57许树壮-体外预应力技术在上海长江大桥中的应用.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 体外预应力技术在上海长江大桥中的应用 许树壮 （上海市政工程设计研究总院，上海200092） 提 要 体外预应力是指将无粘结的预应力钢束布置在混凝土结构的截面之外。由于体外预应力技术极大地加快了结构物的施工速度，因此，其在混凝土桥梁结构中的应用越来越广泛。本文简要介绍了体外预应力技术在上海长江大桥浅滩区60m跨引桥中的应用以及结构的构造和设计计算。 关键词 混凝土结构，体外预应力，短线法预制，节段拼装，耐久性 1概述 20世纪70年代以来，体外预应力预制节段拼装桥梁逐渐在世界各国得到推广应用。桥梁结构的造价不仅仅由桥梁结构本身的材料指标来确定，而是由施工速度、直接施工费用、对施工质量的把握以及桥梁的管理维护等诸多方面共同决定的。而采用预制节段拼装施工的体外预应力混凝土桥梁往往是一种简单、经济的桥梁结构方案，这在一定程度上促进了体外预应力预制节段拼装桥梁的发展。 上海崇明越江通道长江大桥工程（简称“上海长江大桥”）位于上海市东部，是为完善我国沿海交通大通道，改善上海市交通系统结构和布局，综合开发崇明岛资源，促进苏北经济发展，进一步增强和发挥浦东的经济发展而兴建的一项特大型基础设施工程。靠近崇明岛北港北侧的堡镇沙浅滩区引桥为了方便施工和提高结构的耐久性，便于以后的养护和检测，采用了体内、体外混合配束的预应力混凝土预制节段拼装连续梁桥。 2结构的构造设计 上海长江大桥工程的60m跨引桥共布置五联，其中两联为七跨连续梁，三联为六跨连 许树壮，男，1978.11出生，博士研究生，助理工程师 续梁。桥梁分近期和远期分别实施，近期按双向六车道加紧急停车带设计，远期按双向六车道加轻轨设计。 桥梁采用体内、体外混合配束的方式，截面形式为等高度的单箱单室箱形截面，截面高度为3.6m高跨比为1/16.67，箱梁顶板厚度28cm（桥面无混凝土铺装层），底板厚度为25cm，腹板厚度为40～85cm。体外预应力束的布置如图1所示，钢束采用Φs15.2-23，每跨跨中有6束体外钢束通过。 图1 体外预应力钢束布置（单位cm） 由于桥梁跨径为60m，如果采用预制节段整孔拼装会使架桥机的荷重过大，很不经济，故采用预制节段悬臂拼装法施工。本桥梁体全部采用短线法进行预制，混凝土材料选用C55高性能混凝土。预制节段长度为3m～4m，吊装节段的最大重量为128t，中跨的预制节段划分如图2所示，每跨划分为18个节段，包括2个墩顶段、2个转向节段和14个标准节段。考虑到墩顶实体段的重量较大，为了控制起吊重量，实体段采用预制和现浇相结合的方式进行施工。预制节段的剪力键采用密齿型剪力键，接缝采用环氧树脂胶接缝，转向块采用横梁式。 图2 节段划分示意（单位cm） 3结构计算分析 3．1计算方法 在体外预应力结构中，预应力束锚固在端横梁或中横梁上，通过转向块调整预应力束的走向，以适应梁的受力要求，并且对换算截面没有贡献。除了在锚固和转向区内，预应力束与梁并无接触，因此在受到外荷载作用时，在相同截面上，体外预应力束的应变与主梁的应变不协调。体外预应力束的应力发展将不同于体内预应力束，通常在极限状态下不会达到屈服，从而导致其抗弯能力的削弱。 与有粘结的体内预应力混凝土桥梁的计算相比，本桥的计算分析主要需要解决体外预应力束应力损失计算、体外预应力束在极限状态下的应力取值和体外预应力束在极限状态下的二次效应三个特殊问题。 3．1.1体外预应力钢束的预应力损失估算 正确估算预应力损失是进行预应力混凝土构件应力和变形计算的前提。按施工程序上划分，体外预应力混凝土仍属于后张法范畴，从理论上讲应考虑转向处的摩擦力、锚具变形、束筋回缩、接缝压密、混凝土的弹性压缩、体外预应力钢束的应力松弛、混凝土的收缩和徐变等因素引起的预应力损失。 体外预应力束在转向处的摩擦引起的预应力损失按下式计算 （1） 式中，为体外预应力束的锚下张拉控制应力（MPa）；本桥计算中取用0.66，为体外预应力束的抗拉强度标准值（MPa）；为体外预应力束与转向处管道壁的摩擦系数；为从张拉端至计算截面所经过的转向管道的累计偏转角（rad）。 锚具变形、束筋回缩、接缝压密引起的预应力损失和体外预应力钢束的应力松弛引起的预应力损失与体内有粘结预应力钢束同样处理，按文献[3]计算。 由混凝土的弹性压缩引起的预应力损失和混凝土的收缩、徐变引起的预应力损失与两个锚固点之间的总变形有关，与体内有粘结预应力的计算明显不同。 由混凝土的弹性压缩引起的预应力损失按下式计算 （2） 式中，为后张拉的各批钢束引起的先张拉的体外束两锚固点间的纵向累计总变形；为体外束的弹性模量；为两锚固点间体外束的总长。 混凝土的收缩、徐变引起的预应力损失按下式计算 （3） 式中，为混凝土收缩和徐变引起的体外束两锚固点间的纵向总变形；为体外束的弹性模量；为两锚固点间体外束的总长。 计算总变形和时，首先按照与体内有粘结预应力钢束相同的计算方法计算出各截面处的应变值，然后积分求出两锚固点间的总变形。 