体外预应力结构

1. 2.2 体外预应力补强技术的应用
在大部分的场合中，由于防护套断裂造成钢筋锈蚀、预应力钢筋 磨损，以及混凝土的收缩徐变及温度等各种因素的影响，导致桥梁中 的钢筋破损严重,需要提供额外的或替换的力筋。由于采用了预应力 钢筋布置在结构体系之外的体外预应力技术，破损钢筋的置换较容易, 同时此方法克服了许多加固方法材料中普遍存在的应力滞后的弱点， 并保证了新旧材料和结构的整体性与协同工作。 体外预应力是一种有效的桥梁结构加固方法，简单易行，不影响 行车，受力途径明确，能显著提高结构承载力和抗裂度，能有效改善 结构的应力状态。正是由于体外预应力结构的独特优点，所以体外预
⑵ 力筋布置在腹板以外，可以减小腹板厚度。 ⑶ 体外力筋大多放在聚乙烯或钢管中，因此灌浆更加可靠。同时避免 了体内布筋时定位网的设置，能大大简化施工。 ⑷ 便于随时检查力筋状态，补拉应力损失， 替换失效钢束，这是体内 布筋的预应力混凝土桥梁不可想象的。 ⑸ 缩短了工期，加快了施工进度。 ⑹ 构件截面减小，有利于结构轻型化。 ⑺ 施工工序较为简单，使浇注混凝土较方便，质量容易保证。
应力补强技术成为旧桥加固中最有效的方法，在我国桥梁建设中有 极其广泛的应用前景。 1.2.2.1加固形式 体外预应力加固体系的形式多种多样，一般采用折线形，梁的 跨中部分体外束布置在腹板下缘处，主要通过水平力筋和斜筋提高 梁的承载能力。其中水平筋作用于梁底的水平预应力，产生一个反 向弯矩，用来抵抗由自重及活载产生的正弯矩，而斜筋给梁端部位 提供负弯矩和预剪力。体外束材料一般由无粘结钢绞线、粗钢筋与 槽钢组合而成。 随着近年来结构建设 的不断发展，体外预应力补强技术已从最 初应用于加固中小跨径的简支梁发展到广泛应用于大、中跨的各种 类
1.3
国外的研究现状
1988年，Virlogeux采用塑性铰区长度的方法，讨论了很多与体
外预应力混凝土简支和连续梁在正常工作和极限状态下受力性能有关 的问题，他注意到体外预应力梁偏心距的变化是由于锚固端（包括转 向块）之间预应力筋保持直线，结构变形为非线形，并给出了梁在未 开裂、保持线弹性状态下体外预应力混凝土梁预应力筋伸长的计算公 式，还利用塑性铰长度公式提出了推测极限承载力时预应力筋平均伸 长量的模型。 1993年，M.Harajli进行了16片梁的疲劳试验。试验结果表明：体 外预应力能够增加梁的抗弯强度，且并不降低梁的延性和极限变形； 它可用来有效控制裂缝和改善梁在使用荷载下的挠度；它可以增加梁
1999年，同济大学的徐栋等用条带法和分层模型的方法编制了有限 元非线性分析程序，通过试验分析了体外预应力梁在整个加载过程中的 反应。在单元刚度矩阵中比较全面地考虑了材料非线性、几何非线性及 轴力二次矩等，还考虑了预应力筋的材料非线性本构关系、体外预应力 偏心距的变化、转向块处预应力筋的摩擦和滑移的影响。通过有限元分 析，研究中对整体施工与节段施工、节段施工时有无体内钢束、钢束是 完全粘结还离散粘结、转向块处有无滑动等对结构力学性能的影响进行 了介绍。计算表明由于接缝和普通钢筋的影响，整体施工的体外预应力 与节段施工的体外预应力结构力学性能有很大差别，其中接缝处的刚体 转动是本质因素。
首先是在材料用量上，体外预应力结构的钢束用量的比体内预应
1.5.1 体外预应力的优点
力结构多。但是，由于体外预应力结构减轻占恒载较大比重的箱梁 腹板尺寸，节约了混凝土的数量；同时，上部结构重量的减轻也导 致了下部结构工程量的节省；施工方法及所耗用材料、施工速度、 管理费用以及成桥后的维护费用较体内预应力混凝土有优势。由上 述因素组成的结构整体费用，预应力钢束材料用量稍多一些，其影 响是非常小的。 其次是耐久性。对于体外预应力结构和体内预应力结构究竟哪一 种更容易腐蚀，哪一种结构的耐久性更好，在近20年来，国际上的
