適用于城鎮(zhèn)裝配的UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋總體參數(shù)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u2432適用于城鎮(zhèn)裝配的UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋總體參數(shù)設(shè)計(jì)案例 153741.1設(shè)計(jì)準(zhǔn)備 1279201.1.1橋型及標(biāo)準(zhǔn)跨徑設(shè)置 1228881.1.2截面尺寸擬定 4189831.1.3節(jié)段劃分 5236241.2箱梁橫截面設(shè)計(jì)研究 6101671.1.1加腋翼緣板尺寸調(diào)整 8294731.1.2橫截面受力性能分析 9118221.1.3頂板厚度調(diào)整 10291411.3預(yù)應(yīng)力體系研究 1188081.3.1預(yù)應(yīng)力體系 11205551.3.2線形設(shè)計(jì) 12126051.3.3配束設(shè)計(jì) 1446721.4整體受力性能分析 17226851.4.1設(shè)計(jì)資料 17108831.4.2整體受力性能 17251661.5小結(jié) 19UHPC材料作為新型材料在裝配式橋梁發(fā)展中的應(yīng)用處于起步階段，UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋也是近幾年逐漸興起。作為有望給傳統(tǒng)裝配式橋梁技術(shù)帶來革命性變化的橋梁形式，關(guān)于UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋甚至是UHPC梁橋相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是少之又少。本章將詳細(xì)分析UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋的總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)，研究UHPC梁橋截面尺寸擬定、節(jié)段劃分、預(yù)應(yīng)力體系選擇以及整體受力特點(diǎn)等諸多問題，研究對比UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋與于普通混凝土梁橋的設(shè)計(jì)差異。1.1設(shè)計(jì)準(zhǔn)備1.1.1橋型及標(biāo)準(zhǔn)跨徑設(shè)置UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋的總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵要解決橋梁結(jié)構(gòu)形式、標(biāo)準(zhǔn)跨徑范圍、箱梁截面尺寸擬定、節(jié)段劃分以及預(yù)應(yīng)力體系的選擇等問題。首先，通過搜集文獻(xiàn)及相關(guān)資料，對國內(nèi)外已設(shè)計(jì)修建完成的部分UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁的跨徑、主要尺寸、節(jié)段劃分等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，參考已有設(shè)計(jì)案例進(jìn)行跨徑選擇、節(jié)段劃分、以及箱梁截面主要尺寸的擬定，見表2-1。表2-1已建UHPC箱梁橋跨徑及主要尺寸橋名國家跨徑/m梁高/m高跨比頂板厚/m腹板厚/mPS34跨線車行橋法國47.41.631/290.140.12Bourg-lesValenceOA4橋法國21.50.91/250.250.11長沙北辰虹橋中國36.81.351/27.30.120.2UluChemor橋馬來西亞321.31/21.60.1250.1Titi橋馬來西亞5021/25.60.20.15Batu6橋馬來西亞10041/250.150.2從已建的UHPC橋梁中可以看出，UHPC梁橋適用跨徑范圍較大，在30-100m不等，不僅適用于中小跨徑橋梁，在100m左右的大跨徑橋梁中也得到廣泛應(yīng)用。普通混凝土節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋在我國工程建設(shè)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，設(shè)計(jì)資料以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累較多[43]-[47]，見表2-2。UHPC材料和普通混凝土之間具有很多的相似性，因此，在UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋設(shè)計(jì)資料比較缺乏的情況下，參考普通混凝土節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋的截面尺寸擬定與節(jié)段劃分方法也是大有裨益的。與此同時類比UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋與普通混凝土節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)的不同，找出符合UHPC材料特點(diǎn)的參數(shù)取值。