3．1.2体外预应力钢束在极限状态下的应力和有效高度取值 在对桥梁进行承载能力极限状态计算分析时，主要应用了同济大学李国平教授的研究成果。在极限状态时，体外预应力束的应力一般达不到其抗拉强度设计值，其正截面抗弯承载能力大约为体内有粘结预应力混凝土结构的85～90，极限状态下体外预应力束极限应力的合理取值是进行承载能力计算的前提。另外，体外预应力束的有效高度损失是体外预应力混凝土结构与体内预应力混凝土结构在承载能力极限状态分析时的一个根本区别，文献[2]对体外预应力混凝土连续梁在极限状态的有效高度问题进行了大量的试验研究和理论分析，并得出了相关结论。 本桥设计中体外预应力束极限应力按下式计算[2] （4） 式中，为体外预应力束的极限应力；为体外预应力束的永存预应力；为体外预应力束极限应力增量的折减系数，预制节段梁取用0.82；为预应力配筋指标；为体内有粘结受拉钢筋比率；为计算跨体外预应力束的长度；为锚具间体外预应力束的总长度；体外预应力束的抗拉强度设计值。 极限状态下，体外预应力束的有效高度与跨高比、体内配筋比率、施工方法、转向构造间距等因素有关，预制节段拼装桥梁的体外束极限状态有效高度采用下式计算[2] （5） 式中，为梁的计算跨径；为计算截面处转向构造的间距；其余符号的意义同前。 3．2计算结果 在荷载（作用）的标准值组合下，结构的最大压应力为17.25MPa，最小压应力为1.4MPa，既能满足文献[3]规定的C55混凝土最大容许压应力17.75MPa，又能满足预制节段拼装桥梁要有一定的压应力储备的要求。在承载能力极限状态组合下，对结构各不利断面处的承载能力进行验算，最不利的边跨跨中断面的弯距设计值为191178KN.m，按文献[2]计算的结构抗弯强度为206080KN.m，承载能力利用率为92.8，按文献[3]计算极限应力取永存预应力并不考虑二次效应的影响的结构抗弯强度为211895KN.m，承载能力利用率为90。 另外，抗裂验算、主拉应力、主压应力和抗剪承载能力按文献[2]、文献[3]和文献[4]的相关规定进行了验算，均能满足要求，由于篇幅限制，此不赘述。 4体外预应力钢束的耐久性设计 体外预应力体系一般由体外预应力束、管道及防腐材料、转向块、锚固系统等部件组成。按防腐体系的不同,体外预应力体系可分为有粘结体外预应力体系和无粘结体外预应力体系。有粘结体外预应力体系指体外预应力束与防腐材料间存在粘结应力的体系,如预应力束张拉后直接灌入水泥浆使束筋与水泥浆胶体粘结在一起,这种体系比较经济，但不便于更换。无粘结体外预应力体系是预应力束与防腐材料间不存在粘结作用的体系,其优点是防腐可靠、束筋应力可调甚至可以更换预应力束，这种体系在国外应用比较多。 相关部门的调查研究结果表明，体外束外包套管，在体外束与套管之间灌注防腐材料的防腐方案，存在一定的问题。中国石化石油化工科学研究院与北京建筑工程研究院对一处使用了九年后因故拆迁的无粘结预应力建筑进行了检测，收集到实际使用了九年的无粘结预应力筋防腐润滑脂。经检测，其氧化稳定性变差，PH值降低。说明这种防腐润滑脂如果继续使用下去，无疑会大大降低对体外束的防腐作用。 由于采用灌浆防腐的体外预应力束的可靠性受到质疑，本桥的体外预应力钢束采用环氧喷涂无粘结钢绞线外包HDPE套管，如图3所示，这种体外束便于检测和养护，能够单根钢绞线进行更换。而且，环氧树脂是一种极其稳定的材料，具有可靠的防水能力，相当于在体外束筋表面形成了一层稳定的钝化层，能够阻止束筋的锈蚀。因此，采用环氧喷涂无粘结钢绞线外包HDPE套管的体外预应力束能够起到双重防护的作用，具有较好的耐久性保证。 图3 体外预应力钢束结构图 5结语 体外预应力预制节段拼装桥梁在我国有着广阔的发展前景，采用体外预应力预制节段拼装施工的桥梁结构，混凝土质量有可靠保证。而且，采用自身具有防护功能的体外预应力体系，可以同时阻止阳极腐蚀过程和阴极腐蚀过程发生，提高了结构的耐久性。 虽然体外预应力预制节段拼装桥梁初期投入要略高于传统的现浇施工桥梁，但从桥梁全寿命设计的角度分析，预制节段拼装桥梁却是一种更为经济的桥梁方案，因为其后期的养护管理费用与传统的现浇施工桥梁相比要小得多。而且，体外束位于结构之外，更便于检测和日常维护。 参 考 文 献 [1] 李国平，预应力混凝土结构设计原理. 北京人民交通出版社，2000 [2] 李国平，公路体外预应力混凝土桥梁设计指南（征求意见稿）. 公路体外预应力混凝土桥梁设计指南编写组，2005 [3] 郑绍珪，袁伦一，鲍卫刚，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）. 北京人民交通出版社，2004 [4] 鲍卫刚等，公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）. 北京人民交通出版社，2004 [5] 徐栋，徐海军，预制节段体外预应力桥梁的耐久性评述，同济大学学报，2003；（11）1261-1265 [6] 熊学玉，体外预应力结构设计. 北京中国建筑工业出版社，2005