试论桥梁中体外预应力技术力学特性

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　　【摘要】通过探讨在桥梁实践中预应力混凝土结构中体内预应力体系在桥梁实践中相继暴露出来的问题，从而对于体外预应力体系得以发展相关问题进行重点分析，对于今后桥梁中体外预应力技术发展具有一定作用。
　　【关键词】体外预应力；体内预应力；摩阻损失；预应力损失
　　
　　1 体外预应力技术的发展
　　在预应力混凝土结构中，体外预应力的运用实际上要早于体内预应力结构，20世纪30年代，体外预应力桥梁最大跨径已达150m，但由于防护问题制约了其应用发展，而大量采用体内预应力。体内预应力体系在桥梁实践中相继暴露出一些缺点，例如箱梁腹板难以减薄、摩擦损失过大、密集的管道使混凝土浇筑困难、管道内压浆不密实使预应力筋腐蚀严重、甚至导致桥梁毁坏等[1]。
　　体外预应力得以发展，主要有以下几方面的需要[2]：(1)旧桥加固和提高荷载等级；(2)斜拉桥、悬索桥大量的发展，缆索防护技术的进步；(3)节段施工法成为长大桥施工技术的主流；(4)桥梁方案的竞争。
　　桥梁建设的经济性，不再只是桥梁结构本身材料的多少，而包含着施工速度、施工费用、施工质量的保证、营运管理维修费用等多方面综合经济技术的比较。对于长大桥梁和城市桥梁，标准化的经济跨径，施工方案更显出其优越性。
　　逐跨预制节段施工、悬臂以及顶推施工、斜拉桥、矮塔斜拉桥以及组合结构等建桥技术和桥型结构的发展结合着新材料、新工艺的应用，体外预应力束引起了人们的重视。应用新材料、新技术、新方法取得良好的综合经济效益，成为提高竞争力的关键。
　　2 体外预应力束的防护体系
　　2.1 整体套管，聚乙烯套管内压水泥浆。
　　2.2 单根钢绞线外热挤高密度聚乙烯(HDPE)防护套，无黏结成品索。
　　2.3 多重防护：随着斜拉桥与悬索桥的发展，对拉索与锚固体系防腐系统的研究与应用有了进一步的新成果，采用多重防护：第一层，在钢绞线的单根光面钢丝上涂环氧树脂；第二层，在外层PE和绞线间灌注专用防腐油脂；第三层，单根钢绞线外包PE；第四层，整束拉索外包HDPE护管。
　　摩阻损失：参照“桥规JTG D62―2004”，摩阻损失 计算公式：
　　式中μ、k分布为管道的摩擦系数和管道偏差以下系数；θ为曲线管道部切线的夹角之和。对于体外预应力束，摩阻损失主要发生在端部锚固段和轴向块处，在轴向块处，由钢束的轴向偏角及偏角施工误差是不能被忽视的。与体内束相比，体外束与梁体砼接触段很少，一般情况下，摩阻损失远小于体内束布置的结构。
　　2.4 张拉控制应力
　　根据桥规(JTG D62―2004)规定钢绞线的张拉控制应力(体内预应力)为：
　　这项规定，考虑了每根钢绞线所受张拉力不均匀可能导致断筋，同时高应力作用下使构件预压值可能出现纵向裂缝以及钢材屈服点的不均匀性等综合因素。
　　体外预应力束与体内预应力束在张拉锚固端张拉顶段的工作条件没有太大区别，理论上科研采用同样的张拉控制应力。但是由于体外预应力束预应力损失总体上要小，所以大多情况下实际上是由使用阶段的应力极限值所控制。
　　2.5 承载能力极限状态
　　计算体内有黏结预应力砼结构的极限承载能力时，假定界面的钢束达到了材料强度的极限状态(“桥规”2004取材料强度设计值)。体外预应力砼结构与体内预应力砼结构不同，由于体外预应力钢束的应变与砼梁体的应变在通常不会达到屈服，从而导致抗弯能力的减小。极限状态下的承载能力计算方法与体内预应力结构不同。现在通常的计算方法是采用一个通用的钢束极限应力公式，这个公式是通过试验总结获得，多个国家都有所不同。
　　3 力学特点
　　3.1 与有黏结的预应力体系(体内预应力)的受力及应变情况不同，有黏结预应力混凝土中预应力筋的应变与其相黏结处的混凝土应变是一致的。
　　体外预应力钢束的变形与混凝土主梁在同一截面处不协调。体外束不随梁体一起变形，仅在锚固处和转向装置处受梁体约束。体外束对于截面的偏心矩随着构件变形而减小，从而降低预应力的效应(二次效应)。在结构计算中对结构刚度没有贡献。