表2-2普通混凝土節(jié)段拼裝梁橋的跨徑及主要尺寸橋梁名稱跨徑/m梁高/m高跨比橋?qū)?m節(jié)段劃分長度/cm虎門二橋455561.51.73.33.61/16.71/16.71/17.420（頂）10.4（底）247.5/300/325/350170265/350200255/300南京長江四橋引橋464850525431/15.31/161/16.71/17.31/1815.8（頂）6.2（底）219/235/240/250260/280/300/320綿陽飛云大道跨線橋31.2931.7121/15.61/15.913(頂)8.6(底)180/211/250/300廈門BRT橋252730321.81/13.91/15.31/16.71/17.89.8(頂)4.45(底)250/300/325上海長江大橋引橋603.61/16.716.95(頂)7(底)300/400上海新瀏河大橋421.21/19.17.5(頂)3.5(底)270/333從表2-2可以看出，目前已建成的典型普通混凝土節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋跨徑范圍在30-60m之間，超過50m跨徑的橋梁較少。普通混凝土梁橋標(biāo)準(zhǔn)跨徑適用范圍較小。目前已建成的UHPC梁橋跨徑在30-100m之間，超過50m的較大跨徑橋梁數(shù)量也較多，UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋跨徑適用范圍更廣。通過表2-1和表2-2、表2-4的對比發(fā)現(xiàn)，UHPC箱梁的板件厚度一般為對應(yīng)普通混凝土板厚的1/2~2/3，橋梁的高跨比在1/25-1/30之間。由于板件厚度的減小帶來結(jié)構(gòu)自重降低，更加便于節(jié)段運(yùn)輸與吊裝，再加上UHPC材料耐久性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此推廣UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋在裝配式橋梁中應(yīng)用有較高的經(jīng)濟(jì)價值與現(xiàn)實(shí)意義。UHPC作為一種新材料，相比于普通混凝土，可以提供更高的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量。本文研究的UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋選擇的材料為UHPCR120，其材料力學(xué)特性與普通混凝土以及鋼結(jié)構(gòu)的比較見表2-3。表2-3UHPCR120與C50、Q345材料力學(xué)性能對比類型C50UHPCR120Q345密度ρ（kg/m3）240027007850抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值Ra35.585345抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值Ra23.160235抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值Rb1.656345彈性模量E（MPa）34504000206000比強(qiáng)度Ra/ρ（N0.01480.03150.0439根據(jù)表2-3所示，比強(qiáng)度作為分析材料特性的一個指標(biāo)，UHPCR120的比強(qiáng)度為0.315，高于C50混凝土0.0148，數(shù)值接近Q345鋼0.0439，其特性接近于鋼，因此可以在滿足強(qiáng)度要求下，UHPC結(jié)構(gòu)可以大幅度減小結(jié)構(gòu)體的自重。公路橋規(guī)規(guī)定橋梁跨徑小于或等于50m時，宜采用標(biāo)準(zhǔn)化跨徑?？鐝椒秶鷱?.75m-50m不等。實(shí)際工程中，節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋適用跨徑通常大于30m，公路橋規(guī)給出的標(biāo)準(zhǔn)跨徑為30m、35m、40m、45m、50m。本文研究的UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋?yàn)榱梭w現(xiàn)其相對于混凝土節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋適用跨徑的不同，體現(xiàn)UHPC梁橋大跨徑優(yōu)勢，本文選取50-100m區(qū)間作為標(biāo)準(zhǔn)跨徑，故確定UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋的標(biāo)準(zhǔn)跨徑為50m、75m、100m。目前，我國的節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋采用的橋梁結(jié)構(gòu)形式主要有連續(xù)梁、簡支梁和連續(xù)剛構(gòu)。為了更好地闡述UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋設(shè)計(jì)流程，適應(yīng)裝配式橋梁的標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)生產(chǎn)，并考慮的結(jié)構(gòu)之間的相似性，選取結(jié)構(gòu)形式簡單，更通用、更適合推廣的單箱單室等高簡支梁作為設(shè)計(jì)橋型。1.1.2截面尺寸擬定UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁截面尺寸的初步擬定，主要參考已建成UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁橋進(jìn)行，見表2-1，同時結(jié)合參考普通混凝土節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋細(xì)部尺寸擬定，見表2-4。法國PS34跨線橋[48]是較早設(shè)計(jì)的UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁橋，其建成于2005年，橋梁跨徑47.4m，橋面板寬度4.4m，單車道，全橋不配置普通鋼筋，僅縱向布置體外預(yù)應(yīng)力鋼束。