铁岭河大桥体外预应力技术的应用

关键词：体外预应力防腐转向肋动静载

近年来，混凝土结构耐久性问题引起了国内外土木工程界的广泛关注。混凝土桥梁结构的严重损伤、钢筋不断锈蚀等严重危及桥梁的使用安全。利用具有防腐保护措施的体外预应力技术，是解决混凝土结构耐久性的重要途径之一。体外预应力技术于19世纪30年代开始应用于桥梁结构上，目前体外预应力技术在国外应用很广。以法国和美国为代表修建了大量的体外预应力混凝土桥梁，在提高桥梁结构的耐久性和增强设计方案的竞争力方面收到了明显的效果。

　　我国在20世纪60年代建成第一座体外预应力混凝土桥，当时体外预应力技术主要用于中小桥梁的加固工程。在大型桥梁的部分构件(例如丹阳大桥系杆拱的加劲梁)采用了体外预应力筋。2000年建成的吉林省牛栏子大桥，是哈尔滨工业大学与吉林省交通研究所合作设计的国内第一座体外预应力混凝土简支梁试验桥。

　　随着人们对混凝土结构耐久性问题认识的提高和体外预应力应用技术的不断进步，体外预应力混凝土桥梁将在我国有较快的发展，由于应用体外预应力技术的桥梁具有施工简易、工程质量高、工程造价低等优点，在世界各地广泛采用。我国也将体外预应力技术应用于简支箱梁、连续箱梁中，取得了不错的效果。正如世界著名桥梁专家列翁哈特预言的那样，可以不怀疑地说，外部预应力技术将伴随着高强度混凝土的发展，而成为技术上的必需品。更进一步说，在21世纪，将开始把复合材料与外部预应力结合起来，从而使土木工程从钢筋锈蚀中解救出来。

　　1.工程简介

　　鹤大公路鸡西至牡丹江段是黑龙江省公路“OK”主骨架的一部分，是东部重要交通干线国道的一部分，是黑龙江省东部一条重要交通路线。路线全长164 km，按一级公路标准设计，不封闭，为便于联系沿线主要城镇，共设10条二、三级公路标准支线。牡丹江支线是鹤大公路的进城通道，起点于牡丹江市东出口铁岭河大桥东桥头中心线，终点于主线K340+758.63，全长2.3386 km。

　　2.铁岭河大桥

　　根据黑龙江省交通厅2001年重点科技项目计划要求，在牡丹江支线应用体外预应力技术修建一座大桥。铁岭河大桥将成为我国最大跨径体外预应力变截面连续箱梁桥。牡丹江支线铁岭河大桥由哈尔滨建筑大学建筑设计研究院设计。主梁内采用结构空间分析程序SAPQO计算，设计中考虑了多种荷载组合，包括恒载、预加力、活载、基础沉降、温度变化等。标准跨径为25m+40m+25m，上部采用单箱单室箱梁。主梁呈抛物线形，跨中高度120 cm，中墩处220cm，施工采用满堂红支架现浇。铁岭河大桥地质情况较好，河床7m以下基本为全风化砂岩或强风化砂岩。基础设计为钻孔灌注桩，下部采用采用肋板式台，柱墩。该桥于2001年5月开工建设，目前已经完成全部主体工程。

　　2.1 体外预应力索

　　体外预应力索有三种类型：全部体外预应力，各跨预应力钢索连续；全部体外预应力，各跨预应力钢索不连续；体外预应力与体内预应力混合体系。牡丹江支线铁岭河大桥体外预应力为第一种类型。其箱梁体外索设计为17标准型-15.24—1860—11—GB/TJ224—1995钢绞线。7根为1股，每根外覆环氧树脂涂膜0.15-0.20 mm，14股为一束用高密度聚乙烯管(HDPE)包裹，空隙中以黄油填充，防止腐蚀及氧化。该桥共设10根索，分为2组，每组5根，分设在两侧腹板附近。每根索长92 m，重1.6 t，给穿束带来较大难度。在穿索过程中一定注意保护索尽量不要受损伤，影响PE层的防腐作用。在锚固端头混凝土里面，将HDDE管剥落1458-1567 mm，冲洗净黄油后，用3mm厚橡胶密封套筒与φ90(内径)t=2 mm钢管相连，钢管插入锚具喇叭管40mm，并与之周边焊牢。

