新型预应力组合结构桥梁

新型预应力组合结构桥梁新型预应力组合结构桥梁概念设计【摘要】本文简要介绍了预应力组合结构桥梁的发展历史、构造形式和特点等，并在传统的预应力组合结构桥梁的基础上提出了两种新型预应力组合结构桥梁的概念设计方案，讲述了这两种新型桥梁方案的设计思路和特点，并对其适应条件和推广前景做了分析研究。【关键词】桥梁、组合结构、预应力、新型预应力组合结构、概念设计1引言随着材料科学的进步以及世界经济的发展，在传统的四大结构形式钢结构、木结构、混凝土结构和砌体结构之外，又产生了一种全新的结构形式——组合结构。由两种或两种以上的不同性质材料组合成整体共同参与工作的构件称为组合构件，由组合构件组成的结构称为组合结构。钢—混凝土组合结构是将钢材和混凝土两种材料组合到一起，形成共同受力、协调变形的结构新形式。它充分发挥了钢材优越的抗拉性能和延性，混凝土良好的抗压强度和刚度等优点，并利用混凝土改善了受压区钢材的整体和局部稳定问题。由于它能够充分发挥材料各自的优良性能，因而世界上很多国家开展了广泛的研究工作，使其在土木结构领域尤其是桥梁工程领域得到了广泛的运用。图1-1混凝土桥梁、钢桥、组合结构桥梁2预应力组合结构桥梁简介预应力钢一混凝土组合结构桥梁是一种将现代预应力技术和组合结构桥梁结合在一起的新型桥梁结构形式。对于普通连续组合结构桥梁，由于中间支座负弯矩混凝土桥面板受拉开裂后退出工作，导致截面刚度降低，承载力下降。桥面板开裂还会导致钢筋锈蚀，影响结构的耐久性。为了缓和或抑制负弯矩区混凝土板的开裂，提高结构刚度，可以在混凝土桥面板内施加预应力，抵消外荷载产生的拉应力，达到抗裂的效果。另外，预压钢梁可以提高钢结构的弹性范围或承载力。新型预应力组合结构桥梁2.1预应力组合结构桥梁的发展历程预应力组合结构桥梁至今已有几十年的发展历史。1934年，德国的FranzDischinger教授提出了用高强钢丝索对钢梁或组合梁施加预应力的思想，随后学术界和工程界展开了大量的研究和实践，促进了预应力钢一混凝土组合结构桥梁的不断发展。1957年，德国在Montabaur附近的Auback流域建成了一座三跨预应力组合连续梁桥，板梁两侧布置预应力筋，与普通组合梁桥相比，减轻自重33%，节约钢材用量28%。1964年，位于美国加利弗尼亚的三跨预应力组合连续梁，正弯矩区施加预应力引起内支座的次弯矩及负弯矩区的预应力，降低了混凝土受拉区应力、梁底部受压应力及跨中梁底翼缘的拉应力。1984年，T.Y.Lin国际公司于美国北Idaho设计的十跨BonnetsFerry预应力组合桥梁，内支座负弯矩区预加应力分为两个阶段，第一阶段在浇注混凝土桥面前对钢梁施加预应力，以控制其上翼缘的恒载应力；第二阶段，对混凝土桥面纵向施加预应力，以抵消活荷载产生的拉应力。2.2预应力组合结构桥梁的特点预应力钢—混凝土组合结构将组合结构的先进技术与现代预应力技术有机结合在一起，综合了预应力结构和普通组合结构的特点，它完善了钢—混凝土组合结构的受力性能，拓宽了组合结构的应用领域。与普通组合结构桥梁相比，预应力钢一混凝土组合结构桥梁的优势有：（1）采用预应力技术能够充分利用高强钢材，可以节约钢材，大大改善了连续结构中间支座区域的受力性能，与普通组合结构相比，预应力组合结构可以节约钢材10%～30%，降低总造价10%～20%；（2）施加预应力扩大了钢梁的弹性范围，调整结构内力分布，预应力可以显著提高结构的弹塑性阶段刚度，减小挠度；（3）预应力能够平衡全部恒载和部分活载，从而降低梁高，减轻结构自重；（4）预应力的施加降低了钢梁的最大拉应力，降低了有效应力幅值，改善了结构的疲劳和断裂性能，延长结构的使用寿命；新型预应力组合结构桥梁（5）在组合梁的修复加固中，采用体外预应力技术是一种经济有效、施工简便的方法，它不破坏原有结构，能够较为显著地改善结构使用状态，并提高结构的极限承载力。与预应力混凝土结构相比，它具有承载能力高，自重轻，抗疲劳性能好等优点。特别是跨越能力大，可以减小中间桥墩，缩短建桥时间。