PS34跨線橋采用的UHPC標(biāo)號為抗壓強(qiáng)度為150MPa，箱梁為等截面等高形式，梁高1.63m，頂板厚140mm，底板厚120mm，腹板厚120mm。箱梁梁體非常纖薄，全橋的UHPC材料用量僅為80m3，若采用C40混凝土則需要200m3。表2-4普通混凝土節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁的細(xì)部尺寸橋梁名稱懸挑長度/m底板寬度/m腹板斜率頂板厚度/cm底板厚度/cm腹板厚度/cm虎門二橋3.60.351.52827/4745/65南京長江四橋引橋40.653.12527/6025/50/5545/50/55/60/65綿陽飛云大道橋1.20.26025/3520/4045/75廈門BRT橋20.452282540/60上海新瀏河大橋1.470.423.5202032本次標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的橋梁為單向雙車道，橋面寬度擬定為9m，具體橋面布置為2×0.25m（欄桿）+2×0.75m（人行道）+2×3.5m（車行道）。在橋?qū)挻_定的條件下，參考法國PS34跨線橋的箱梁橫截面設(shè)計(jì)，并結(jié)合普通混凝土節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋細(xì)部尺寸的擬定，見表2-4，對50m、75m、100m標(biāo)準(zhǔn)跨徑的UHPC截面尺寸進(jìn)行初步擬定，見表2-5和圖2-1。表2-5標(biāo)準(zhǔn)跨徑UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁截面細(xì)部尺寸跨徑L/m梁高H/m高跨比H/L橋?qū)扺t及腹板間距/mm懸挑長度W/mm頂板厚度t/mm底板厚度t/mm腹板厚度t/mm上加腋尺寸axb/mm501.81/28900/600150200200-350150-350150/600751.81/26.5900/600150200200-350200-400200/80010041/25900/600150200200-350280-400200/800圖2-1箱梁橫截面尺寸擬定1.1.3節(jié)段劃分箱梁的節(jié)段劃分需要考慮多種因素。節(jié)段跨徑不同、架設(shè)工法等施工要素會影響節(jié)段劃分。另外，剪力鍵設(shè)置、預(yù)應(yīng)力鋼束布置以及體外預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向塊的布置位置等設(shè)計(jì)因素也會影響節(jié)段劃分。對于適用于城鎮(zhèn)快速裝配的橋梁來說，城市運(yùn)輸條件和架設(shè)設(shè)備的起吊重量對節(jié)段劃分影響較大。根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件，本文節(jié)段劃分的控制重量為50t。另外，預(yù)制節(jié)段的劃分也不應(yīng)該過小，這樣雖然滿足了運(yùn)輸和架設(shè)條件，但是過小的節(jié)段使架設(shè)工序增多，相應(yīng)的建設(shè)周期也會變得更長。因此，根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求和實(shí)際的運(yùn)輸架設(shè)條件合理的進(jìn)行節(jié)段劃分，從而滿足節(jié)段運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性及架設(shè)便利性的要求。本文研究的UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋節(jié)段劃分參考已建成的馬來西亞Batu6橋[49][50]。Batu6為單跨100m的節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋。主要參數(shù)取值為：橋面寬度5m，梁高4m，高跨比為1/25，頂板厚度150mm，底板厚度250mm，腹板厚度150mm。全橋節(jié)段共劃分為40個節(jié)段，其中跨中標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度為1.5m，全橋40個節(jié)段總重量為670t，其中跨中標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段重量為16.5t。如圖2-2所示。圖2-2馬來西亞Batu6橋節(jié)段劃分及截面尺寸本論文研究的UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋主要是為了適應(yīng)城市高架的快速裝配，采用公路運(yùn)輸方式，因此吊裝節(jié)段受車輛運(yùn)輸條件影響明顯。因此對上述節(jié)段劃分依據(jù)主要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)段運(yùn)輸和吊裝重量等控制變量。50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋共有17個節(jié)段組成，如圖2-3。共有梁端標(biāo)準(zhǔn)段（S1S17），錨固橫梁段（S2S16），梁端漸變段（S3S4S5S13S14S15），轉(zhuǎn)向塊節(jié)段（S5S6S11S12）和跨中標(biāo)準(zhǔn)段（S7S8S9）五種標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段。圖2-350m標(biāo)準(zhǔn)梁節(jié)段劃分從50m跨徑UHPC梁橋節(jié)段劃分（見表2-6）以及普通混凝土節(jié)段預(yù)制梁橋節(jié)段劃分（見表2-2）對比分析來看，普通混凝土節(jié)段劃分長度在1.5-3m左右，且均在4m以內(nèi)，節(jié)段吊裝重量普遍大于50t。而UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋在50t的吊裝控制重量的標(biāo)準(zhǔn)下，跨中節(jié)段長度仍可達(dá)到4m。因此，對中小跨徑節(jié)段預(yù)制橋梁來說，在相同的吊裝重量控制下，UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋可以有較大節(jié)段劃分，從而使得節(jié)段總體數(shù)量減少，進(jìn)而減少架設(shè)步驟，減少施工時間，實(shí)現(xiàn)快速裝配。因此不論是大跨徑還是中小跨徑節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁，從節(jié)段劃分方面來說UHPC材料也是更有利于大規(guī)模裝配式施工的。表2-650m跨徑UHPC梁橋節(jié)段劃分節(jié)段編號節(jié)段類型節(jié)段長度/m底板厚度/mm腹板厚度/mm自重/tA梁端標(biāo)準(zhǔn)段1.535035031B錨固橫梁段1.4535035030C底板漸變段3.0350-200350-15032D轉(zhuǎn)向塊節(jié)段3.020015028E跨中標(biāo)準(zhǔn)段4.0200150371.2箱梁橫截面設(shè)計(jì)研究箱梁頂板的橫向計(jì)算是箱梁橫截面設(shè)計(jì)的重要組成部分。其主要目的是確定表2-5初步擬定的截面頂板厚以及加腋尺寸是否符合設(shè)計(jì)要求。從表2-5初步擬定的尺寸可以看出，箱梁腹板間距為6m，間距較大，且腹板纖薄，梁體挖空率較大，在恒載、活載等外荷載作用下可能產(chǎn)生較大的橫向應(yīng)力。實(shí)際工程中，部分箱型梁體出現(xiàn)了縱向裂縫，嚴(yán)重影響橋使用壽命。在箱梁橫向計(jì)算中，50m、75m、100m標(biāo)準(zhǔn)跨徑頂板厚度及寬度相同，只有腹板厚度有所區(qū)別。因此，箱梁頂板橫向計(jì)算取50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑的UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋的橫截面尺寸，其初步擬定尺寸如圖2-4。圖2-4初步擬定50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑截面尺寸（單位：cm）50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋面寬度為9m，單向雙車道。計(jì)算長度取兩個節(jié)段長度8m，荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》車輛荷載進(jìn)行加載，如圖2-5。同時考慮自重，橋面鋪裝等恒載的影響。圖2-5公路車輛荷載平面立面布置（尺寸單位：m；力單位：kN）在箱梁橫截面強(qiáng)度計(jì)算時，車輛荷載不考慮其相互影響，只選擇車輛荷載后輪兩重軸進(jìn)行加載。車輛荷載加載的方式簡化為均布力加載到大小為0.2×0.6m的矩形上，忽略橋面鋪裝對車輪荷載的擴(kuò)散作用。車輛荷載的最不利位置考慮兩列對稱布載和兩列懸臂布載兩種情況，如圖2-6。a)兩列懸臂布載b)兩列對稱布載圖2-6車輛荷載最不利位置1.1.1加腋翼緣板尺寸調(diào)整利用通用有限元軟件ABAQUS建立箱梁三維實(shí)體單元模型，結(jié)構(gòu)模型采用減縮積分單元C3D8R進(jìn)行模擬，約束條件為梁端截面完全固結(jié)，計(jì)算結(jié)果如圖2-7。a)頂板上緣主拉應(yīng)力b)頂板下緣主拉應(yīng)力c)頂板上緣橫向應(yīng)力d)頂板下緣橫向應(yīng)力圖2-7兩列懸臂布載頂板應(yīng)力分布（單位：MPa）通過對初步擬定箱梁橫截面橫向計(jì)算可以看出，兩列懸臂布載作用下，最大主拉應(yīng)力和最大橫向正應(yīng)力均出現(xiàn)在腹板附近頂板上緣區(qū)域，如圖2-7a)和圖2-7c)，最大值分別為4.32MPa和4.30MPa，箱梁橫截面產(chǎn)生的拉應(yīng)力水平大于材料的抗拉強(qiáng)度。但此時頂板中部產(chǎn)生的拉應(yīng)力較小，如圖2-7b)和圖2-7d)，只有1.50MPa左右。根據(jù)腹板附近的頂板上緣區(qū)域橫向拉應(yīng)力云圖分布范圍，調(diào)整箱梁上加腋尺寸并將懸挑段截面向腹板變厚，以減小最大主拉應(yīng)力狀況，調(diào)整后截面尺寸如圖2-8。圖2-8調(diào)整后的50m跨徑跨中截面（單位：cm）1.1.2橫截面受力性能分析截面尺寸調(diào)整完成后，再次按照車輛荷載的最不利位置兩列對稱布載和兩列懸臂布載兩種情況進(jìn)行受力分析，計(jì)算結(jié)果如圖2-9，圖2-10所示。從圖2-8可以看出，頂板厚度為200mm時，兩列懸臂布載作用下，腹板附近的頂板上緣區(qū)域主拉應(yīng)力和橫向拉應(yīng)力均為1.5MPa左右，如圖2-9a)和圖2-9c)，拉應(yīng)力并未在此處達(dá)到最大值。最大主拉應(yīng)力和最大橫向拉應(yīng)力均出現(xiàn)在兩腹板中部的頂板下緣，如圖2-9b)和圖2-9d)，其值分別為1.92MPa和1.84MPa，最大拉應(yīng)力小于UHPC材料抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度。兩列懸臂布載作用下，箱梁橫截面應(yīng)力水平較小，強(qiáng)度富余較多。a)頂板上緣主拉應(yīng)力b)頂板下緣主拉應(yīng)力c)頂板上緣橫向應(yīng)力d)頂板下緣橫向應(yīng)力圖2-9調(diào)整加腋尺寸后，兩列懸臂布載頂板應(yīng)力分布（單位：MPa）從圖2-10可以看出，頂板厚度為200mm時，兩列對稱布載作用下，最大主拉應(yīng)力和最大橫向拉應(yīng)力均出現(xiàn)在兩腹板中部的頂板下緣，其值分別為3.22MPa和1.91MPa，最大拉應(yīng)力小于UHPC材料抗拉強(qiáng)度。兩列懸臂布載作用下，箱梁橫截面應(yīng)力水平較小，強(qiáng)度富余較多。