預(yù)制預(yù)應(yīng)力高性能混凝土梁的挑戰(zhàn)

Word文檔預(yù)制預(yù)應(yīng)力高性能混凝土梁的挑戰(zhàn)目前在預(yù)應(yīng)力混凝土梁的制造中使用高性能混凝土（HPC），可以實現(xiàn)更大的跨越。通過增加梁間距，使上部結(jié)構(gòu)變得更薄，提高經(jīng)濟效益。HPC還可以提高混凝土的耐久性和抗開裂力量，同時降低滲透性，削減由于收縮、徐變帶來的影響。當(dāng)然，預(yù)應(yīng)力高性能混凝土梁在設(shè)計方面仍舊面臨不少新的挑戰(zhàn)，包括制造、運輸和架設(shè)過程。

最近，得益于大跨度預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土梁的標準進展，美國華盛頓州交通廳和其他橋梁的業(yè)主們，能夠使用他們喜愛的建筑材料來提高橋梁的跨越力量。大跨度預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土梁不再需要支架施工，削減了現(xiàn)場施工作業(yè)和調(diào)度的困難，以及對水道環(huán)境的影響，并最大限度地削減了對公眾出行造成的危害、延誤和不便。

高性能/高強度混凝土最近已成為華盛頓州大跨度預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋使用的標準材料。目前，預(yù)應(yīng)力混凝土的抗壓強度值為47.88MPa，達到28天齡期時的抗壓強度值為61.56MPa。

現(xiàn)行的主梁標準類型

在華盛頓州，預(yù)應(yīng)力工字梁的使用始于20世紀50年月初。當(dāng)時實施的州際高速大路項目（InterstateHighwayProgram）極大地加快了高速大路的建設(shè)。然而所面臨的挑戰(zhàn)是如何快速、經(jīng)濟、高效地在道路交叉口實施分級隔離。預(yù)應(yīng)力工字梁橋的經(jīng)濟性、制造質(zhì)量和施工便利性都受到了挑戰(zhàn)。

如今，華盛頓州80%以上的新建大路橋梁都是預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋。目前華盛頓州交通廳規(guī)定的標準預(yù)應(yīng)力工字梁型號為WF36G、WF42G、WF50G、WF58G、WF66G、WF74G、WF83G、WF95G、WF100G。

由于截面尺寸和運輸重量的限制，華盛頓州交通廳新制定了標準預(yù)應(yīng)力寬翼緣DBT型梁，其跨度最大可達64m。DBT型梁的截面寬度和高度均可變化，以適應(yīng)所需的跨度和橋梁寬度。如圖2所示，頂部翼緣寬度的變化范圍為1.22m-2.44m，高度的變化范圍為0.9m-2.54m。

通常來說，具有較寬翼緣的DBT型梁，比目前標準工字形梁的跨度力量提高了20%。將來可能會逐步淘汰現(xiàn)行的標準DBT型梁，以支持新的寬翼緣DBT型梁。

設(shè)計準則與施工方案

設(shè)計依據(jù)

預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的設(shè)計，華盛頓州交通廳采納了現(xiàn)行的美國聯(lián)邦州大路橋梁設(shè)計規(guī)范（AASHTOLRFD），具體內(nèi)容可參見《華盛頓州交通廳橋梁設(shè)計手冊》。

目前的設(shè)計原則是在正常使用極限狀態(tài)下，構(gòu)件預(yù)壓時受拉區(qū)混凝土不允許產(chǎn)生拉應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉掌握應(yīng)力為0.75fpu，極限值為0.8fpy。此時需要按全截面消壓考慮，且單跨預(yù)應(yīng)力梁不考慮中間墩的連續(xù)性，精確計算預(yù)應(yīng)力損失，以及考慮之后的鋪裝層影響。

華盛頓州交通廳對預(yù)應(yīng)力梁和橋面系的設(shè)計原則使得結(jié)構(gòu)更加耐用。而實行一些保守設(shè)計的緣由是

1.橋梁設(shè)計規(guī)范的定期修改補充。AASHTO設(shè)計規(guī)范經(jīng)受了從最初的容許應(yīng)力設(shè)計方法（ASD）、荷載系數(shù)設(shè)計方法（LFD），到現(xiàn)在的荷載和抗力系數(shù)設(shè)計方法（LRFD）。

