浅析预应力混凝土桥梁设计及施工措施

　　摘 要：本文主要阐述了预应力混凝土桥粱设计及施工存在的问题与病害，提出相应的对策措施，并对今后混凝土梁式桥梁的发展提出几点建议。

　　关键词：预应力混凝土,桥梁,设计,施工技术,病害,对策

　　0、引言

　　在人类文明的发展史中，桥梁占有重要的一页。中国古代木桥、石桥和铁索桥都长时间保持世界领先水平，在桥梁发展史上曾占据重要地位，为世人所公认。我国自第一片预应力混凝土也在丰台桥梁厂基地研究试制成功，并于l956年首先在东陇海线新沂河铁路桥 建成了跨度为23.9m的预应力混凝土简支粱，至今预应力混凝土桥梁的建设已有50多年的历史，比欧洲起步晚，但近年来发展迅速，预应力混凝土技术已经广泛应用于建筑工程，特别是桥梁工程中。在预应力混凝土桥梁的设计、结构分析、试验研究、预应力材料及工艺设备、施工工艺等方面日新月异，如体外预应力、后期粘结PC钢材技术、无粘结预应力钢材技术等。预应力混凝土梁桥的设计技术与施工技术都已达到相当高的水平。这些新技术不仅可提高结构的安全性、美观性和经济性，而且还可加强混凝土结构的耐久性。

　　预应力混凝土连续梁桥是预应力桥梁中的一种，它具有整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能好，特别是主梁变形挠曲线平缓，桥面伸缩缝少，行车舒适等优点。加上这种桥型的设计施工均较成熟，施工质量和施工工期能得到控制，成桥后养护工作量小。预应力混凝土连续梁的适用范围一般在l50m以内，上述种种因素使得这种桥型在公路、城市和铁路桥梁工程中得到广泛采用。

　　1、预应力混凝土连续刚构桥的设计

　　预应力混凝土连续刚构桥(包括连续梁桥)由于具有较好的经济性且施工比较简便，在国内得到了广泛的应用。但近年来，在大跨预应力混凝土连续刚构桥的建设和使用中出现了一些不尽和谐的结构性病害，突出问题是出现了可能会影响到结构安全预应力混凝土连续刚构结构的受力变化较多。墩顶区域截面上恒载效应占绝对多数、截面上缘需要利用预加应力来抵消因恒载和外部荷载的作用效应并宜储备适当量的压应力，而下缘又要防止混凝土的压应力偏大的情况出现;跨中区域的情况相反，活载效应占绝对控制，甚至能占到截面总荷载效应的90%左右。从墩顶区域向跨中是个逐渐转变的过程，因此连续刚构桥的实际受力情况是比较复杂的，加上混凝土收缩徐变影响的不确定性，结构受力情况的精确分析比较困难。结构的设计，特别是预应力钢束的布置和分配应顺应结构实际受力情况的变化。预应力混凝土连续刚构桥的箱梁结构性裂缝(受力裂缝)原则上都可以认定为是由于混凝土的拉应力超过其极限抗拉强度引起的，规范规定的混凝土可用的抗拉强度设计值已经计入了平均约2.0～2.5的安全富裕度，以此来考虑理论设计与实际工程建设结果和运营条件之间的不确定因素的存在。现在还是出现问题，这就需要我们从更深层次来思考此问题。

　　1.1设计

　　桥梁规范对混凝土和钢材的强度、截面的受压区高度限值、承载能力(强度)、裂缝和挠度指标、施工期和运营期截面的应力控制均有明确的要求和规定，应逐一满足。现在，计算分析手段多了，也多样化了，对于大跨预应力混凝土连续刚构桥应该多采用空间计算分析软件进行计算，同时应加强对计算结果的分析判断能力。对于大跨预应力混凝土连续刚构桥的设计，建议如下：

　　(1)跨中梁高宜采用l/40～l/5O的主跨跨径，小跨径取大值：根部梁高宜采用主跨跨径的1/16～1/18;边、中跨比宜为0.54～ O.58。

　　(2)底板最小厚度320mm，项板最小厚度28Omm，腹板最小厚度400mm，悬臂端最小厚度200mm。

　　(3)主梁箱宽不宜大于桥面全宽的l/2，且箱梁的长边与短边之比不宜大于4，否则应设置成多箱室。

　　(4)箱梁悬臂长度不宜大4m，否则应考虑活载在悬臂端部引起的锅底效应。

　　(5)箱梁底板下缘顺桥向必须在一条平顺的曲线上，边跨现浇段及中跨合龙段与悬臂端最后一个梁段之间不允许有相对转角。对于主跨跨径小于15Om的可采用二次抛物线设置，大于150m的可采用1.5-1.8次抛物线设置。

