在役的大跨度预应力混凝土PC连续刚构桥多为体内预应力体系,成桥后运营过程中普遍存在跨中挠度、裂缝随时间加大等病害,主要原因在于体内竖向预应力筋的应力损失过大,施工过程中的施工技术、工艺缺陷造成纵向预应力损失增大。体外预应力体系中的体外索可补张拉及替换,解决体内预应力混凝土桥梁预应力损失无法弥补的缺点,进而解决成桥后运营过程中预应力混凝土桥梁普遍存在跨中挠度大、裂缝等问题。同时,考虑桥梁加固中体外预应力技术的优点及丰富的工程加固经验,将其运用到大跨度预应力混凝土PC连续刚构桥中,采用将体内、体外预应力技术相结合的方式保证桥梁预应力的意义显而易见。

体外预应力钢束相比体内预应力钢束,束体与箱梁底板上缘有一定的间隙,偏心距较体内预应力钢束小,进而降低体外预应力钢束的使用效率,对于跨中弯矩大的简支梁,体外预应力筋的需要量非常大。但在多跨连续梁结构中,体外预应力钢束常作为成桥钢束,束型较复杂,施工需多次转向,但其摩阻损失较类似束型的体内预应力钢束小很多,进而弥补自身钢束偏心距小的缺点。

全体内预应力钢束在预制箱梁的各个节段孔道位置各不相同,孔道的精确定位将降低节段预制速度,同时精度误差会延长预应力布置和施工时间,为克服上述缺点,尽量采用整齐划一且无预应力孔道的预制节段。但由于没有体内预应力钢束穿过接缝,降低了各预制节段间的连接强度,致使接缝处成为结构破坏的薄弱部位。因此,大跨径桥梁采用体内预应力钢束还是体内体外混合预应力钢束,需通过实际工程进行分析,但工程设计证明,体外预应力钢束的耐久性更好。

为研究体内、体外预应力体系的受力、施工、经济上的不同,以重庆新滩大桥为工程实例,对左、右2幅桥不同的预应力体系桥进行研究,运用有限元软件MIDAS对左、右2幅桥梁的预应力结构体系进行建模,对比分析桥梁左、右幅桥梁各截面的剪应力、经济性及工程实用性,总结全体内预应力钢束与体内体外预应力体系的特点,为大跨度连续刚构桥体内外预应力的计算与应用奠定基础。

重庆新滩大桥位于重庆绕城公路南段S6合同段,分左、右2幅。左、右幅主桥跨径均为(75+130+75)m 3跨1联的预应力混凝土连续刚构桥,全长280m。左幅桥为全体内预应力体系,右幅桥为体内体外预应力混合体系。计算设计时速为100km/h,设计荷载为公路-Ⅰ级。该桥主桥立面布置如图1所示,箱梁横断面布置如图2所示。

1)左幅桥上部结构为单箱单室混凝土箱形截面。顶板除0号块两横隔板间50cm厚外,其余均为25cm。底板除0号块两横隔板间100cm厚外,其余按1.8次抛物线由根部的82.52cm厚变化到跨中28cm厚。腹板除0号块两横隔板间厚度为100cm外,其余腹板厚70cm。左幅桥半中跨的纵向预应力筋配置如图3所示(T表示体内预应力筋)。

2)右幅桥箱梁在外形、几何尺寸和构造上基本与左幅相同,不同之处在于边跨端横梁和0号块的构造。因体外束锚固和换束的需要,1号块顶板厚150cm。箱梁内增加了体外束转向块。右幅桥边跨和半中跨体外预应力筋线形如图4所示(W表示体外预应力筋)。

左幅桥箱梁采用传统的三向全体内预应力配索体系,即纵向、横向、竖向有预应力筋布置于箱梁混凝土结构中。右幅桥箱梁采用体内体外混合预应力体系,局部施加竖向预应力。左、右幅箱梁纵向体内预应力钢束均采用^s15.24mm高强低松弛钢绞线,弹性模量为19.5GPa,钢绞线两端张拉,采用真空辅助压浆。钢绞线强度f_pk=1 860MPa,张拉锚下控制应力σ_con=0.75f_pk。右幅桥箱梁纵向体外预应力钢束采用Ф^s15.24mm高强低松弛喷涂环氧钢绞线,弹性模量为19.5GPa,两端张拉。钢绞线强度f_pk=1 860MPa。体外预应力钢束设有转向块和锚固块以满足构造需要。左、右幅桥横向预应力采用Ф^s15.24mm高强低松弛钢绞线,扁形塑料波纹管、扁锚,单边张拉。钢绞线强度f_pk=1 860MPa,张拉锚下控制应力σ_con=0.75f_pk。左幅竖向预应力筋采用JL32精轧螺纹钢筋,材料强度f_pk=930MPa。每根张拉力为673.2k N,竖向预应力钢筋在箱梁顶部张拉,采用YGM-32锚固体系。在竖向预应力钢筋安装前应逐根预拉,预拉力为706.9k N。本桥主桥箱梁采用C50混凝土,弹性模量为34.5GPa,密度ρ为2 600kg/m³,桥墩采用C40混凝土,弹性模量为32.5GPa,密度ρ为2 600kg/m³。

