预应力技术在混凝土桥梁中的应用

1.工程背景

本文讨论的依据桥型为寒冷地区双塔双索面预应力混凝土箱型梁部分斜拉桥，连续刚构体系，跨海大桥，其立体图和平面图如1.1、1.2所示。

图1.1  斜拉桥立体图

图1.2 斜拉桥平面图

2．预应力技术的应用

预应力分为体内预应力和体外预应力。体内预应力技术自从出现后就不断发展，目前已广泛应用到工程中，体外预应力的兴起，大大提高了结构的耐久性。体内预应力施工工艺又分为先张法和后张预应力。

2.1 先张预应力

①先张预应力体系所采用的预应力筋，一般为高强粗钢筋、钢丝、钢绞线等，按直线或折线线形布置。预应力筋的锚固主要靠其端段与混凝土之间的粘结力实现的，其锚固长度大小与混凝土强度和预应力筋的种类有关。

②先张预应力筋与混凝土的直接粘结作用，预应力筋对混凝土结构的力的作用及其作为构件截面受力组成部分的作用，都是在预应力筋放张的同时形成的。这种直接粘结作用，更有利发挥预应力筋的抗拉能力、混凝土裂缝发展。

2.2 后张预应力

①后张有粘结预应力体系是一种能够在预制场或现场实现的预应力体系。后张预应力筋可以采用高强粗钢筋、钢丝束、钢绞线束等，按直线或曲线线形布

置在预留的孔道内，预应力筋的锚固主要靠专用的机械锚固装置即锚具实现的。

②每根预应力筋通常采用两个锚具，如两个张拉端锚具或一个张拉端一个固定端锚具，但在节段施工的结构中，可以通过连接器将前节段已锚固的张拉端锚具或锚具前外伸预应力筋的接长，形成一个中间固定端并延长预应力筋。

③预应力筋孔道决定了预应力筋在构件截面中的位置、线形，其数量则由设计所需永久、临时及备用预应力筋决定；在预应力筋孔道压浆之前，预应力筋可以根据结构受力要求进行一次或多次张拉，或作为一种临时配置、以后拆除的预应力筋。后张预应力筋的张拉表现为对混土结构的力的作用，而孔道压浆后的预应力筋则成为结构构件受力截面的组成部分。

2.3 预应力技术在工程中的应用

本工程为双塔双索面预应力混凝土箱型梁部分斜拉桥，预应力体系采用体内和体外预应力相结合的方法。基于本桥，施工采用悬臂施工，后张预应力。主梁纵向有预应力提供压应力抵抗主梁正弯矩引起的拉应力。主梁横向和竖向也可能有预应力筋的张拉，提高截面刚度和抗剪能力。在施工中每段浇筑过程中，为了固定截面位置可能会利用临时预应力张拉技术临时张拉。

矮塔斜拉桥中体外索，即体外预应力。利用体外预应力张拉，由于主塔高度较矮，斜拉索倾斜角度较小，张拉预应力主要产生水平轴向力作用，提供轴向压力，同时产生的竖向分力能平衡一下自重，减少了梁底缘的拉应力。这是矮塔斜拉桥的特点。本工程预应力技术主要在以上所述中应用。

3．预应力的布置方式和结构构造特点

1）先张预应力布置

2）后张预应力筋布置

1后张预应力混凝土构件预应力筋的布置由三个要素控制：预应力筋在梁弯矩控制截面的位置、预应力筋的锚固截面位置、控制截面至锚固截面之间预应力筋的线形。预应力混凝土构件在受力各阶段都能满足相应阶段应力控制要求的截面布筋范围称为索界，预应力筋应控制布置在索界内。

2对弯矩幅度较大的低高度构件，一般通过增大轴向预压应力克服弯曲拉应力、提高混凝土标号以满足承受较大压应力的要求。

③预应力筋在锚固截面的定位应满足构造与受力要求，构造要求是提供预应力筋张拉所需的工作间距，受力要求是合理分布集中锚固力、满足锚固截面及锚固段的受力要求；

④为了减少预应力筋在曲线孔道内摩阻引起的预应力损失，预应力筋的弯转不宜过急、角度不应大于20º，特殊需要时也不应大于30º

 3）结构构造与配筋设计方法（箱形梁）

   等高度梁—适用于中、小跨径，一般跨径在50~80米以下，变高度梁—适用于大跨径，100米以上90%为变高度顶板—满足横向抗弯及纵向抗压要求一般采用等厚度，主要由横向抗弯控制;