箱梁在兩列對稱布載作用下產(chǎn)生的最大主拉應(yīng)力和最大橫向拉應(yīng)力，其值均大于兩列懸臂布載作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力值。因此可以確定對于這種腹板間距較大箱梁，橫向計(jì)算最不利荷載位置為兩列對稱布載作用，控制條件為箱梁頂板下緣拉應(yīng)力是否小于UHPC材料容許拉應(yīng)力。a)頂板上緣主拉應(yīng)力b)頂板下緣主拉應(yīng)力c)頂板上緣橫向應(yīng)力d)頂板下緣橫向應(yīng)力圖2-10兩列對稱布載頂板應(yīng)力分布（單位：MPa）1.1.3頂板厚度調(diào)整從1.1.2節(jié)計(jì)算可以看出，當(dāng)頂板厚度為200mm時，箱梁在車輛荷載最不利荷載作用下，箱梁橫截面強(qiáng)度富余較高，為了充分發(fā)揮UHPC材料強(qiáng)度特性，并進(jìn)一步減輕節(jié)段吊裝重量，可以對箱梁頂板厚度進(jìn)行一定的減薄。由于上節(jié)確定車輛荷載最不利位置為兩列對稱布載，因此不再計(jì)算兩列懸臂布載作用，計(jì)算結(jié)果見圖2-11。a)頂板上緣主拉應(yīng)力b)頂板下緣主拉應(yīng)力c)頂板上緣橫向應(yīng)力d)頂板下緣橫向應(yīng)力圖2-11頂板厚度180mm,兩列對稱布載頂板應(yīng)力分布（單位：MPa）從圖2-11可以看出頂板厚度減到180mm時，箱梁橫向計(jì)算在最不利荷載作用下（兩列對稱布載），箱梁頂板最大下?lián)?.3mm。產(chǎn)生的最大主拉應(yīng)力和最大橫向拉應(yīng)力位置均在兩腹板中部的頂板下緣，最大值分別為4.06MPa和3.66MPa。最大拉力接近UHPC材料容許值4.4MPa，頂板厚度不宜再減小。通過箱梁橫截面計(jì)算，調(diào)整箱梁頂板厚度及上加腋尺寸，調(diào)整后的箱梁橫截面尺寸見表2-7。表2-7標(biāo)準(zhǔn)跨徑UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁截面尺寸跨徑/m梁高/m高跨比橋面寬度及腹板間距/mm懸挑長度/mm頂板厚度/mm底板厚度/mm腹板厚度/mm上加腋尺寸/mm節(jié)段長度501.81/28900/600150180200-350150-350150/7504m751.81/26.5900/600150180200-350200-400200/10003m10041/25900/600150180200-350280-400200/10001.5m1.3預(yù)應(yīng)力體系研究1.3.1預(yù)應(yīng)力體系預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁按照配束方式的不同分為體內(nèi)預(yù)應(yīng)力配束體系、全體外預(yù)應(yīng)力配束體系和體內(nèi)-體外預(yù)應(yīng)力混合配束體系。對于目前預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)，橋梁施工方式以現(xiàn)澆混凝土為主，因而廣泛采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力體系。而對于節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁來說，采用體外預(yù)應(yīng)力體系經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上優(yōu)勢明顯[51]，如表2-8。表2-8體外、體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)區(qū)別類型體內(nèi)預(yù)應(yīng)力體外預(yù)應(yīng)力優(yōu)點(diǎn)①鋼束與梁體完全粘結(jié)，結(jié)構(gòu)截面變形協(xié)調(diào)預(yù)應(yīng)力傳遞效率高②錨固位置較為自由，可以直接錨固在箱梁腹板或內(nèi)部③鋼束包裹在混凝土內(nèi)部，鋼束不易腐蝕①鋼束布置體外，減小截面挖孔，不削弱截面②可定期檢查，明確鋼束應(yīng)力變化以及在必要時進(jìn)行及時更換③與節(jié)段預(yù)制拼裝工法相結(jié)合，施工速度快缺點(diǎn)①鋼束布置受到板件厚度限制，挖孔較多，削弱截面②管道布置、穿索、張拉工序較多，張拉控制質(zhì)量不易把握③體內(nèi)預(yù)應(yīng)力沒有較好的檢查手段，后期不能夠更換①通長束錨固在梁端，錨固橫梁應(yīng)力大，需要對錨固橫梁單獨(dú)設(shè)計(jì)②鋼束轉(zhuǎn)向需要單獨(dú)布置轉(zhuǎn)向裝置，且轉(zhuǎn)向裝置需要單獨(dú)設(shè)計(jì)③鋼束與結(jié)構(gòu)無粘結(jié)，截面變形不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生二次效應(yīng)UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁橋由于其自身具有優(yōu)異的材料性能，與普通混凝土箱梁相比，無論是頂板厚度還是腹板厚度都得到很大程度地減少，已有研究表明[16]，UHPC板件的厚度一般為對應(yīng)普通混凝土板厚的1/2~2/3，結(jié)構(gòu)自重減少40%-60%。因此對于UHPC箱梁來說，考慮到UHPC板厚纖薄的原因，不便于過多的開孔布置體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，宜采用體內(nèi)-體外混合配束體系。另一方面，對于節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁來說，由于UHPC箱梁腹板厚度大大減小，梁端節(jié)段抗剪能力可能不足，因此減小腹板的挖孔率尤為重要。同時，節(jié)段接縫位置處腹板還需設(shè)置剪力鍵，怎樣配置腹板束而不與剪力鍵發(fā)上沖突，這對預(yù)應(yīng)力鋼束的布置就有了更為嚴(yán)格的要求。