重庆新滩预应力连续刚构桥采用逐段悬臂施工法施工,结构体系在施工过程中经多次优化,箱梁截面也随位置发生相应变化。施工环境的复杂性致使混凝土发生收缩徐变,使整个桥梁在施工及运营阶段的变形及应力状态非常复杂。运用MIDAS/Civil 2011有限元软件进行有限元分析,模拟桥梁实际施工过程。

桥梁左幅桥为常规配索体系,主梁和墩采用空间梁单元进行模拟,按施工过程进行结构单元的划分。右幅桥考虑到体外索的特性,主梁和墩仍采用空间梁单元进行模拟,体外索采用只受拉且施加初拉力的桁架单元模拟。结构单元的划分基本按施工过程进行,为模拟体外索在转向块处的转向,在主梁单元转向部位增设了主梁转向节点。全桥模型共划分梁单元122个,墩体梁单元为24个,主梁单元为98个,体外索共划分112个桁架单元。模型以桥梁左端箱梁上边缘中心点为坐标原点,x轴为桥梁纵向,y轴为桥梁横向,z轴为桥梁竖向,三维有限元模型如图5所示。

主桥跨中悬臂施工阶段,主墩墩底约束全部自由度,墩梁刚性连接;边跨现浇施工阶段,边跨满堂支撑架现浇段进行纵向和竖向约束;张拉边跨合龙束时,释放边跨满堂支撑架现浇段水平约束,只对边支点进行竖向约束;成桥时,主墩墩底约束全部自由度,墩梁固接,两边支点只约束竖向位移。

边跨合龙束是分批张拉的,张拉前2根钢束时,认为边跨满堂支撑架现浇段已脱架,采用只受压的弹性连接来进行模拟。

重庆新滩大桥左幅与右幅桥结构基本相同,最大不同在于预应力束的类型和配置方式。因而其研究重点在于分析比较体内体外混合预应力配索技术与传统的全体内预应力配束技术的不同,主要比较左、右幅桥截面相同位置上的剪应力与主拉应力大小。其中,荷载统一采用二期恒荷载满铺后的相同施工阶段,活荷载按设计要求中公路-Ⅰ级标准进行影响线动态规划加载。

采用MIDAS有限元软件对左、右幅桥进行对比分析,由于桥梁结构存在偏载,约束扭转占总扭矩的比重较大,因而需考虑结构的约束扭转效应。其中增加截面上的约束扭转双力矩作为梁单元的第7个自由度,直接计算出箱梁截面的约束扭转效应,包括扭转翘曲正应力和约束扭转剪应力,进而考虑截面翘曲的影响。其中,主梁的98个单元均在截面特性中考虑了翘曲的影响,以便计算出扭转翘曲正应力。

为研究左、右幅桥预应力分布情况,对比分析左、右幅桥箱梁中的上下缘正应力、主应力,荷载组合Ⅰ作用下的上下缘正应力、主应力比较如图6所示。荷载组合I的内力组合如表1所示。由于桥梁结构的左右对称性,只取一半模型进行受力比较。1~45号代表桥梁左幅或右幅左端边缘开始至主桥跨中部位的单元,即桥梁左半跨。

由图6a、图6b可得,荷载组合I下,右幅桥上缘正应力略大于左幅桥,其中右幅桥上缘最大正应力为-9.51MPa,左幅桥上缘最大正应力为-8.02MPa,右幅桥为左幅桥的1.19倍;右幅桥下缘正应力与左幅桥相差不大,其中右幅桥下缘最大正应力为-12.6MPa,左幅桥下缘最大正应力为-12.3MPa,两者相差0.3MPa。表明:右幅桥箱梁内产生的正应力大于左幅桥,但相差不大。

由图6c可得,荷载组合I下,右幅桥主拉应力略小于左幅桥,其中右幅桥最大主拉应力为0.461 38MPa,左幅桥上缘最大主拉应力为0.584 55MPa,右幅桥为左幅桥的0.79倍。

为得到正常使用组合II下的截面最大剪应力,在基本组合(支座沉降位移、恒荷载、钢束1次、钢束2次、徐变2次、收缩2次组合)的基础上,考虑1,3号墩沉降2cm及2,4号墩沉降2cm。对温度变化的工况取为:整体升温20℃,整体降温20℃;桥面板升温15℃,桥面板降温10℃。对上述4组情况进行组合:(1)工况1:基本组合+移动荷载组合+整体降温20℃+桥面板降温10℃;(2)工况2:基本组合+移动荷载组合+整体降温20℃+桥面板升温15℃;(3)工况3:基本组合+移动荷载组合+整体降温20℃+桥面板降温10℃;(4)工况4:基本组合+移动荷载组合+整体升温20℃+桥面板升温15℃。荷载组合Ⅱ的剪应力取恒荷载、活荷载、温度与沉降组合而成。不同工况的左、右半幅桥剪应力比较如图7所示。