2.為超高車輛碰撞而損壞的主梁儲備力量。超高車輛碰撞預(yù)應(yīng)力梁橋常常會導(dǎo)致鋼絞線斷絲或錯股。

3.預(yù)應(yīng)力梁的零張拉力設(shè)計，可確保主梁在使用狀態(tài)下不開裂，從而延長使用壽命。

4.增加預(yù)應(yīng)力束可提高混凝土梁的抗剪力量。

5.保守的設(shè)計假設(shè)可以提高橋梁的使用壽命，并降低橋梁在整個生命周期內(nèi)的成本。

6.考慮澆筑鋪裝層的影響。

預(yù)應(yīng)力梁的撓度和拱度

預(yù)應(yīng)力梁的最終撓度是各施工階段的彈性撓度與各時變參數(shù)的長期效應(yīng)的總和。

實際上，對上部結(jié)構(gòu)撓度的很多測量結(jié)果表明，一旦澆筑了橋面板，與梁形成整體后，其長期效應(yīng)撓度值將降至最低。不管是單跨還是多跨梁橋，橋面板在橫向上設(shè)置加強筋，都會消失這種狀況。緣由在于，當(dāng)橋面板與梁結(jié)合形成橋面系時，剛度得到了較大的提升。對于連續(xù)梁橋的上部結(jié)構(gòu)來說，連續(xù)性進一步加強了整體結(jié)構(gòu)的剛度。同樣，梁的徐變效應(yīng)被自重與橋面板混凝土的收縮抵消。

提高連續(xù)性的設(shè)計方法

華盛頓州交通廳依據(jù)連續(xù)梁的內(nèi)力包絡(luò)圖進行設(shè)計。預(yù)應(yīng)力梁在正常使用極限狀態(tài)下，應(yīng)承受靜載和活載產(chǎn)生的正彎矩，同單梁的受力特點。連續(xù)梁橋在中間墩處的橋面板上需設(shè)置加強筋，承受活載和自重疊加在一起的負彎矩。

預(yù)應(yīng)力梁由于收縮徐變產(chǎn)生的正彎矩會導(dǎo)致橫隔板處的混凝土開裂，為了不讓這些裂紋消弱連接件反抗負彎矩的力量，目前有幾種方法正在用于提高連續(xù)梁橋的連續(xù)性。

其中一種方法是，將梁下翼緣處的約束鋼筋布置在隔板中，以反抗正彎矩。而所需的鋼筋量取決于梁的設(shè)計使用壽命。但該方法的缺點是可能會增加預(yù)制拼接時的成本，以及待內(nèi)隔板達到設(shè)計強度后，影響橋面板的施工作業(yè)進度。

雖然單梁的設(shè)計成本略高于這種設(shè)計有削減正彎矩的梁，但整體施工方法具有經(jīng)濟效益。此外，閱歷表明，保守的設(shè)計性質(zhì)導(dǎo)致特別長久的結(jié)構(gòu)與改善超載力量。

在承受橫向荷載時，中間墩處的橫向連接與橋梁所處的地震帶有關(guān)。華盛頓州西部的橋梁都位于地震帶3和4，而華盛頓州東部的橋梁則位于地震帶2。

上、下部結(jié)構(gòu)之間的連接是預(yù)制混凝土梁橋進行抗震設(shè)計的關(guān)鍵。特殊是在中高度地震區(qū)的橋梁，假如上下部結(jié)構(gòu)缺少整體連接，會使柱頂表現(xiàn)為銷連接，從而對多排樁的基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的力。在上、下部結(jié)構(gòu)之間考慮用可以削減基礎(chǔ)所受到的彎矩。