预应力钢一混凝土组合结构并不是完美的，存在着不足之处，主要表现为：（1）工艺较复杂，对施工质量要求甚高，因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍；（2）需要有一定的专门设备，如张拉机具等，而且预应力组合梁要耗用数量较多、质量可靠的锚具，锚固部位构造复杂，结构受力需进行专门分析；（3）对于体外预应力筋，锚头失效则意味着预应力的丧失，所以锚头应严防被腐蚀。2.3预应力组合结构桥梁的一般构造2.3.1预应力组合结构桥梁的截面形式预应力组合结构桥梁的截面形式可以分成如下几类：（1）混凝土翼缘的类型有现浇混凝土翼缘、预制混凝土翼缘、压型钢板混凝土翼缘，同时，混凝土翼缘又有无承托和有承托之分；（2）钢梁的类型有工字型钢梁、闭口钢箱梁、开口钢箱梁；（3）连接件的种类和布置形式有单排和多排布置形式、有柔性和刚性连接件；以上各种形式相互组合形成多种多样的预应力组合梁的截面形式，其中常用的有：T形预应力组合梁（有承托和无承托）、预应力闭口钢箱组合梁、预制混凝土翼缘组合梁、预应力钢一混凝土组合箱梁等。新型预应力组合结构桥梁图2-1预应力组合结构桥梁的截面形式2.3.2预应力组合结构桥梁的布束形式由于预加力可以认为是对组合构件施加的外荷载，因此，在实际工程中可以根据不同的使用荷载和结构内力，选用不同的布筋形式，使预加力对构件施加的作用力方向与外荷载方向相反，以平衡外荷载。一般对于受均布荷载或较均匀分布的集中荷载的梁，可采用二折点的布筋形式；对于受较大的集中荷载的梁，预应力筋宜在集中荷载位置折弯，采用单折点的布筋形式，以期在弯折点产生较大的反向作用力；另外，还可利用直线型布筋，利用偏心距在梁两端产生预加弯矩和轴力。预应力筋的锚固点宜位于梁端的项面，二折点筋的折弯点宜位于距梁端1/4—1/3跨度的范围内，以期产生较大的反向弯矩和剪力，同时预应力筋的弯折角度也不至于太大。目前在实际工程应用中，预应力钢一混凝土组合梁的布索形式有多种：（1）仅布置体外预应力钢束；（2）混凝土翼缘内布置体内预应力钢束同时布置体外预应力钢束；（3）连续梁负弯矩区布置体外预应力钢束。新型预应力组合结构桥梁其中体外预应力钢束的布置形式根据转向块的数量可分为：（1）直线无转向块的布索形式；（2）一个转向块的布索形式；（3）两个转向块的布索形式；（4）多个转向块的布索形式（可以近似看作抛物线形的布索形式）。不同的布索形式会对预应力钢一混凝土组合梁的受力性能产生一定的影响。就简支预应力组合梁而言，当体外预应力钢束自由长度较大时，由于极限状态下梁体挠度大，二次力影响的程度也随之加大，故适当增加转向块的数量能增大结构在荷载作用下的应力增量，充分发挥预应力钢束的作用，但转向块处组合梁的底板或腹板的受力情况是很复杂的，当转向块的数量过多时，将可能导致底板或腹板的屈曲破坏，因此合理选择预应力钢束的布置形式，是预应力钢一混凝土组合梁设计的重要组成部分。2.3.3预应力组合结构桥梁的抗剪连接键剪力连接件的布置形式是由剪应力在梁长范围内的分布形式和剪力连接件的类型决定的，试验证明，梁长方向上的剪力分布略有不同，在跨中截面附近滑移变化最大，其余大部分截面的滑移分布几乎是均匀的，，故在设计连接件时，采用均匀布置连接件符合理论要求。除了沿梁跨设置抗剪连接件外，在梁的端部也应设置端部连接件，端部连接件承受由于混凝土收缩引起的应力。端部连接件一般采用工字钢或T型钢，并在其上焊接锚筋，锚筋直径与根数由计算决定。同时需要注意的是，某些连接件的设置方向与受力方向有关，这主要是出于以下几个方面的考虑：（1）连接件的尖劈部分不宜迎向压力方向；（2）有利于抵抗掀起；（3）锚和环钩的倾斜方向应顺向受力方向。圆头栓钉剪力连接件能够很好地解决这些问题，首先，无方向性能够很好地抵抗各个方向的剪力；其次，扩大的头部能够抵抗混凝土翼缘的掀起作用，因此在实际工程中得到了广泛的应用。