　　3.2 应力限值：在外荷载作用下，体外钢束在与梁体结点之间的应力增幅是均匀的。一般认为，在荷载作用下，体外束的应力变化幅度比体内预应力束的要小。这个结论在概念上为世界多国认可。对于体外索的应力限位问题还应考虑体外束的疲劳性能和锚固系统、转向块处的受力及疲劳特性。世界多国对体外束在使用阶段的应力限值的规定不同。
　　我国尚没有关于体外预应力束的专门规范，从应力变化幅度比体内束要小的概念，似乎对于预应力束应力限值可以比体内束高些，但是从疲劳方面考虑，对应力限值取较低值比较适当。我国85“桥规”和2004“新桥规”对使用阶段预应力钢绞线的应力限值均为 ( 抗拉强度的标准值)。目前，对体外预应力的预应力损失尤其疲劳特性(包括锚具)缺乏系统的理论和实际经验总结的情况下，建议对使用阶段的预应力极限值(扣除损失)取 。
　　3.3 预应力损失：体外束同体内束一样，施加的预应力存在一部分预应力损失，主要包括摩阻力损失(端部锚固端、轴向块外的偏角误差及管道摩阻力)、分批张拉引起的弹性压缩损失和时效损失(钢筋松弛和砼收缩徐变)等。摩阻损失要比有黏结体内预应力束小很多。但有关计算参数需要根据实测结果不断积累经验。
　　4 应用
　　4.1 列举不同类型采用体外预应力技术的桥梁
　　4.1.1 空心板梁桥：某预应力砼空心板简支梁桥，由于栏板间的联结不好，造成全桥整体性差，汽车行驶时单根受力。加固方案：板间缝填筑细粒砼，板下缘施加横向预应力，采用体外钢绞线预应力束。
　　4.1.2 大跨径连续刚构桥：某黄河大桥为跨径160m的连续刚结构，腹板裂缝严重，跨中下翘。加固方案：腹板开裂区粘贴碳纤维片和钢板，同时在箱梁内设置体外预应力束。
　　4.1.3 桥墩盖板：某桥尚未建成，因道路等级提高，荷载标准要求提高，对已施工完成的桥墩盖梁采用体外预应力束加固。
　　4.2 节段施工的桥
　　节段施工可分为预制节段逐跨拼装和节段现浇(悬臂施工或顶推施工)，这两种方法都由体外预应力技术的采用，使其成为很有竞争力的桥梁建设方案。
　　20世纪80年代，以法国人设计的美国佛罗里达州的LONGKEN桥和科威特(Bybiyall)桥采用预制阶段逐跨拼装施工方案，由拱体外预应力技术的应用，传统的预应力砼箱梁结构上、下部自重减少约20％-40％，预制节段保证了砼质量，加快了拼装架设速度，减少了砼收缩徐变对变形的影响，同时由于预制块体小，使得运输对施工环境破坏小，这些优点进一步推动了节段拼装施工法的发展，对运航要求不高的长大桥以及交通组织困难的城市交架桥梁、轻轨桥梁中有着非常大的优势。
　　采用悬臂施工或顶推施工的预应力砼连续梁桥，通常采用体外索与体内索相结合的混合约束方法，用体外束代替以往在砼箱梁腹板内的钢索，腹板厚度得以减少，同时腹板砼的浇筑更易保证质量。这类结构预应力索分为结构用索和施工用索，施工用索采用体外索更容易拆除及重复使用。
　　当采用悬臂浇筑施工时，悬臂索设计或直线的体内索置拱顶板中，成桥后张拉的连续束设计成体外索，更易穿索，免去灌浆工序。
　　4.3 预制节段拼装施工的桥梁
　　预制节段施工方法相对于现浇施工具有安装架设速度快，砼收缩徐变小的特点，是长大桥和城市桥梁具有竞争能力的结构型式。悬臂拼装或逐孔拼装均需要采用体外预应力束，有时同时还配有体内预应力钢束。体外预应力钢束有两种：施工用束(在施工过程中不可拆除)和永久用束。
　　4.4 波形钢腹板箱梁桥
　　在砼箱形梁桥中用波形钢腹板取代砼腹板，使上部箱梁重量可减轻20％，同时由砼波形钢腹板不抵抗使用的轴向力，能有效对底板施加预应力，减少了预应力损失，纵向预应力钢筋也可以减少，改善了结构性能，提高预应力效率；另外，克服了经常发生的腹板裂缝问题，减少了桥梁加固维修费用，提高了寿命。已经成为一种新的有发展潜力的结构形式，连续梁、“T”形钢构、矮塔斜拉桥、斜拉桥等多种型式桥梁在国外都有成功应用。
　　参考文献：
　　[1]徐志强. 体外预应力技术加固桥梁的研究与发展[J]. 公路与汽运, 2007,6.
　　[2] 林冰花, 谭德盼. 体外预应力技术的发展[J]. 山西建筑, 2007,33(8).
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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