而全體外預(yù)應(yīng)力配束體系與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力配束體系相比，將預(yù)應(yīng)力束全部布置在截面之外，同時在頂板、底板布置少量的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力來保證結(jié)構(gòu)安全，進(jìn)而解決UHPC由于板件纖薄而無法配束的問題。因此，對于UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋，采用逐跨拼裝的施工工法，建議采用全體外預(yù)應(yīng)力配束體系，僅在頂?shù)装甯郊硬贾蒙倭康捏w內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束以提高其抗彎極限承載力，進(jìn)而保障結(jié)構(gòu)安全?，F(xiàn)有已經(jīng)建成的UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋中也有很大一部分運(yùn)用了這一配束思路，如圖2-12。圖2-12Batu6橋體外預(yù)應(yīng)力的布置圖1.3.2線形設(shè)計(jì)1.總體布置要求單從抵抗彎矩荷載來說，體外預(yù)應(yīng)力鋼束的布束要求與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束并無根本性的區(qū)別，都是通過預(yù)應(yīng)力作用產(chǎn)生等效荷載來平衡外荷載。因此，布束的基本原則有以下幾點(diǎn)：（1）由于體外預(yù)應(yīng)力不受構(gòu)件截面尺寸及構(gòu)造影響，布束比較靈活，體外預(yù)應(yīng)力鋼束布束線形應(yīng)盡可能的接近荷載組合作用下的彎矩包絡(luò)圖。（2）體外預(yù)應(yīng)力的線形設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能的與外荷載相適應(yīng)。例如，當(dāng)外荷載主要為集中力作用時，預(yù)應(yīng)力鋼束宜在荷載作用位置轉(zhuǎn)向，從而提供作用方向相反的集中力來平衡外荷載；而外荷載主要受均布力作用時，應(yīng)該選擇多折線或折線與直線相結(jié)合的布束方式。（3）為了盡可能的提高預(yù)應(yīng)力對抵抗截面彎矩的貢獻(xiàn)，體外預(yù)應(yīng)力布束應(yīng)盡可能靠近底板，從而增大預(yù)應(yīng)力筋的偏心距。（4）需要單獨(dú)的分析和設(shè)計(jì)體外預(yù)應(yīng)力筋的錨固區(qū)和轉(zhuǎn)向裝置，從而保證預(yù)應(yīng)力效應(yīng)能夠有效傳遞。1.體外預(yù)應(yīng)力筋線形設(shè)計(jì)體外預(yù)應(yīng)力由于自身的特點(diǎn)決定了鋼束的線形以直線、折線以及兩者的組合為主。本次設(shè)計(jì)的UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋梁高并沒有變化，具體來說體外預(yù)應(yīng)力線形有以下幾種選擇：（1）直線束直線形體外預(yù)應(yīng)力鋼束沒有轉(zhuǎn)向位置，因此結(jié)構(gòu)內(nèi)部不需設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向裝置，鋼束兩端錨固在錨固橫梁或楔齒塊上，如圖2-13。圖2-13體外預(yù)應(yīng)力直線布束（2）單折線體外預(yù)應(yīng)力僅經(jīng)過一次轉(zhuǎn)向，鋼束兩端錨固在錨固橫梁，如圖2-14。圖2-14體外預(yù)應(yīng)力單折線布束（3）雙折線雙折線線形是體外預(yù)應(yīng)力鋼束布束最為常用的線形，預(yù)應(yīng)力筋有兩個轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)，鋼束兩端錨固在梁端錨固橫梁上。通過轉(zhuǎn)向裝置位置的不同來改變預(yù)應(yīng)力筋線形，從而達(dá)到更符合受力特點(diǎn)的布束形式，如圖2-15。圖2-15體外預(yù)應(yīng)力雙折線布束（4）多折線通過設(shè)置多個橫隔梁來改變體外預(yù)應(yīng)力鋼束轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)形成多折線，進(jìn)而擬合拋物線。采用多折線的布束形式，受力最優(yōu)，但是構(gòu)造復(fù)雜，不僅增大了結(jié)構(gòu)自重，更為施工流程帶來麻煩，如圖2-16。圖2-16體外預(yù)應(yīng)力多折線線布束實(shí)際工程中體外預(yù)應(yīng)力布束還應(yīng)遵循以下原則[52],如圖2-17所示：（1）體外預(yù)應(yīng)力鋼筋在轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)位置處不應(yīng)有過大轉(zhuǎn)向角度，且轉(zhuǎn)向角不大于15°。（2）對于應(yīng)用最為廣泛的雙折線布束形式來說，轉(zhuǎn)向塊設(shè)置位置宜在距離梁端1/4-1/3跨徑范圍內(nèi)。圖2-17體外預(yù)應(yīng)力布束原則1.3.3配束設(shè)計(jì)UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋預(yù)應(yīng)力配束設(shè)計(jì)，首先遇到的問題就是體內(nèi)束與體外束配比的問題，即如何合理的分配體內(nèi)體外束用量。參考普通混凝土梁橋體內(nèi)體外束配比，如日本四國的松山重信高架橋[53]，采用體內(nèi)體外混合配束，其中體外預(yù)應(yīng)力占70%以上；而香港藍(lán)巴勒海峽大橋上[54]，全橋采用體內(nèi)體外混合配束，其中體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋46束體外8束，體外預(yù)應(yīng)力占比只有20%。