現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)4-體外配筋混凝土結(jié)構(gòu)

1、體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n第一節(jié) 概述n一、發(fā)展概況n以前所介紹的預應力結(jié)構(gòu)無論是有粘結(jié)配筋的或無粘結(jié)配筋的結(jié)構(gòu)，其預應力鋼索（力筋）都是配置在結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土內(nèi)部，又稱之為“體內(nèi)配筋的預應力結(jié)構(gòu)”。這種配置形式是工程結(jié)構(gòu)中主要的配筋方式。但隨著預應力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，預應力的配筋方式也有新的變革，目前逐漸的采用體外配筋方式，即把預應力鋼索不是布置在構(gòu)件混凝土內(nèi)部，而是把鋼索（力筋）配置在構(gòu)件混凝土的外部，故稱之為“體外配筋的預應力結(jié)構(gòu)”。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n1928年德國 Saale 一 Brucke 橋，該橋中跨為 68m ；n1936年1937年西德的Aue橋，該橋橋跨為25.2+69.

2、0+23.4m;Rhede - Wieden橋，跨度為34.5m;n1939年Warthe - Brucke橋，該橋是中跨為80.5m 的大跨度橋梁，該橋因二次世界大戰(zhàn)而中止修建。n1939年1943年 Klockestrand 橋（ 40.5m+71.5m+40.5m）。n4060年代由于外索的防腐問題，強調(diào)采用體內(nèi)配筋的預應力結(jié)構(gòu)，因此，在此期間體外配筋的預應力結(jié)構(gòu)用的較少。n但在 50 年代以后法國仍修建了一些體外配筋的預應力橋，如 Villeneuve - saint - George橋，Arles - Sur - Trch的Can Bia 橋以及Marne河上的Binson港灣橋等。

3、n60年代以后隨著斜拉橋技術(shù)的發(fā)展，使外露索的防腐（斜拉橋的拉索）及其他一系列技術(shù)問題得到了較好的解決。此外，發(fā)現(xiàn)采用體外預應力對于已建成的結(jié)構(gòu)進行維修、補強、加固等是一種很好的方法，方便可行，成本低廉。施工期間不影響結(jié)構(gòu)的正常使用，體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n1967年瑞士的鋼析架結(jié)構(gòu)的 Aarwangen 橋，就采用了外索的補強。n奧地利的 Wangauer Ache 橋，該橋長 384.5m(25+628+241.25+328+25m)，橋面寬13.05m，梁高2.20m的形梁，19621964年修建，因預應力不足，其后引起各種缺陷，屢次修補。后來用外索加固，其外索采用12根12.4mm鋼索。

4、體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n美國的一個停車場，預應力混凝土梁的補強，該停車場為五層的預應力結(jié)構(gòu)，19781979年建成，可容納1000臺車輛，梁跨為21m，梁高h914mm，梁距為5.8m，板厚為114mm的后張預應力板，由于板和屋面等產(chǎn)生產(chǎn)生裂縫，于1985年用6根13mm的鋼絞線，布置在梁的兩側(cè)面進行加固，如圖 13 一 1 所示。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n70年代以后，體外索在橋梁的架設與懸臂分段施工方面得到應用。由于客觀的需要和預應力技術(shù)的進步，所以體外配筋的預應力結(jié)構(gòu)得到很大發(fā)展。n相繼在美國、法國、英國、日本和科威特等國家建造了一些體外配筋的預應力混凝土橋梁。如美國佛羅里達群島的Long -

5、key 橋和 Seven - Mile ，hannet - Five , Niles Channel 等橋。又如日本的樽見線第10尾川橋，該橋全長228m，是用頂推法施工的體外配筋的4跨連續(xù)箱形鐵路橋梁。又如19871991年在墨西哥紐伏里翁州蒙梯雷市建成的輕軌鐵路高架橋，全為預制節(jié)段混凝土塊用外索拼起來的橋跨結(jié)構(gòu)，平均跨度為27m，最大跨度為47m，橋全長18km，共有619跨，共計6500節(jié)段，在支撐排架上用體外索拼裝。除橋梁結(jié)構(gòu)之外，體外索也可用于其他工程結(jié)構(gòu)中。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n國內(nèi)80年代后期才開始使用體外配筋的預應力橋梁，如福州洪塘大橋主跨為120m的下承式鋼筋混凝土三角桁架T