其二，是用粗大体外索代替原有配置在腹板内大量体内束筋的结 构，该结构可以简化腹板的构造及减少腹板的厚度。其主要应用与悬臂 施工和顶推施工的桥梁中，全桥的预应力体系通常采用体内有粘结和体 外无粘结混合配置的方式。由于腹板内不放置预应力筋，所以可以把传 统的混凝土箱梁腹板改成混凝土桁架形式或直接在肋板式结构中采用钢 腹板。采用的三角形断面和波纹钢腹板的法国Maupre桥是此类体外预 应力结构的代表作。
汕头海湾大桥断面
下表为我国的一些体外预应力桥梁 年份 1990 1990 1992 1995 2000 2001 2002 地点 福建 香港 丹阳 广东 吉林 上海 黑龙江 桥名 福州洪塘大桥 蓝巴勒海峡大桥 云阳大桥 汕头海湾大桥 八宝栏子河桥 长浜里立交桥 铁岭河桥
1.5
体外预应力混凝土结构的特点：
的疲劳寿命等。指出体外预应力是加固和改善混凝土构件的一种很有 效的技术。 1993年，F.M.Alkhain通过有限元的方法推出了一种推测由预制构 件组成的体外预应力梁桥的弯距-挠度关系的非线性运算法则。在研究 中他考虑了两种非线性的影响，即材料的非线性和预制节段分界处节 点的开缝，并确定了几种重要的极限状态：混凝土开裂、节段间节点 的开缝、无粘结预应力筋的屈服和极限承载力状态。 1995年，Hindi研究了体外预应力束与构件连接的数目、体内束 （灌浆和未灌浆）及节点类型对体外预应力拼装箱梁强度和延性影 响。研究表明，提高体外预应力束与梁连接的数目或者对体内束灌浆 可以提高梁的强度。 1997年，Kiang.Hwee.Tan等人的研究考虑了有效预应力大小的影 响。
1999年，同济大学预应力研究所的孙海、黄鼎业等根据4根体外预 应力简支梁的试验，得出体外预应力简支梁在非线形状态下的反应，并 利用大变形条件下杆件结构变形推导了包括几何非线形和材料非线形的 单元刚度矩阵，同时编制了非线形有限元程序进行了验证。 尽管我们已经认识到了采用体外预应力的诸多优点，但是，我国 桥梁结构中体外预应力的应用是屈指可数的。
下表为一些国外的体外预应力混凝土桥梁
1.4
国内研究现状
1992年，铁道部科学研究院牛斌等通过十片体外预应力混凝土梁 的试验，利用试验结果，建立了体外预应力混凝土梁受弯条件下全过 程非线形分析的计算方法和计算机程序。在此基础上，经过一些合理 的简化，提出了体外预应力混凝土梁极限状态的计算方法。 1995年，单成林利用无粘结预应力结构原理，提出体外预应力结 构预应力筋的应力增量的计算公式，以及截面应力的计算方法。 1997年，黄侨、张树仁等试验分析了12片钢筋混凝土梁。验证体 外索加固体系在正常使用阶段的应力、裂缝以及挠度计算方法的正确 性，探讨体外索斜钢筋、水平钢筋极限应力的合理取值，分析体外索 加固体系的极限破坏机理，并建立极限强度计算方法。
此外，当体外预应力索在桥墩顶部的偏心距大于混凝土梁高 时，称为坦拉式体外预应力混凝土结构，由于这种结构的外形除了 主塔较矮以外，与斜拉桥基本相似，故也有学者称之为“部分斜拉 桥”。它可以作为梁高较高的梁式桥与具有柔细梁的预应力混凝土斜 拉桥之间平滑过渡的结构形式。 下表为早期修建的十座体外预应力混凝土桥梁。
得出结论：预应力偏心距变化导致的二次影响会使梁的承载力下降； 设置转向块的梁比没有设置转向块的梁具有更高的承载力；采用较小的 有效预应力将增加体内钢筋和体外预应力钢筋的应力，增大裂缝宽度和 挠度，延性更好；采用折线布筋的梁刚度减小，裂缝宽度增加，预应力 筋应力增加，但与直线布筋梁相比延性变差。 1999年，M.Harajli采用参数研究的方法来确定体外预应力混凝土 构件的性能。选用体外预应力筋的布置、转向块的个数及外荷载的形式 来进行研究，并得出了这些因素对二次效应、结构承载力和体外筋应力 增量等的影响。合理考虑了构件的跨高比和偏心距变化的影响。通过对 跨长方向上几个不同点进行多级迭代非线形分析来计算无粘结预应力筋 平均伸长，提出了分析加载过程中体内和体外无粘结预应力梁受力性能 的模型。