腹板—主要承担剪应力和主拉应力一般采用变厚度腹板，靠近跨中处受构造要求控制，靠近支点处受主拉应力控制,需加厚。

底板—满足纵向抗压要求一般采用变厚度，跨中主要受构造要求控制（≮20cm ) ，支点主要受纵向压应力控制，需加厚。

横隔板—一般在支点截面或必要的截面设置横隔板。

4）截面布置方式

对于箱梁，截面各部分因剪滞而产生相对纵向位移、不满足平面截面假定，截面纵向应力分布不均匀。因此，预应力筋的布置在满足截面构造要求的同时，尚应注意的原则为：根据截面应力分布情况，在每个应力分布较集中的范围内，使预加力的合力线与截面应力的合力线一致；利用预加力的作用，使截面在永久荷载下的应力分布趋于均匀。目的是使截面达到长期良好的受力状态。

纵向配筋布置

墩顶断面

跨中断面

本桥为箱梁截面桥梁，采用的配筋方式为上面所述基本一致。纵向及跨中截面和墩顶截面都配置预应力来加强结构的强度。确保结构的安全性。

4.设计计算原理、计算方法

①初等梁理论的平面杆系法：简化的计算

• 可模拟各种临时荷载、施工过程及体系转换（各种约束）；

• 可有效模拟预应力的效应变化；

• 可处理混凝土的收缩徐变、温度效应等；

• 不能处理横向问题、有效分布（剪力滞、畸变等）。

②空间有限元法（可模拟施工过程、单一结构状态）

• Midas, TDV, Ansys 等

• 施工阶段模拟，成桥状态分析，材料非线性、几何非线性（p-△效应，拉索垂度、大变形、混凝土开裂、静力稳定）。

3）结构及施工技术模拟方法讨论

 刚臂（多单元、杆件交叉固结刚体位移）

 刚杆（轴向刚度无限大）

 同位移约束（同一自由度的关联约束）

 虚拟单元（计算模拟的需要）

合龙过程

5.施工期的施工技术和工艺

本工程在施工方法上采用常规的挂篮施工现场浇筑方法，在施工期最重要的还是施工监控技术，因此施工监控是施工过程中最重要的工艺和流程。

5.1混凝土桥梁施工控制概念与目的

1、桥梁施工控制与设计、施工的关系

桥梁施工控制是设计的延续，施工的宏观控制是施工质量保证的一环，结构安全可靠的最后“把关”，也是施工方法和工艺等的指导和施工期结构安全、结构工作状态质量的指导与检验；

2、施工控制的目的与任务

满足设计对成桥状态的结构内力与变形、桥梁结构线形的理想状态的预期，确保施工期结构的安全。

3、施工控制主要工作内容

结构安全控制； 内力控制（应力、应变）；

结构线形与挠度变形控制（合龙）；结构稳定控制；

5.2桥梁施工控制基本思路与技术

1、选择合理的控制方法

1）了解桥梁结构类型、结构体系特点；施工方法与工艺。

2）清楚影响施工控制的因素

结构参数（构造尺寸、材料特性、弹模、容重、预应力等）；施工

工艺（如挂蓝质量）；施工监测；分析模型与计算技术；环境影响（温度

等）；施工组织管理（进度、变更、事故）。

3）选择控制方法

①开环施工控制—适用于简单桥梁或非循环式施工桥梁（事后调整）

②反馈施工控制—适用于结构参数比较稳定的桥梁

③自适应施工控制——参数识别修正法，适用于循环式施工桥梁

目前尚没有一种算法可直接用于施工控制，控制方法只是一种思路的应用

，应根据结构类型及施工技术而选择适用合理的控制方法。

5.3建立施工控制系统

1）施工控制分析监测系统

（1）前期设计复核；

（2）施工控制仿真模拟结构分析(预测控制计算）；

（3）现场结构状态监测系统；

（4）现场结构分析、理论预测预报及监测成果分析系统

2）施工控制组织管理

成立施工控制小组；严格预报、分析流程；沟通、协调畅通；

5.4施工控制仿真模拟结构分析

1、结构设计+施工方案确定成桥理想状态

成桥理想状态是竣工时全桥应有的满足设计状态的结构形状和内力状态；施工阶段的理想状态是施工各阶段结构应有的位置和受力状态，各施工阶段理想状态决定全桥最终的线形与内力状态。