6、構(gòu)和灘孔為體外索的預應力連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。n1990年12月建成的丹陽云陽大橋，主跨為70m的系桿拱橋，其系桿和吊桿均采用體外力筋。n1995年建成的汕頭海灣大橋（懸索橋）的預應力混凝土加勁梁的縱向力筋中底板索，采用單股帶 HDPE 防護套管的鍍鋅鋼絞線組成的束股作為體外力筋。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n采用體外力筋對結(jié)構(gòu)進行加固的例子也越來越多，早在1983年上海市公路管理處采用預應力鋼繩加固鋼筋混凝土T形梁橋(單跨14m) ，采用的方法是：用手拉葫蘆通過三門滑輪組對鋼繩進行人工施加預應力，同時用電子稱直接測力控制張拉噸位，用鋼索測力儀抽檢其噸位，竣工的實測數(shù)據(jù)表明，舊橋的承載能力有明顯的提高，達到了

7、加固設計和要求。n此后利用體外力筋加固的橋梁和其他工程結(jié)構(gòu)逐漸的多起來了，采用體外力筋加固，具有施工方法方便，設備簡單，不中斷交通等優(yōu)點。但與國外相比，我們在設計理論和工程實踐上都還有一定的差距，國內(nèi)現(xiàn)有相當數(shù)量的舊橋及其他結(jié)構(gòu)，由于運量和車輛載重及荷載的增大，結(jié)構(gòu)的承載能力不足，急待維修和加固。隨著交通運輸事業(yè)和其他工程結(jié)構(gòu)的需要和發(fā)展，體外配筋的預應力結(jié)構(gòu)的形式和應用范圍也逐漸擴大，其前景是非常廣闊的。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n二、體外預應力結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點n與體內(nèi)配筋的預應力結(jié)構(gòu)相比，體外配筋的預應力結(jié)構(gòu)有下列主要優(yōu)點：n1可以減小構(gòu)件的截面尺寸，減輕構(gòu)件的自重，以節(jié)約材料，增大跨越能力。由于預

8、應力鋼索及其管道全部布置在構(gòu)件體外，可以使構(gòu)件腹板上、下板的尺寸減小，混凝土的用量減少，構(gòu)件的自重減輕。既可節(jié)約材料，又增大了結(jié)構(gòu)跨越能力。n2可以提高構(gòu)件的質(zhì)量。體內(nèi)配筋的預應力結(jié)構(gòu)，由于鋼索及其管道，再加之必要的普通鋼筋，梁體內(nèi)鋼筋十分擁擠，影響了混凝土的灌注質(zhì)量。即使采用強力振搗，也難免產(chǎn)生缺陷；而力筋鋼索布置在體外，大大地改善了構(gòu)件混凝上的灌注條件。同時體內(nèi)配筋的力筋管道也需壓漿，其質(zhì)量好壞也不易控制和檢查，壓漿質(zhì)量的好壞直接影響力筋的耐久性。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n3鋼索的更換和維修比較容易。當結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用時間較久，鋼索受到腐蝕或由于預應力張拉不足，或由于其他原因必須更換鋼索時，或進行

9、再張拉時，體內(nèi)配置的鋼索是難以實現(xiàn)，而體外配筋的鋼索比較容易。n4預應力鋼索線型可以設計得更為理想，使受力更趨合理。由于鋼索布置在體外，要求的線型輪廓更加方便，也便于調(diào)整。同時由于減少了管道摩阻損失，提高了預應力效果。利用外索更有效地對舊有結(jié)構(gòu)物進行加固和補強。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n5荷載作用下外索力筋的應力變化較小，因此，其耐勞性能較好。n6體外力筋的配置更適合于分段懸臂施工的各種長跨度橋梁，也適用于小跨度的橋梁。n7節(jié)約材料和勞動力，梁體無需制孔和壓漿等工序，施工方便，可以加速施工進度，其綜合經(jīng)濟效益較好。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n體外預應力也存在一些問題，它們是：n1力筋要有嚴密的防腐措施，