2.4预应力组合结构桥梁的预应力施加方式预应力组合结构桥梁的预应力施加方式主要有体内预应力钢束法、预弯法、支座位移法、体外预应力法以及各种方法的综合运用。为了获得更好的预应力效果，可能还需要配合合理的混凝土浇筑顺序，或调整抗剪连接键的作用时间。新型预应力组合结构桥梁2.4.1体内预应力钢束法对支座附近桥面板直接施加预应力，即在混凝土桥面板受拉区域设置预应力筋，如所示。预应力可以在桥面板与钢梁组合后施加，也可以在组合前施加预应力。需要注意的是在组合后施加的预应力一部分将由钢梁分担，因此预应力效应不如组合前施加。在中间支座附近，产生了较大的预应力综合弯矩，能够有效地给混凝土项板施加预压应力，减小钢梁截面，但是在现场施加预应力施工周期较长图2-2张拉预应力钢束法内力示意图2.4.2预弯法采用预弯技术可以在组合梁内形成预应力，其基本原理为：对组合梁的钢梁部分施加预应力使其产生与成桥时相同方向的变形，并约束固定，然后浇筑混凝土，待混凝土达到强度后卸除对钢梁的约束，则可利用钢梁的弹性回复力对混凝土施加预应力。实现钢梁预弯的方法主要有夹具固定法和预加荷载法。夹具固定法利用专门的夹持器具固定预弯的钢梁，放松夹具获得回复力；预加荷载法是在钢梁的受压区堆载预压，卸载时获得回复力，从而在混凝土内产生预压力。2.4.3支座位移法将中间支座上的钢梁预先抬升某个高度，然后浇注混凝土桥面板，待混凝土硬化后使组合梁中间支座强迫向下位移到设计位置。使钢梁受拉混凝土受压，间接给桥面板施加预应力，预应力作用下，全桥均产生下缘受拉的正弯矩。当对多跨梁的所有中间支座同时顶升时，顶升高度较大，安全性难以保证，施工成本也上升。这种情况下，可以采用逐个支座顶升及其合理浇注混凝土桥面板的施工方法，其项升高度可以大幅下降。由于普通钢梁在长期荷载作用下的松弛性能研究新型预应力组合结构桥梁尚不充分，这种方法所建立的预应力长期损失有待深入研究。若干年以后，预应力有可能损失殆尽。图2-3支座位移法2.4.4体外预应力法在钢梁上施加体外预应力作用，通过预应力筋线形的合理布置，可以在支座负弯矩区产生较大的预应力正弯矩作用，能够限制混凝土翼板的开裂，因此体外预应力在组合连续梁中的应用更能够充分发挥其优越性能。体外预应力对组合连续梁产生的应力、应变、变形等作用可用等效荷载进行分析。体外预应力布筋方式分两种，即直线型布筋和折线型布筋，如下图所示。图2-4直线型布筋图2-5折线型布筋3新型预应力组合结构桥梁概念设计从前面章节的介绍可知，经过几十年的研究和实践，预应力组合结构桥梁取得了不少令人可喜的成绩，但仍然存在着理论不够完善、施工较为繁琐的问题，新型预应力组合结构桥梁这些弊端制约着预应力组合结构桥梁这种桥梁结构形式的推广。这些问题正需要国内外学者去努力解决。笔者在学习了刘老师讲授的《组合结构桥梁》课程之后，对组合结构桥梁有了一些初步的认识和自己的思考。基于传统预应力组合结构桥梁的优势和不足，笔者提出了新型预应力组合结构桥梁的概念设计方案，限于现有水平，若有错误或不合理之处，还望刘老师批评指正。3.1基于传统形式的新型预应力组合结构桥梁方案设计3.1.1波形钢腹板预应力组合结构桥梁减轻大跨度预应力混凝土桥梁上部结构的重量是桥梁结构技术革新的一个重要方向。对于预应力混凝土箱梁而言，由于需要在腹板内布筋和使预应力筋转向，必须增加腹板厚度，腹板面积可占总截面面积的25%—35%。因此，减小腹板厚度对减轻箱梁自重和减少预应力筋用量是比较有效的途径之一。工程实践表明，用波形钢腹板替换混凝土腹板，可减轻自重，有效改善结构受力性能施工性能以及经济性能，充分发挥材料潜能，提高材料效率，改善结构的施工性能正常使用性能和长期性能。然而，传统的波形钢腹板组合梁（如图3-1所示）在下翼缘混凝土板浇筑时，需现场搭设满堂支架以支撑模板，存在现场作业及施工难度较大等问题，同时下翼缘混凝土板和下翼缘钢板的结合部由于浇筑空间狭小，混凝土浇筑质量难以保证，影响结合部的受力性能；另一方面，下翼缘混凝土板通过连接件悬挂于波形钢腹板下方，在正弯矩作用下容易过早开裂，