連續(xù)梁橋中間隔板的現(xiàn)澆混凝土分兩個階段完成，以保證預(yù)制梁安裝后的穩(wěn)定性，并預(yù)防徐變效應(yīng)的影響。張拉的鋼絞線、鋼筋可以確保地震發(fā)生時橋梁能夠擁有足夠的連接性能。固定隔板的設(shè)計假設(shè)為：全部相鄰橋跨的主梁寬度、間距均相同，且最好為同類型的截面形式；主梁為既能承受活載，又能承受恒載的單跨形式；為承受負彎矩處的橋面板進行加固；確定上部結(jié)構(gòu)質(zhì)心處的塑性鉸合力；確定鋼絞線張拉的數(shù)量，以反抗地震正力矩；隔板設(shè)置加強筋以反抗質(zhì)心處的合力；在梁端截面內(nèi)配置抗剪縱筋。

在地震高發(fā)區(qū)的預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋中間墩上采納固定整體式隔板(抗彎矩)。這種狀況下，從梁的下翼緣伸出的預(yù)應(yīng)力鋼絞線被錨固在隔板上，形成柱頂塑性鉸所需的正彎矩。圖3顯示了華盛頓州交通廳采納的固定整體式隔板的細節(jié)標準。

整體式和鉸接式橫隔板均為半挑高結(jié)構(gòu)，加腋梁、隔板和模板的自重由下橫梁擔(dān)當(dāng)，而活載和附加的靜力荷載則由全部橫梁擔(dān)當(dāng)。此類結(jié)構(gòu)的施工消退了對臨時支撐的依靠。半挑高的橫梁分為兩部分進行澆筑，下部為預(yù)制梁供應(yīng)支撐，上部為橋面系供應(yīng)連續(xù)性。

預(yù)制蓋梁

預(yù)制蓋梁的設(shè)計，節(jié)省了現(xiàn)場澆筑混凝土等待成型、硬化的養(yǎng)護時間。圖4展現(xiàn)了華盛頓州正在施工的預(yù)制蓋梁。墩柱中的豎筋延長出來，穿過預(yù)留在蓋梁中的套管，套管由直徑4英寸（100毫米）的波紋鍍鋅金屬導(dǎo)管制成，并留有足夠的施工公差和灌漿空間。安裝完蓋梁后，蓋梁與現(xiàn)澆的混凝土墩柱一起發(fā)揮作用，鋼筋再通過預(yù)制蓋梁延長到隔板的頂部。

預(yù)制梁的運輸與架設(shè)

較長的預(yù)應(yīng)力混凝土梁在運輸過程中會受到很多因素的影響，例如梁的重量、長度、高度、橫向穩(wěn)定性，以及不同的運輸方式。多年來，華盛頓州交通廳對預(yù)應(yīng)力混凝土梁的處理和運輸都有明確的規(guī)定。但這些規(guī)定并沒有考慮到，由于使用高性能混凝土而可能消失的新狀況。筆者依據(jù)高性能混凝土在最初的幾座橋梁項目中的設(shè)計及現(xiàn)場閱歷，對華盛頓州交通廳的運輸標準進行了一些修改，以供參考。

混凝土抗壓強度要求

在運輸預(yù)制梁時，混凝土的抗壓強度要求通常打算了預(yù)應(yīng)力梁的設(shè)計，由于此時的要求已經(jīng)不再是正常使用狀態(tài)和強度極限狀態(tài)下的混凝土抗壓強度值。

計算表明，此時的強度水平也完全滿意正常使用極限狀態(tài)下的壓應(yīng)力要求。由于根據(jù)單跨的梁進行設(shè)計，在正常使用極限狀態(tài)下預(yù)壓受拉區(qū)不允許消失拉應(yīng)力，因此混凝土強度要求與該標準無關(guān)。

依據(jù)橫向穩(wěn)定性的要求，在沒有臨時的頂部鋼絞線的狀況下，將梁從模板上剝離需要混凝土強度降低到約54.47MPa，假如有6個臨時的頂部鋼絞線，那么這個值可以降低到約51.02MPa。假如是臨時頂部鋼絞線就地運輸所要求的混凝土強度約為59.29MPa。全部這些強度值都超過了現(xiàn)澆混凝土所需達到的設(shè)計強度。

