体外预应力桥梁设计施工技术研究Word文档下载推荐.docx

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而体外预应力体系是一种“看得见，摸得着”的预应力体系，可以在使用期内方便地进行检测、调整甚至更换，从而确保了结构预应力的可靠性。

预制节段拼装施工方法，具有施工速度快、混凝土质量易控制等特点，结合体外预应力技术能够最大限度地发挥这种施工方法的优点，使预制节段的结构构造更标准，预制及现场架设施工速度更快。

体外预应力技术促进了新结构的发展，促进了预应力技术与钢结构、钢与混凝土组合结构的融合。

采用体外预应力技术的（波纹）钢腹板、钢或混凝土桁架腹板等组合结构桥梁，使桥梁上部结构的重量大为减轻。

从桥梁结构的耐久性来看，体外预应力体系具有自身防护功能，如采用具有多层防腐的单根环氧涂层无粘结钢绞线，避免了管道压浆不满及空洞造成的灌浆质量问题，也避免了因混凝土碳化及水泥灌浆开裂对传统体内预应力钢束造成的侵害；

由于预应力钢材在高应力作用下的腐蚀将导致应力腐蚀而断裂，所以预应力钢材的耐久性是预应力结构耐久性的重要保证。

体外预应力体系具有的可调整、可检测、可更换的特点，使其比传统体内预应力体系具有更可靠的耐久性保证。

从桥梁结构使用期内的经济性来看，体外预应力结构可以减小结构的非受力需要尺寸，降低结构重量和上下部结构的材料用量。

相比体内预应力结构，一旦在使用期内出现问题，体外预应力结构的加强费用要小得多。

故体外预应力结构比体内预应力结构具有寿命期整体经济性。

体外预应力技术由于在现代桥梁建设中具有较为突出的优点，故在国外桥梁建设中得到了广泛的应用。

我国正处于预应力技术迅速发展、成熟时期，在过去二、三十年的时间内，我国在体内预应力混凝土桥梁技术，尤其在后张预应力混凝土桥梁技术的研究与应用方面，取得了很大进步。

随着预应力混凝土桥梁建设经验的积累，以及对结构设计理念认识的不断深入，桥梁结构设计基本原则已经从单纯的安全、经济发展为安全、经济、耐久并重，发展体外预应力桥梁具有现实意义和迫切性。

尽管体外预应力桥梁的发展优势在国外桥梁建设中已充分体现出来，但在我国因技术储备不足而进展较慢。

同时，作为一种较新的结构体系，在设计理论与方法的研究方面仍存在许多急待解决的问题。

对体外预应力混凝土桥梁的设计理论和方法、关键部位构造及其设计方法、体外预应力桥梁施工技术的全面研究；

发展可调整、可检测、可更换的体外预应力体系，是体外预应力桥梁应用和发展的关键和基础。

本项目联合承担单位体集科研、设计、施工于一体，对西部人才的培养是多方面的，参研人员通过本项目的研究，已成为西部地区在这个领域的技术骨干或带头人，另有十余名硕士、博士通过课题的相关研究通过了论文答辩；

公开发表科研学术论文五十余篇；

获得两项发明专利。

依托工程立足西部，其科研、建设的过程涉及建设、设计、监理和施工等单位，对众多的西部地区的管理人员、技术人员具有良好的带动作用。

人才的培养，对西部交通的建设与发展拓开了广阔的空间，使该项研究成果能较快速、全面地运用于西部交通建设项目，为西部地方交通企事业单位的科研水平的提高提供了一个平台和强有力的技术支持。