　　(6)设计应考虑施工规范容许范围内的自重旆工误差对结构挠度的影响，包括结构自重误差±5%，铺装层超厚L/7000(L为主跨跨径)，同时考虑施工误差对混凝土收缩徐变挠度的影响。

　　(7)对施工规范容许范周外的误差， 能够建立补救措施预案， 比如设置体外预应力等

　　(8)在运营阶段，主梁宜按照全预应力混凝土构件设计，考虑最不利荷载效应后，跨中下缘应有适量的压应力储备，跨中下缘压应力储备宜不小于(1+L/200)MPa(L为主跨跨径，单位：m)。

　　1.2构造

　　设计时习惯简单模仿，造成布束方案不尽合理、结构尺寸和构造措施不合理。如85版规范对混凝土梁体分布钢筋和构造钢筋的配置要求偏低，设计时不加分析认为只要满足规范的基本要求就可，而规范实际上给出的是最低要求，设计时应当根据结构的具体情况和计算分析结果适当增加普通钢筋用量。再如过于追求施工方便，设想由纵向预应力和竖向预应力组合来克服主拉应力而取消随结构纵向梁体弯矩曲线变化的弯起预应力钢柬被证明是失败的。其一则增加了结构部分梁体区域的应力的复杂性和不可预测性;二则对竖向预应力的有效性提出了很高的要求而实际问题恰恰是竖向预应力没能达到设计要求，竖向应力对混凝土主拉应力的贡献极大而实际上其预应力损失大、施工中竖向预应力时常失效，2004版的桥规特为此对竖向预应力的有效性设定了0.6的折减系数。

　　1.3规范

　　桥梁规范有一定的时效性和局限性，不可能将各类桥梁的设计中遇到的或将遇到或预计可能遇到的问题都能给予明确的答复，具体设计时应针对实际情况具体处理。如对混凝土结构温度梯度，85版桥梁规范桥面板升温5℃的规定实际上只适用于T梁断面，对箱形截面的温度梯度和内外温差没有明确的规定，设计时应予以具体处理，不能简单借用。

　　1.4理论与实际的偏差

　　混凝土的收缩徐变效应本身较难正确估计，实际施工时又常常过于追求进度要求导致混凝土的早期徐变增大且弹性模量的增长滞后于强度的增长，各种外掺剂混用、滥用，施工控制和施工养护不当，预设立模标高不足，混凝土材料强度不足或材性变异太大，超方现象严重，纵向有效预应力偏低，竖向预应力损耗和失效过多，等等，都为混凝土连续刚构桥出现病害埋下伏笔，也严重影响到结构的耐久性。

　　2、预应力混凝土桥新型的结构体系

　　大跨径预应力混凝土连续梁桥大多采用悬臂浇筑法施工。根据连续梁桥的特点，采用逐段平衡悬臂浇筑，先形成T构，再逐跨合龙，逐跨释放临时固定支座，完成体系转换，最终形成多跨预应力混凝土连续梁桥。体外预应力技术作为一种新型结构体系被广泛采用。

　　2.1体外预应力的定义

　　所谓体外预应力，就是把预应力钢索布置在结构断面外，锚固于梁端或横梁之上，依靠偏心部来调整索的方向和偏心距。体外预应力方式可以减小结构断面尺寸、缩短工期、提高有效预应力、便于换索等优点。在日本，体外预应力方式已普遍用于工程实例中。

　　2.2体外预应力结构优点

　　实际的工程表明体外预应力结构具有如下优点：

　　(1)体外力筋仅在锚固区和转向块与结构相连，摩阻损失明显减小;

　　(2)主要的施工工序较为简单，使浇注混凝土较方便，质量容易得到保证;

　　(3)体外预应力筋容易设置，使用期内容易检查和更换;

　　(4)因截面中只有体外力筋，很少或没有体内力筋，截面尺寸相应减小，尤其是腹板，故减轻了恒载。

　　因此，体外预应力技术被认为是现存结构加固和重建有效的技术之一。目前，体外预应力结构应用非常广泛，体外预应力可以灵活地应用于各种桥梁结构设计，并与各种传统的桥梁施工方法相结合，形成了许多新颖高效的桥梁施工方法，如体外预应力预制节段(或现浇)桥逐跨施工工法、体外预应力悬臂施工法、体外预应力节段顶推工法等。