對于使用長而重的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋項目，華盛頓州交通廳在初步設(shè)計階段就對梁的運輸和架設(shè)進行了討論，以確保能夠合理的建筑橋梁。在某些限制通行的工程中，梁的長度受到制約，需要實行預(yù)制拼接的設(shè)計。高度的限制問題通常以替代的路線或繞行路線來解決。華盛頓州交通廳將初步調(diào)查的結(jié)果，以特別條款的形式加入到了規(guī)范中。條款中規(guī)定了運輸路線、預(yù)估的通行許可證審批時間及費用、護送車輛的要求，以及對華盛頓州巡邏隊的要求。

橫向穩(wěn)定性

華盛頓州交通廳對在運輸和架設(shè)瘦長梁時使用臨時頂部鋼絞線來提高穩(wěn)定性做了具體的規(guī)定。這些鋼絞線要么先張拉，要么在梁被拆模后的某個時刻再進行張拉。不管是先張還是后張，都取決于制造商所采納的方案。

張拉的臨時鋼絞線僅在梁端約3m處粘結(jié)，而在梁的其余長度范圍內(nèi)不粘結(jié)。后張臨時鋼絞線在梁的一端錨定，另一端在3m處粘結(jié)，其余位置不粘結(jié)。

用于臨時鋼絞線的導(dǎo)管需要較大的尺寸且密封，以防止鋼絞線在切割時被束縛或粘結(jié)。切割后對鋼絞線的回縮進行測量表明，該方法允許鋼絞線在釋放后完全松弛。

在上翼緣引入臨時鋼絞線，對預(yù)應(yīng)力梁的設(shè)計也有好處。臨時的頂部鋼絞線可以削減瞬時的撓度和長期彎曲變形，從而削減現(xiàn)澆橋面加腋處所需的混凝土量。這也意味著需要更少的橋面板混凝土，以及減小了恒載產(chǎn)生的力矩。同時，臨時減小了的預(yù)應(yīng)力偏心距也降低了梁在釋放時的壓應(yīng)力，從而降低了所需的混凝土釋放強度。

不管采納先張法還是后張法，在張拉臨時鋼絞線時，都應(yīng)考慮其對長期撓度的影響。大多數(shù)高性能混凝土梁可以在沒有臨時鋼束的狀況下從模板上剝離，但這是以較高的混凝土釋放強度為代價的。然而，很多高性能混凝土梁需要臨時鋼束運輸。假如在設(shè)計中未考慮臨時頂部鋼束，其對長期撓度的影響將不利于施工，可以在運輸前對這些臨時的頂部鋼束進行后張拉，將其對拱度的影響降至最低。

接縫連接

預(yù)制混凝土構(gòu)件之間的縱向連接，最常見的是在剪力鍵處灌漿和在以肯定的間隔橫向焊接連接的組合。這種連接旨在傳遞剪力和防止縱向伸縮縫發(fā)生相對的豎向位移。然而，為了削減可能發(fā)生的裂縫和滲漏，需要對其進行改進。華盛頓州交通廳要求在不小于12.7cm厚的現(xiàn)澆橋面板的橫向和縱向上各加一層鋼筋。這樣的現(xiàn)澆橋面板可以削減對密封灌漿的需要，并在中間墩處供應(yīng)更好的連續(xù)性。

現(xiàn)澆混凝土選用4000D級混凝土，在橫向和縱向上均應(yīng)留有一層4號環(huán)氧涂層鋼筋，12.7cm厚的現(xiàn)澆混凝土橋面板在結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時，可以將其看作是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)。

可參考的快速設(shè)計圖表

為促進預(yù)應(yīng)力混凝土梁的快速設(shè)計，符合AASHTOLRFD和華盛頓州交通廳的標準，華盛頓州交通廳橋梁和結(jié)構(gòu)辦公室開發(fā)了設(shè)計幫助工具和計算機軟件，可以在WSDOT網(wǎng)站（http://./eesc/bridge）下載。

對于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，設(shè)計的第一步是確定跨徑、主梁尺寸、梁間距和預(yù)應(yīng)力鋼束。由于可行的設(shè)計方案眾多，為了關(guān)心工程師高效地進行橋梁設(shè)計，華盛頓州交通廳在其橋梁設(shè)計手冊中發(fā)布了橋梁跨徑布置圖表，利用該圖表，可以實現(xiàn)設(shè)計方案的快速比選，從而確定最優(yōu)的橋梁設(shè)計方案。

高強度