10、特別應注意其防腐效果和耐久性。n2錨具必須要安全可靠，耐久及耐疲勞性能要好。n3力筋的強度不能充分地利用，梁的極限強度較有粘結(jié)預應力梁低。n4有些局部構(gòu)造處理，如轉(zhuǎn)向塊等在構(gòu)造上較困難，梁體為防止收縮及溫度應力等引起的裂紋，仍必須要配置一定數(shù)量的普通鋼筋。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n第二節(jié) 體外配筋方式n目前體外配筋的預應力混凝土結(jié)構(gòu)，其體外預應力鋼索的布置方式可歸納為三種。n一、各跨連續(xù)的全部為體外配筋方式n這種配筋方式除梁體內(nèi)配置必要的普通構(gòu)造鋼筋外，全部預應力鋼索全跨連續(xù)的布置在結(jié)構(gòu)混凝土體外，每根鋼索穿過主梁的全長，從墩到墩鋼索在跨中段平行于梁軸，靠近支座逐漸彎起并錨固于支座處的橫隔板上，鋼

11、索在跨度轉(zhuǎn)向可利用橫隔板，板底及梗脅或?qū)ｉT設置突出的鋼筋混凝土轉(zhuǎn)向塊，如圖13-2所示。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n美國的長礁橋（Long key Bridge）就是這種配筋形式。該橋共103跨(101x36m+2x35.6m)，全長3701m，橋面寬11.7m，為等高度單室倒梯形箱梁，梁高為 2.13m，每8孔設一個伸縮縫，伸縮縫設在墩頂。每個標準跨由7個節(jié)段組成，標準節(jié)段長度為5.5m，大約重590kN。n預應力采用13mm強度為1836MPa低松弛鋼絞線，典型橋跨每側(cè)腹板附近用2束263mm鋼絞束，每孔梁4束，在設伸縮縫的梁跨增加2束1913mm鋼絞束，

12、每孔6束。安裝時縱向力筋錨固在墩頂節(jié)段的橫隔板上，相鄰2孔力筋在墩頂交錯通疊以建立連續(xù)性，力筋只在一端張拉（圖13-3）。轉(zhuǎn)向塊的位置按力筋的垂直分力等于該點的恒載剪力設計。這樣可以使安裝時的預拱度為零，簡化操作。每個預制段腹板上及上、下翼板的端面均設有傳遞剪力的齒鍵。n架梁時先在V形墩間架設長度為36m的輔助鋼析梁，每個節(jié)段下有三個滑動支墊，在鋼軌上的不繡鋼板上滑動。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n該橋為北美首次實現(xiàn)一些新的設計概念和施工技術(shù)，即體外力筋，腹板采用復式剪力鍵，非力筋全部采用環(huán)氧樹脂涂層防腐，采用大型鋼絞線力筋，每孔只用4-6束及利用輔助鋼桁梁橋拼裝等等。該橋的建造獲

13、得較快速度和較高的經(jīng)濟效益，上部結(jié)構(gòu)自1979年10月開始安裝 1980年9月25日完工，平均每周完成2跨。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n圖13-4為Seven - Mile橋各跨連續(xù)的外索布置情況。n這種全跨連續(xù)的配筋方式只能用于一次架設整跨的橋梁，如在腳手架或支架上逐跨澆筑或拼裝預制段的橋梁，使用有一定局限性。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n二、全部為分散的外索方式n這種體外預應力系統(tǒng)應用于懸臂法施工的橋梁，該形式的預應力索不是等長的，其長度由主梁的分段澆筑或懸拼的長度而定，所有的鋼索設在梁體混凝土外部，并錨固于梁段的肋板側(cè)面伸出的突緣上，如 Sermenaz 橋（圖13-5）就是這種形式。這種預應力的結(jié)構(gòu)

14、形式使得體外預應力技術(shù)成功的應用于分段施工的橋梁（包括采用頂推法施工的橋梁），并使體外預應力技術(shù)的應用范圍進一步的擴大。但由于分段引起的錨具數(shù)量的增加，可能會對施工帶來一定的困難。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n三、體內(nèi)、體外預應力鋼索混合布置的方式n這種配筋方式，體內(nèi)索用于分段架設時承受梁體自重和施工荷載引起的內(nèi)力，待全橋架通后，再用貫通各跨的體外預應力鋼索，以承受二期恒載及活載引起的內(nèi)力。如法國的 La Fliche 橋就是這種配筋方式，該橋跨徑為26+64+26m，跨中梁高為1.75m，支點為2.80m，中跨采用輕質(zhì)混凝土，邊跨采用普通混凝土。該橋施工時將橋分為兩段，分別在與河