從已建成的UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)來看，由于UHPC箱梁板件厚度更為纖薄，無法大量布置體內(nèi)束，體外預(yù)應(yīng)力占比達(dá)到80%，甚至采用全體外預(yù)應(yīng)力配束。從以上統(tǒng)計(jì)資料可以看出，不同形式的橋梁對體內(nèi)體外束用量比例數(shù)值相差還是比較大的。以50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑配束設(shè)計(jì)為例，研究UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋體內(nèi)體外束合理配比，考慮到UHPC梁橋板件纖薄，配束應(yīng)以體外預(yù)應(yīng)力為主，經(jīng)過配筋計(jì)算，確定50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑體內(nèi)體外束用量配比，見表2-9。表2-950m跨徑體內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力配比預(yù)應(yīng)力配比底板處體內(nèi)預(yù)應(yīng)力底板處體外預(yù)應(yīng)力腹板處體外預(yù)應(yīng)力規(guī)格數(shù)量規(guī)格數(shù)量規(guī)格數(shù)量全體外無無27ΦS15.24814ΦS15.244體外體內(nèi)2:115ΦS15.24621ΦS15.24614ΦS15.244體外體內(nèi)1:114ΦS15.24827ΦS15.24414ΦS15.242在體內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力配比研究中，體內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力預(yù)應(yīng)力鋼束均采用ΦS15.24高強(qiáng)低松弛鋼絞線，張拉方式為兩端張拉，其中體外預(yù)應(yīng)力束張拉控制應(yīng)力為1209MPa，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉控制應(yīng)力為1395MPa。不同配比的體內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力立面布置如圖圖2-18所示。a)全體外預(yù)應(yīng)力b)體外體內(nèi)2:1c)體外體內(nèi)1:1圖2-18不同配比體外體內(nèi)預(yù)應(yīng)力立面布置圖（單位：cm）利用Madis計(jì)算體內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力不同配束方式截面應(yīng)力，分析箱梁截面腹板位置處剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力水平來判斷最合理的配束比例。50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑跨中兩側(cè)幾何尺寸及構(gòu)造相同，計(jì)算結(jié)果只取一半展示。計(jì)算結(jié)果如圖2-19。a)剪應(yīng)力b)主拉應(yīng)力圖2-19體外體內(nèi)預(yù)應(yīng)力不同配比應(yīng)力變化圖標(biāo)準(zhǔn)組合剪應(yīng)力分析取恒載和活載進(jìn)行組合，腹板附近剪應(yīng)力水平如圖2-19a)所示。從腹板位置標(biāo)準(zhǔn)組合剪應(yīng)力水平變化看，UHPC梁橋采用體內(nèi)體外配束時，隨著體外預(yù)應(yīng)力用量的增多，剪應(yīng)力水平逐漸下降。在結(jié)構(gòu)采用全體外預(yù)應(yīng)力配束時，結(jié)構(gòu)剪力應(yīng)總體水平達(dá)到最低。標(biāo)準(zhǔn)組合主拉應(yīng)力分析取荷載組合取恒載與汽車荷載組合。腹板附近主拉應(yīng)力水平如圖2-19b)所示。從腹板位置標(biāo)準(zhǔn)組合最大主拉應(yīng)力水平變化來看，隨著體外預(yù)應(yīng)力配比逐漸上升，腹板位置處主拉應(yīng)力明顯降低。由于體外預(yù)應(yīng)力能夠提供更為可靠的預(yù)剪力，主拉應(yīng)力水平才得以降低。因此，在沒有豎向預(yù)應(yīng)力筋作用下，只通過自由靈活調(diào)整體外預(yù)應(yīng)力配束方式，滿足橋梁整體受力性能的想法也是可行的。通過體內(nèi)-體外混合配束，取消豎向預(yù)應(yīng)力，對于UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋無論是前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是后期裝配施工都是有重要意義的。通過以上分析，UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋?yàn)榱私鉀Q由于板件厚度大大減小而無法布置大量體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束的問題，宜采用體內(nèi)-體外混合配束，且以體外束為主；對于采用逐跨拼裝施工工法的UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋來說，鋼束線形主要為底板體內(nèi)束為直線束，體外束為雙折線；從結(jié)構(gòu)受力的角度來說，體外束用量的增多能有效降低腹板位置處剪應(yīng)力水平和主拉應(yīng)力水平，因此在不考慮其他因素的情況下，UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋應(yīng)盡量多配置體外束，甚至是采用全體外預(yù)應(yīng)力體系。