　　2.3主要应用方面

　　2.3.1体外预应力索的防腐技术

　　波形钢腹板组合箱梁减轻大跨度PC桥梁结构的混凝土重量是桥梁结构技术革新的一个重要组成部分。法国首先提出用平面钢板代替箱形截面混凝土腹板，通过箱形截面内预应力筋施加预应力作用，大大减轻了自重。能较大地降低材料用量和造价是波形钢腹板组合箱梁的结构的主要特点。工程对比计算表明：与预应力混凝土箱梁相比，波形钢腹板Pc组合箱粱的混凝土减少22%，纵向钢筋减少33%，普通钢筋减少10%。由于不需要混凝土模板，相应减少了钢筋和模板的操作工期。充分利用了混凝土抗压及波形钢腹板质轻、抗剪强度高等特点;加之又采用了体外预应力索，免除了在混凝土腹板内预埋管道的复杂工艺，减少了预应力钢筋用量。与过去的传统结构相比，波形钢腹板组合箱梁的结构更加合理，具有十分广阔的应用前景。目前在法国已建成了3座波形钢腹板式Pc组合箱梁桥，取得了较好的效益。但国内在波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁方面的研究成果还很少，在工程实践上还是空白。

　　2.3.2体外预应力索的防腐技术

　　20多年来，体外预应力索的防腐技术有了较大进步，然后， 该技术在早期由于体外索的防腐问题尚未解决，致使桥梁的维修、养护费用很高，从而阻碍了体外预应力桥梁的发展。国内外目前常用的防腐方法有以下几种：

　　(1)采用单股无粘结钢绞线或钢丝束。这种方法是直接用工厂生产的单股无粘结预应力筋作体外束，靠无粘结筋的套管和填充利防腐。

　　(2)套管加填充材料防腐法。此法是在索的外面加套管，待张拉完预应力筋后，在套管内压注填充材料。套管常用钢管和高密度聚乙烯管，填充材料常用水泥浆或黄油、石蜡等软材料。

　　(3)无套管钢束表面防腐法，即在裸露的预应力束上镀锌和涂环氧树脂。这类方法适用于干燥、周围无腐蚀性气体的环境。

　　2.4预应力混凝土桥新型的建筑材料

　　2.4.1预应力新材料的运用

　　作为目前普遍使用的预应力钢材，仍有重量大、易锈蚀等弊病。桥梁界希望使用一种强度高、重量轻、耐腐蚀、性能稳定的材料取代钢材。日本已经使用炭素纤维、芳族聚酞胺纤维、玻璃纤维等复合材料，生产、加工成预应力张拉材，投入使用。这些材料的特点是：具有与PC钢材同等的张拉强度，不锈蚀、耐酸碱、非导电体、重量仅为Pc钢材的l/5～1/6、破断时伸长量大，柔性高。随着技术的进步，这类材料必将向高性能、低成本方面发展，进而取代现在的PC钢材。

　　2.4.2后期粘结Pc钢材技术

　　近几年， 国外正在开发一种不需要灌浆作业的PC钢材，却能获得和灌浆后相同的构造。具体的作法是将PC钢材置于套管中，其间填充常温下硬化的环氧树脂。张拉锚固后，树脂硬化， 与混凝土构成一体，称之为后期粘结的PC钢材。由于耐水性、耐药性、特别是耐酸性较好、套管很难破坏、高温下也比较稳定、而耐候性有一定程度降低，根据用途不同，套管的形状可以做成与无粘结、钢材同样的形状，如圆形，为提高与混凝土的握裹力，也可以做成凹凸形。后期粘结PC钢材技术优点：首先，将后期粘结钢材置于所定的配筋位置，进行混凝土浇注，达到规定强度后进行张拉、锚固， 这样使施工容易;其次，PC钢材同混凝土能形成一体。PC钢材上涂抹树脂，硬化后同PC钢材紧密粘结， 由于套管的凹凸形状， 取得了与混凝土粘结好的性能。再次， 耐腐蚀性好。在整个PC钢材上涂抹了防腐蚀性能优良的树脂，其上还有套管包裹，有这样两重防腐构造，因而耐腐性是很好的。最后，使用性能好。由于套管直径小，即使很薄的翼缘扳也能使用，使配筋设计更容易进行，又由于摩擦系数小，也能节约钢材的使用量。

　　3、结论

　　预应力混凝土桥梁在我国的发展与应用的时间并不长，但如今在公路、城市道路和铁路建设中广泛采用，然而我们必须认清与国际先进水平还存在差距这一事实，需要不断地总结经验、吸取教训，在设计理论、设计规范、预应力材料和施工技术上不断完善、不断发展、勇于创新，并做好与设计和施工之间的联系，以提高我国的预应力技术水平。搞好预应力混凝土桥梁，才能使我国的桥梁建设事业登上一个新的台阶。

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