15、流縱向平行的腳手架上施工，最后將兩梁段轉(zhuǎn)體至設計橋位合攏，體內(nèi)鋼索通過頂板水平布置，錨固于頂板的承托處。待橋合攏后，用設置于混凝土體外和高強度連續(xù)的預應力鋼索貫通，外索采用19股直徑為15的鋼索，如圖13-6所示。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n法國的Pant - a - Mousson高架橋也是采用混合布置鋼索的方式，其配筋方式與La Flieche 橋相同，采用懸臂法施工，體外鋼索為1915，其長度為兩跨主梁的長度，錨固于橋墩上梁的橫隔板上。n根據(jù)工程實踐，混合布筋方式可以用于任何施工方法來修建大跨度預應力混凝土結(jié)構(gòu)。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n第三節(jié) 體外配筋預應力結(jié)構(gòu)設計要點n目前

16、尚未見到專門對體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)設計的規(guī)程或標準，國內(nèi)外的混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范提及有關體外配筋設計條款也很少，有些規(guī)程也只提到一些原則。但體外配筋的預應力結(jié)構(gòu)，其力筋的作用效果同體內(nèi)無粘結(jié)預應力筋的作用相類似，因此，可參照無粘結(jié)預應力結(jié)構(gòu)設計的規(guī)定和規(guī)程。對于體外預應力結(jié)構(gòu)來說，由于力筋布置在體外，而梁體內(nèi)部仍應布置相當數(shù)量的非預應力鋼筋作為受力鋼筋和構(gòu)造鋼筋。因此，一般可將體外配筋的預應力結(jié)構(gòu)可按無粘結(jié)部分預應力混凝土結(jié)構(gòu)來考慮，但設計時還應考慮體外預應力結(jié)構(gòu)的一些特殊問題。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n體外配筋的預應力結(jié)構(gòu)其設計仍采用極限狀態(tài)法，必須進行其承載能力極限狀態(tài)（即抗彎和抗剪強度），使用

17、極限狀態(tài)（即使用狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)的撓度、裂縫和截面應力狀態(tài)等）計算和校核。對于動載作用下的結(jié)構(gòu)，如橋梁結(jié)構(gòu)等，還應考慮其疲勞極限狀態(tài)及有關的動力響應等。n這里簡要介紹較早提及有關體外預應力結(jié)構(gòu)設計問題的日本部分預應力混凝土梁設計準則（草案）對體外鋼索的設計要點。n該準則指出：荷載產(chǎn)生的彎矩扣除由梁的外側(cè)配置的預應力筋（體外鋼索）引起的彎矩，剩余部分彎矩可按鋼筋混凝土梁進行設計，這種方法很簡便。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n一、承載能力的極限狀態(tài)n承載能力極限狀態(tài)計算時，截面內(nèi)力按下列荷載計算：n 1.7（恒載+列車荷載+沖擊力+離心力）n1抗彎設計時應使構(gòu)件的抗彎強度大于荷載引起的彎矩值。在抗彎強度計算時

18、，體外配筋的鋼索計算應力的取值是一個關鍵問題。n由于體外配筋的鋼索除在錨固部分與混凝土有粘結(jié)外，其余部分與混凝土沒有粘結(jié)。因此，從變形協(xié)調(diào)來講在構(gòu)件的各截面中鋼索的應變與混凝土的應變在同一水平面上不相等，平截面變形假定不適用。外索除在轉(zhuǎn)向部分有摩擦影響外，而全長（支承間）的應變幾乎是相同的，荷載下由于構(gòu)件的變形外索的應變也隨之增加，但由于各種因素的影響精確的計算是很困難的。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n在分析時應考慮下列因素的影響：n(1)鋼索的有效張拉力；n(2)外索支承的間距；n(3)鋼筋的截面積（包括預應力外索及有粘結(jié)的普通鋼筋）;n(4)構(gòu)件的跨長和構(gòu)件截面有效高度之比；n(5)材料的品質(zhì)；n