型桥梁，如预应力混凝土连续梁桥、预应力混凝土Ｔ型刚构、钢管 混凝土系杆拱桥等等。 1.2.2.2 体外束的设计理论 a、体外束加固桥梁受弯构件时，按偏心构件计算。 b、按无粘结部分预应力混凝土结构计算，根据预应力度确定预应力 钢筋面积，分别验算加固结构的承载力、使用阶段应力以及结构的 变形。 c、按加劲梁组合结构分别计算对其受力和使用性能进行分析研究。 按整体变形协调条件计算预应力筋在外载作用下的应力增量。 经过几年运营，桥梁结构的某些主要受力构件发生了变形，原
普遍看法已倾向于体外预应力钢束的耐久性更好。由于体内预应力结 构在腹板内往往布置大量的钢束，而且弯道也多。拥挤的钢束往往造 成混凝土浇注的困难，大量的弯道使灌浆质量也无法保证。而体外预 应力结构的钢束线形简洁，灌浆容易。钢束暴露在外，可以随时方便 地进行检测、修补乃至替换。其在耐久性方面的优势是显而易见的。 除了以上特点外，与传统的体内布筋预应力混凝土桥梁相比体外 预应力混凝土桥梁具有以下优点： ⑴ 体外预应力筋大多通过转向块改变方向，形状呈折线，力筋只在 转向块处与混凝土接触，因此能够大大减少预应力摩擦损失，提高预 应力效益。
受力筋也被严重锈蚀，考虑到桥梁结构受力复杂多变，分析中常采用有 限元理论进行修复施工过程模拟计算。由于补强力筋或更换力筋在原桥 梁结构上的作用点发生了变化，另外原力筋锈蚀造成力的大小变化等因 素都会使桥梁结构的力学性能发生较大的改变，因此对修复施工的过程 进行监控是极为重要的。一般通过对施工控制参数中的索力、变位、应 力变化的跟踪观测，将其与有限元理论计算值比较，检验桥梁结构的受 力状态是否在控制范围之内，以确保加固修复工程的施工安全，如果施 工中控制参数的出入较大，应及时分析并采取措施。
高等混凝土结构专题讲座（一）
Hale Waihona Puke Baidu
体外预应力混凝土桥梁概论
2004.11.15
一、体外预应力概述
1、体外预应力桥梁的精确定义 2、体外预应力的应用范围 3、国外的研究现状 4、国内研究现状 5、体外预应力混凝土结构的特点
1.1 体外预应力桥梁的精确定义
具有以下特性的桥梁是体外预应力桥梁： （1）所有的体外预应力钢筋位于桥梁截面之外； （2）预应力钢筋对结构抗弯刚度的影响很小； （3）预应力钢筋张拉到允许的最大张拉值； （4）活载只产生有限的挠度，预应力钢筋中的应力变化 幅度也很小（对于少数荷载最多只达到50MPa）。
1.5.2 体外预应力结构的不足：
⑴ 锚固端部和转向肋处配筋较密，混凝土施工浇筑振捣较为困难，必 要时需要改变水灰比和易性才能保证振捣质量；
⑵ 体外预应力结构在极限状态下可能因延性不足而产生没有预警的失 效； ⑶ 体外力筋易损坏和着火,并因为承受着振动要限制其自由长度； ⑷ 对于体外力筋,锚头失效则意味着预应力的丧失； ⑸ 极限状态下布置体外束梁的抗弯能力小于普通有粘结梁,在开裂荷载 和极限荷载的作用下,体外束的应力不能仅按最不利截面来估算,准确计 算较为复杂。 目前，体外预应力结构在国内刚刚兴起，预应力加工的厂家不多， 独家经营，垄断市场，加工的费用较高。因此，体外预应力桥梁造价迟 迟降不下来，使得体外预应力结构还不能充分推广和广泛应用。
1.2 体外预应力的应用范围
（1）体外预应力现阶段主要应用于预应力混凝土桥 梁、特种结构和大跨度建筑工程结构； （2）预应力混凝土结构的重建、加固及维修； （3）临时性预应力混凝土结构或作为施工临时性钢 索。
1.2.1 新建桥梁的应用
从Long Key桥的设计建造至今，体外预应力技术发展了近20 年，其主要用在以下几个方面: 首先，是以Long Key桥为代表的采用逐跨预制节段施工的长桥。 这种类型的体外预应力混凝土结构是应用最早、最为广泛的体外预 应力结构形式。其突出的优势在于设计和施工的标准化和施工速度 快捷。出于它的体外预应力索与体内预应力结构同样，采用普通多 股钢绞线、锚具和水泥灌浆，故其预应力索的成本较低。这种类型 的桥梁受支撑结构的影响，跨径一般为30m~50m。它通常在通航要 求不高的多跨桥，长大跨桥梁的引桥以及人口密集和交通组织困难 的城市高架公路和轻轨干线中采用。