1项目研究内容与实施路线

1.1总体目标

（1）项目研究总报告，实现对10个子课题中分项研究总结。

（2）完成了体外预应力桥梁设计指南施工指南的编写；

（3）依托工程桥梁的应用效果报告；

（4）全套体外预应力体系和产品的研制报告。

1.2主要研究内容

本项目共设十个子题，分别从调研、理论与计算方法、设计与施工、产品到指南编写。

1.2.1体外预应力桥梁设计理论、方法和应用实例调研

调研国内外体外预应力桥梁设计理论、方法的发展状况，收集体外预应力桥梁实际工程应用情况；

深入了解国外较成熟设计规范及其相关条文的适用条件和研究背景，结合我国实际情况提出在我国西部发展体外预应力桥梁的研究方向。

1.2.2体外预应力桥梁正常使用阶段设计理论和方法研究

（1）体外预应力桥梁预应力损失计算方法研究

根据体外预应力钢索（束）与结构的粘结关系，研究体外预应力钢索（束）摩阻损失、弹性压缩、徐变收缩引起的预应力损失计算方法。

图1摩擦系数试验装置

（2）体外预应力钢索（束）特殊非线性计算模型和计算方法研究

体外预应力钢索（束）与结构的粘结关系由人为指定。

出于耐久性设计的考虑，体外预应力钢索（束）在转向构造处一般采用与结构没有联系的无粘结体系。

在活载作用下，体外预应力钢索（束）在转向构造处不可避免地会产生滑移，并对结构受力产生非线性的影响。

对这种特殊非线性效应的研究需要建立合适的分析模型，以判断体外预应力钢索（束）在各转向构造处的滑移条件。

研究体外预应力钢索（束）的非线性滑移和二次非线性效应能够更准确地计算弹性阶段直至极限阶段体外预应力效应及对结构的影响。

a）L=30m,b/L=0.2b）L=50m,b/L=0.6

图2体外钢束与转向结构之间滑移状态对二次效应影响

1.2.3体外预应力桥梁抗弯极限承载力设计理论和方法研究

（1）体外预应力桥梁抗弯极限承载能力非线性设计理论研究

根据体外预应力桥梁进入抗弯极限状态时的非线性特点，重点研究极限状态下体外预应力钢索（束）在转向构造处滑移产生的特殊非线性，极限状态下体外预应力钢索（束）与截面不协调变形产生的几何非线性，极限状态下体外预应力钢索（束）、普通钢筋、混凝土物理非线性等的影响。

图3预应力混凝土结构的通用有限元模型

（2）体外预应力桥梁抗弯极限承载力全过程分析方法研究

体外预应力桥梁抗弯极限承载能力与许多因素有关：

桥梁结构型式、桥梁高跨比；

体外预应力转向构造的形式、位置和数量；

体外预应力体系及其与结构的粘结关系；

体内、体外预应力配筋比例等。

在常用计算方法中，结构弹性阶段至极限阶段的分析往往是不连续的，两者分析一般是分开独立进行的，极限承载能力分析往往以桥梁一次落架为起点，与桥梁真实施工过程不建立联系。

由于大跨径体外预应力桥梁往往采用节段施工方法，其受力状态与施工方法密切相关，故极限状态的受力应以真实施工过程所累计的受力状态为起点，即在进行极限阶段分析时应以考虑施工过程的弹性阶段分析结果为起点。

因此，提出考虑受力全过程的体外预应力桥梁极限阶段分析方法，能够更准确地计算体外预应力桥梁的极限承载力。

对于预制节段施工体外预应力桥梁，节段间接缝是决定其极限阶段力学性能的关键影响因素。

子课题8（预制节段施工体外预应力桥梁设计方法、施工技术研究）侧重于研究预制节段施工的体外预应力结构，建立接缝的力学模型是子课题8重要的组成部分。

将子课题8建立的接缝数值模型与上述分析方法相结合，即可以准确计算预制节段施工体外预应力桥梁的抗弯极限承载力。

（3）体外预应力桥梁抗弯承载力简化计算方法研究

根据提出的考虑受力全过程的体外预应力桥梁极限阶段分析方法，规划代表不同参数的体外预应力桥梁（如简支/连续、跨高比、转向间距改变等），分析计算体外预应力钢索（束）在达到极限承载力时的应力（简称体外预应力钢索（束）的极限应力）。

同时规划具有相当数量的体外预应力桥梁缩尺模型试验，验证到破坏时体外索极限应力的计算值，得到修正系数，从而推荐体外预应力钢索（束）极限应力的取值，以满足生产实际中对体外预应力桥梁极限承载力简化计算的要求。

本项目通过对体外预应力混凝土桥梁抗弯极限承载力的简化分析和试验研究，试验实测结果均与推荐的体外预应力钢束极限应力、极限有效高度，以及截面抗弯承载能力的简化计算方法吻合良好且满足设计可靠度要求。