2、制定施工步骤的控制目标

 宏观结构空间位置（挠度变形、高程、平面位置、线形）；

 微观结构内力（应变应力等）；

 精度误差控制；

3、施工过程模拟分析

正装计算（按施工阶段前后次序进行结构分析、后一阶段结构分析建立在前一施工阶段结构状态的基础上）；

倒装计算（按正装分析的逆过程、对结构构件进行倒拆，分析拆除一个施工阶段对剩余结构的影响）；

无应力计算（用构件或单元的无应力长度和曲率保持不变的原理进行结构分析，一般适用于钢桥的构件预制，不能确定每个施工阶段的状态）。

4、施工控制分析手段

计算程序：有限元国内以平面杆系程序，初等梁理论为主，向空间析发展；国外空间计算程序开发应用较多。结构分析要求解决的技术因素：模拟施工构件的安装及拆除过程，单元的死活；结构体系转换、约束条件的变化；各种线形预应力钢筋的张拉过程；不同预制龄期、加载龄期下构件的收缩徐变；结构的非线性因素；温度影响。

5、控制过程中误差分析及参数识别

（1）误差

实际状态偏离理想状态，结构的实测值如标高与施工模拟理论计算值间的偏差。分固定误差（如重量）、变动误差（如测量）。误差来源包括设计参数误差（材料截面的代表值或标准值）；施工误差（模板、千斤顶、孔道误差等）；测量误差（仪器精度、主观）；结构模拟计算模型（边界、转换）。

（2）主要设计参数及其对控制结果敏感分析

主要设计参数：

①材料特性设计参数（实际与规范偏差）；

②截面特征参数；

③结构体系及几何构造参数（跨径、约束、结构线形等）；

④时间参数（龄期、温度场等）；

⑤施工临时、局部荷载（模板、风力等）

（3）误差分析与参数识别

依据施工中的实测值，与理想状态的误差对比分析，对主要设计参数进行误差原

因分析，然后将修正过的设计参数反馈到控制计算中，得到参数调整后重新计算的理论计算控制值（变位、应力等），使实测值与理论预测值一致，最终得到设计参数的正确估计值，使结构实际状态与理想状态吻合。

5.5混凝土桥梁施工监测目的与技术手段

1、施工监测目标变量与内容：

（1）标高—激光束、连通管、GPS、全站仪；

（2）垂度—激光束、全站仪；

（3）索力（拉索、吊杆）—随机振动、磁通量法、光纤光栅、穿心式压力环传感器；

（4）应变—钢弦应变计、差阻式应变计、光纤光栅应变计；

2、材料特性试验—模量、容重，YYL摩阻系数等；

1）人工手动；

测量变量人工收集、人工输入分析；

2）半自动监测、自动应答；

自动接受，人工整理分析

3）计算机全自动综合监测；

6、预应力的检测，使用，维护及耐久性能

在预应力施工张拉阶段要严格控制预应力张拉大小，即张拉控制应力。在预应力损失上可以采用超张拉，对称张拉等一些措施减少其损失，从而保证预应力大小，确保主梁底缘压应力的大小。在矮塔斜拉索张拉过程中要严格监控索力值，确保索力值的大小。

    在以后的运营使用阶段，要不定期进行桥梁的检测，检测主梁混凝土是否开裂，从而造成预应力筋的锈蚀。还要检测疲劳破坏；对于体外预应力，要检测体外索的外层保护层是否完好，检测索力值大小。检测体外预应力是否发生断裂等，若发生断裂，体外预应力可以直接更换，体内预应力若发生断裂，只能采取体外预应力，粘结钢板等加固措施进行加固，从而保证预应力对主梁的压应力，确保结构不产生裂缝，保证结构的耐久性。