　　2.2 锚具

　　锚具采用OVM -15-14型张拉体系，张拉千斤为YCW350，油泵为ZB41500型。锚固端预埋税0螺旋筋，直径350mm，螺距60 mm，靠梁端220mm螺旋筋内预埋喇叭管以用于张拉。体外预应力索的锚固较一般体内预应力索困难。体内预应力索锚固处预应力进入混凝土内，而体外索预应力与腹板平行，且偏心，产生很大的剪应力与正应力。体外索的拉力全部由锚具传递至箱梁混凝土。

　　2.3 张拉

　　预应力索为17标准型-15.24-1860-Ⅱ-GB/TJ224-1995低松弛钢绞线，标准强度ψ=1860 MPa，预应力钢索的张拉力为N=2730 kN。由于所用千斤顶的有效行程为20cm，不能达到张拉应力时的33.1 cm。为了实现双控，采取中间预锚措施，即倒顶。重新在已经张拉的伸长量基础上，再张拉到设计吨位。根据计算，索的张拉程序为：

　　2.4 转向肋的构造及受力分析

　　铁岭河大桥体外索贯穿于整个桥长，全桥预应力连续。箱梁不同截面其所受应力值不同，跨中最大，支撑处如墩顶处其弯拉应力为负值。为了发挥体外索的最大效率。使用转向肋与转向钢管使体外索始终处于结构受拉区。转向肋是与梁体腹板同时浇筑的高标号混凝土块，在距中墩中心线两侧各10 m处开始，每隔5 m在左右腹板对称连续设置3个转向肋，与梁体同时现浇，注意布设加强钢筋和预埋转向钢管。转向肋的布设既实现了结构预应力值在不同截面的转换，又起到提高腹板强度，加强梁体结构稳定度的作用。

　　3 体外预应力的优点与缺点

　　3.1 优点

　　(1)在设计上预应力索布置简单，避免结构细节的复杂性。混凝土体内不设置或少设置预应力筋，使普通钢筋布置容易，因而使施工工艺简化，提高工作效率，并提高工程质量。

　　(2)箱梁腹板内不设预应力索管道，同时体外索预应力又能抵抗腹板的剪力，因而腹板厚度可以减少，减少工程数量，降低工程造价。钢索管道灌浆的事故减少或不发生问题，即使发生问题也容易解决。

　　(3)在桥梁使用期间，可以经常使用x射线或其他技术监测钢索的应力状态和混凝土截面的受力情况。

　　(4)利用换索方案桥梁，可以延长2O一3O年，同时可以提高桥梁的承载能力，延长桥梁使用寿命。

　　3.2 缺点

　　(1)对于梁体任意部位的变形、腐蚀等使结构强度降低的变化，其受力会集中于强度薄弱面或点，因此结构易于受灾祸破坏和火灾的伤害。

　　(2)无粘结无束缚的体外预应力索对抵抗破坏荷载和保证结构稳定性的能力减弱。

　　4.动静荷载试验

　　桥梁施工完成后，为验证体外预应力结构的实际理论与实际受力和变形是否一致，哈尔滨工业大学交通科学与工程学院专家对铁岭河体外预应力混凝土连续梁桥进行了动、静载试验，检验成桥后主桥结构的施工质量，全部活载作用下结构的反应是否符合设计要求。测试内容包括：

　　(1)混凝土应变：活载作用下，主梁控制断面上混凝土的纵向应力。

　　(2)主梁变形：活载作用下，主桥控制断面的竖向挠度。

　　(3)索应力增量：活载作用下，各体外索的应力增量及分布情况。

　　通过试验，该实验桥各项实验指标与设计理论数据基本吻合，实测中跨跨中最大挠度13.79 mm，小于《规范》规定容许值L/600=40000/600=66.67mm。各种车辆在不同车速下激振频率大约为3.4-4.2 Hz左右，平均值为3.94Hz，大于结构自振频率2.657 Hz，结构不会产生临界共振现象。