19、(6)荷載的情況；n(7)鋼索與管道的（導管）摩阻；n(8)鋼索布置的形狀和尺寸。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n若將上述諸因素在計算中全部加以考慮，目前還不大可能，但實驗和實踐證明，配有外索的預應力結(jié)構(gòu)與有粘結(jié)的預應力結(jié)構(gòu)比較，其承載能力較低，在達到極限承載能力時，外部鋼索的應力遠低于有粘結(jié)鋼索的應力。計算抗彎承載能力時，外索的計算應力取值多大，可參考無粘結(jié)預應力結(jié)構(gòu)力筋的計算應力取值。日本石橋忠良認為，由于外索應力在荷載作用下其平均應變增加不多，可以近似地取其為有效預應力，或0.6倍的屈限強度（條件流限）, 對設計是偏于安全的。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n2抗剪n設計時要使混凝土、箍筋及彎起鋼筋的抗剪強度

20、大于扣除梁高變化影響的最終極限狀態(tài)時的剪力。這里彎起鋼筋應包括體外配筋的鋼索，由于鋼索在體外彎起后張拉時摩阻力的影響比有粘結(jié)索要小，其預剪力效果更為有利。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n二、使用極限狀態(tài)的檢算n彎曲裂縫的檢算可以計算裂縫寬度或名義拉應力，與規(guī)范限值相比較。n根據(jù)裂縫分析結(jié)果特制定了以下兩條：n1恒載作用時，鋼筋的拉應力應限制在120MPa 以下；n2恒載作用時，按混凝土全截面有效計算，其拉應力應小于表13-1的容許值。n關于斜裂縫的檢算，根據(jù)現(xiàn)行的RC標準，列車作用時的剪應力應小于規(guī)定值，抗剪鋼筋的拉應力，應限制在20MPa以下。此外，撓度、變形和振動等根據(jù)需要進行檢算。體外配筋的混凝土

21、結(jié)構(gòu)n三、疲勞極限狀態(tài)檢算n采用外部鋼索由于梁體和預應力索之間沒有粘結(jié)，荷載引起的預應力索的應變可轉(zhuǎn)化為錨具間（或兩支之間）平均應變，因此，預應力索應力的變化幅度很小，一般疲勞可不必檢算。但對于短跨梁，仍有必要進行檢算，值得注意的是疲勞最弱處為錨具附近部位。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n第四節(jié) 體外配筋預應力結(jié)構(gòu)的特殊問題n體外配筋的預應力結(jié)構(gòu)與一般體內(nèi)配筋的預應力結(jié)構(gòu)不同，它還有一些必須注意的特殊問題。n一、鋼索的防腐問題n鋼索的防腐由來已久，而對體外配筋結(jié)構(gòu)來說更為突出，因預應力鋼索全部或大部分布置在體外，如果沒有良好的防腐措施鋼索會受到嚴重的銹蝕。防腐得當，外索防腐比體內(nèi)索效果更好，因體內(nèi)索只能

22、靠壓漿和混凝土保護，而混凝土有一定的空隙，保護層厚度有限，易于滲水，鋼索和普通鋼筋都有銹蝕現(xiàn)象，防腐效果都不理想。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n而體外索為防護提供了有利方便的條件，其防腐措施不受限制，可根據(jù)具體情況靈活采用，現(xiàn)有以下幾種防腐措施。n1在聚乙稀套管中灌注水泥沙漿n美國的Long - Key橋的鋼索防腐就采用這種方法，但使用該方法的結(jié)構(gòu)換鋼索比較困難，為便于抽拔鋼索應做到以下幾點： n(1)在鋼索穿入混凝土的地方，管道必須是直的或做成圓形，且彎曲半徑要大。n(2)在鋼索穿入混凝土處必須設置雙層套管，其材料可用鋼管和塑料管，兩層套管之間應填充一些使它們抽拔鋼索時，容易產(chǎn)生相對滑動的材料。n(3)錨固裝置應盡量設得簡單些。體外配筋的混凝土結(jié)構(gòu)n2在套管內(nèi)灌入防銹脂n在套管內(nèi)灌入石蠟或黃油，注入套管時需將其加熱易于灌入并與鋼索粘結(jié)更好。一般加熱到50100。法國的一些橋梁和一些修補加固結(jié)構(gòu)的外索采用了這種方法。n