1在聚乙稀套管中灌注水泥沙浆n美国的Long - Key桥的钢索防腐就采用这种方法，但使用该方法的结构换钢索比较困难，为便于抽拔钢索应做到以下几点： n(1)在钢索穿入混凝土的地方，管道必须是直的或做成圆形，且弯曲半径要大。n(2)在钢索穿入混凝土处必须设置双层套管，其材料可用钢管和塑料管，两层套管之间应填充一些使它们抽拔钢索时，容易产生相对滑动的材料。n(3)锚固装置应尽量设得简单些。体外配筋的混凝土结构n2在套管内灌入防锈脂n在套管内灌入石蜡或黄油，注入套管时需将其加热易于灌入并与钢索粘结更好。一般加热到50100。法国的一些桥梁和一些修补加固结构的外索采用了这种方法。n