图4抗弯试验加载

1.2.4体外预应力桥梁抗剪极限承载力设计理论和方法研究

（1）体外预应力箱形梁抗剪桥极限承载力和配筋方法研究

本项目针对配置纵向腹筋的腹部适配筋情况，在混凝土产生斜裂缝的情况下，由纵向腹筋和竖直箍筋形成网格，分别承担主拉应力的水平和竖向分量，混凝土起网格定位作用。

在此基础上，研究极限状态下桥梁的抗剪性能及抗剪配筋的理论和方法。

本项研究从固体力学理论出发，研究箱梁截面空间剪应力分布规律，研究混凝土和钢筋分离的抗剪强度设计计算方法，研究（体外）预应力因素对结构抗剪强度的影响，采用理论研究和试验研究相结合的方法，提出抗剪承载力“拉应力域”配筋设计理论。

根据同济大学的几十根体外预应力混凝土梁的试验研究结果，考虑了诸多影响体外预应力抗剪承载能力极限状态的因素，统计回归出了体外预应力梁的抗剪极限承载力简化计算方法。

（2）预制节段施工体外预应力箱梁桥抗剪极限承载力和配筋方法研究

预制节段施工体外预应力箱梁的普通钢筋在接缝处是完全断开的，国内外对其机理的研究尚不充分，故抗剪极限承载力及其配筋方法在各国规范中均不成熟，甚至未提及。

但是，预制节段施工方法是体外预应力桥梁最具特色的施工方法，并具有许多优点，故对其抗剪承载力计算方法的研究非常重要。

研究在整体施工桥梁抗剪配筋方法研究成果的基础上，提出针对预制节段施工体外预应力桥梁结构抗剪配筋的设计建议。

图5抗剪试验装置图6模型梁破坏照片

1.2.5体外预应力混凝土桥梁关键部位构造和配筋方法研究

归纳总结体外预应力结构的锚固位置和转向位置的关键构造，通过大型有限元程序对锚固结构和转向结构进行详细计算分析，结合复杂区域配筋的拉压杆模型（strut-and-tiemodel）理论，分析锚固位置和转向位置应力分布规律和力线传递路线，以及影响这些关键结构受力特点的影响因素。

提出基于混凝土拉应力域配筋理论的锚固横梁配筋方法。

通过对转向结构和锚固结构进行参数比较和分析，找出其普遍规律，总结出几种典型的模式，采用拉压杆模型理论和基于混凝土拉应力域配筋理论构造其受力路径并进行配筋设计。

图7转向结构压应力加载面示意图图8箱梁截面转向结构边界条件示意图

a横向应力b竖向应力

c第一主应力

图9箱梁锚固结构的应力分布

1.2.6体外预应力钢束疲劳评价研究

本部分对体外预应力钢束疲劳性能的研究分为三个方面：

一是通过对体外预应力钢束在活载作用下的应力变化幅度的分析，来研究体外预应力钢束组件（包括锚夹具、连接器）的整体疲劳性能；

二是分析在转向处体外预应力钢束的局部应力变化，来研究体外预应力钢束本身的局部疲劳特性；

其次，对于由单根无粘结钢束组成的体外预应力体系（如OVM－TJ.E），尚有另外一种特殊的局部问题，即钢束在转向处由于来回滑动，造成钢绞线会对外包PE在高压应力情况下不断摩擦，可能导致外包PE层磨损甚至损坏，从而失去对钢绞线的保护。

这个现象虽然与真正的疲劳无关，但却与活载作用下体外预应力钢束在转向处的局部滑移密切相关，也属于使用性能范畴，需要专门的研究。

因而，有关体外预应力钢束的疲劳评价研究内容包括：

（1）体外预应力钢束整体疲劳评价研究

（2）体外预应力钢束局部疲劳评价研究

图10试件和试验装置试验照片

1.2.7大跨径体外预应力桥梁设计方法、施工技术研究

（1）大跨径体外预应力桥梁体外预应力钢索（束）合理布置方式研究

对于悬臂施工的大跨径体外预应力桥梁，往往采用体内、体外预应力混合配置方式。

体内、体外预应