根據(jù)以上研究結(jié)論，利用Midas/Civil進(jìn)行配筋計(jì)算，完成50m、75m、100m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段配束設(shè)計(jì)，鋼束布置數(shù)量如表2-10，體外束占比約為80%-100%。表2-10標(biāo)準(zhǔn)跨徑預(yù)應(yīng)力布置數(shù)量跨徑底板處體內(nèi)預(yù)應(yīng)力底板位置體外預(yù)應(yīng)力腹板位置體外預(yù)應(yīng)力規(guī)格數(shù)量規(guī)格數(shù)量規(guī)格數(shù)量50m無無27ΦS15.24814ΦS15.24475m15ΦS15.24627ΦS15.24814ΦS15.244100m18ΦS15.24625ΦS15.241220ΦS15.246其中50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑預(yù)應(yīng)力截面布置橫截面如圖2-20所示。a)跨中截面b)梁端截面圖2-2050m標(biāo)準(zhǔn)跨徑預(yù)應(yīng)力布置（單位：cm）1.4整體受力性能分析1.4.1設(shè)計(jì)資料橋梁整體受力性能分析內(nèi)容包括截面尺寸參數(shù)，體外預(yù)應(yīng)力筋布置，截面強(qiáng)度驗(yàn)算，主應(yīng)力與變形計(jì)算等。本文設(shè)計(jì)所依據(jù)的規(guī)范如下：(1)《鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG3362-2018)(2)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD602015)(3)《四川省城鎮(zhèn)節(jié)段預(yù)制超高性能混凝土橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ51/T138-2020)參考《四川省城鎮(zhèn)節(jié)段預(yù)制超高性能混凝土橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》所給的UHPC材料力學(xué)信息如下表2-11，選擇UHPCR120材料作為主體結(jié)構(gòu)材料。表2-11UHPC軸心抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度取值強(qiáng)度等級軸心抗壓強(qiáng)度/MPa軸心抗拉強(qiáng)度/MPa容重(kN/m3)彈模(GPa)泊松比標(biāo)準(zhǔn)值fck設(shè)計(jì)值fcd標(biāo)準(zhǔn)值ftk設(shè)計(jì)值ftdUHPCR12085606.03.3127400.21.4.2整體受力性能預(yù)應(yīng)力配置完成后，利用Midas/Civil建立各個標(biāo)準(zhǔn)跨徑的有限元模型，按照公路橋規(guī)的要求進(jìn)行驗(yàn)算。因篇幅有限，下面僅完整展示50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑成橋狀態(tài)下的驗(yàn)算結(jié)果，如圖2-21所示。a）頂板正截面應(yīng)力b）底板正截面應(yīng)力c）主拉應(yīng)力d）主壓應(yīng)力e）剪應(yīng)力圖2-21長期荷載組合箱梁截面應(yīng)力（單位：MPa）對于50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑UHPC梁橋的設(shè)計(jì)驗(yàn)算，按照A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行。從驗(yàn)算結(jié)果可知，在長期荷載組合作用下，橋梁整個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉應(yīng)力較小，最大拉應(yīng)力值為長期荷載組合主拉應(yīng)力1.5MPa。不同于普通混凝土結(jié)構(gòu)，UHPC材料具有一定的抗拉強(qiáng)度，UHPCR120軸心抗拉強(qiáng)度為3.5MPa，因此結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下有較大的安全富余。長期荷載作用下，頂板壓應(yīng)力最大值為21.5MPa，箱梁主壓應(yīng)力最大值為11.4MPa，UHPC材料抗壓強(qiáng)度得到了充分的利用。從圖2-21e）中可以看出，UHPC節(jié)段箱梁預(yù)應(yīng)力體系采用體外預(yù)應(yīng)力配束設(shè)計(jì)，預(yù)應(yīng)力鋼束的彎起錨固不受構(gòu)件截面尺寸限制，配束方式比較靈活，梁端附近的預(yù)應(yīng)力鋼束可以有較大彎起，從而使UHPC箱梁橋的剪應(yīng)力得到控制。邵旭東等學(xué)者研究表明[55]，對于大跨度UHPC簡支梁橋，可以通過設(shè)置密集橫隔板的結(jié)構(gòu)形式來進(jìn)一步提高UHPC箱梁的抗剪能力。因此，通過對UHPC箱梁設(shè)置特殊的結(jié)構(gòu)形式并結(jié)合體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)，從而取消橋梁的豎向預(yù)應(yīng)力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)縱向單向預(yù)應(yīng)力形式。采用縱向單向預(yù)應(yīng)力的UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋，無論是對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還是對施工過程的簡化都