UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋預(yù)應(yīng)力體系計算案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u18689UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋預(yù)應(yīng)力體系計算案例分析 153861預(yù)應(yīng)力體系 1249462線形設(shè)計 2200033配束設(shè)計 41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，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設(shè)計②鋼束轉(zhuǎn)向需要單獨布置轉(zhuǎn)向裝置，且轉(zhuǎn)向裝置需要單獨設(shè)計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2線形設(shè)計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：（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）需要單獨的分析和設(shè)計體外預(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)計體外預(yù)應(yīng)力由于自身的特點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，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3配束設(shè)計UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋預(yù)應(yīng)力配束設(shè)計，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，計算結(jié)果只取一半展示。計算結(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)制拼裝梁橋為了解決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)行配筋計算，完成50m、75m、100m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段配束設(shè)計，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