由图7可得,在荷载组合II作用下,左幅桥全体内预应力配束的剪应力总体上大于右幅桥体内体外混合配束的剪应力,只在个别部位,体内体外混合配束的右幅桥剪应力大于左幅桥全体内预应力配束的剪应力。(1)工况1距桥左端边缘5.36m处,左幅桥体内剪应力为1.1MPa,相对应点的体内体外混合配束右幅桥剪应力为0.938MPa,相差达0.162MPa;距桥左端边缘74.78m处,左幅桥全体内剪应力为-1.2MPa,相对应点的体内体外混合配束右幅桥剪应力为0.632MPa,剪应力值符号相反,其中,右幅桥的最大剪应力为-1.9MPa,左幅桥最大的剪应力为1.1MPa,右幅桥剪应力最大值大于左幅桥;(2)工况2距桥左端边缘5.36m处,左幅桥全体内剪应力为1.59MPa,相对应点的体内体外混合配束右幅桥剪应力为-0.339MPa,剪应力值符号相反,其中,右幅桥的最大剪应力为-1.27MPa,左幅桥最大剪应力为1.59MPa,右幅桥剪应力最大值小于左幅桥;(3)工况3距桥左端边缘5.36m处,左幅桥全体内剪应力为1.23MPa,相对应点的体内体外混合配束右幅桥剪应力为0.919MPa,相差达0.311MPa,其中,右幅桥最大剪应力为-1.21MPa,左幅桥最大剪应力为1.23MPa,右幅桥剪应力最大值小于左幅桥;(4)工况4距桥左端边缘116.58m处,左幅桥全体内预应力配束的剪应力为1.15MPa,相对应点的体内体外混合配束右幅桥剪应力为-0.424MPa,剪应力值符号相反,其中,右幅桥最大剪应力为-1.15MPa,左幅桥最大剪应力为1.25MPa,右幅桥剪应力最大值小于左幅桥,但相差不多。结果表明:左幅桥剪应力比右幅桥对应位置的剪应力大,甚至出现了在对应点上剪应力值符号相反的情况,主要原因可能在于承受剪应力的预应力筋不同,左幅桥承受剪应力的为体内预应力筋与混凝土箱梁,右幅桥承受剪应力的为体内体外预应力筋与混凝土箱梁;但左、右幅桥剪应力数值绝对值相差并不大,体内体外混合配束的右幅桥能满足桥在正常使用情况下的承载力要求。

重庆新滩大桥在建设过程中受施工进度的限制,未对体内体外预应力右幅桥进行截面的优化设计,使整座桥梁在建设过程中自重未能减轻,进而降低了体外预应力的影响作用。

对于不同荷载组合下截面底部的主拉应力,由于底板面内方向,竖向预应力对底板加腋的根部的受力不起任何作用。同时,底板预应力钢束通常锚固于腹板与底板加腋处,锚固力在底板也是面内的,使底板面内的主拉应力更为不利。如果该处底板普通钢筋配置不足,将会出现开裂。而一旦开裂,截面设计中采用的平截面假定将被破坏,导致底板纵向预应力无法准确传递至腹板,缺乏底板纵向预应力保护的腹板将会因为主拉应力过大而开裂。

采用体内体外混合配束的右幅桥,截面下缘应力是由纵向预应力产生的竖向预剪力来保证的。由于没有锚固于底板和腹板加腋处的体内钢束产生的局部应力,箱梁结构的整体抗裂性能将明显高于传统的全体内配束方式。

实际工程建设中,右幅桥采用了体内体外混合预应力技术,其体内预应力筋的总用量为184.4t,体外预应力筋的总用量为83.6t,体外与体内预应力筋的数量比为0.45,共用筋量268t;左幅桥体内预应力筋用量为273t,而且还不包括70t的竖向预应力筋,总用筋量为340t,在钢筋用量上,体内体外混合预应力筋体系的右幅桥比体内预应力体系的左幅桥经济上更为节省。表2为重庆新滩大桥左幅、右幅材料单位用量的比较,主要从预应力钢材用量上进行比较,从表2可得,左、右幅桥预应力钢筋用量相差不大,右幅桥相比于左幅桥钢材减少5.3%。因此,无论是从钢筋总用量还是单位用量计算,体内体外混合预应力体系的钢筋用量均要节省。

由于右幅桥采用了体外预应力技术,从而在设计、施工过程中,箱梁的腹板和底板厚度有所减小,主要是由于右幅桥没有左幅桥的竖向预应力筋和大部分底板束,通过图纸的定额计算,右幅桥底板厚度是左幅桥底板厚度的2/3,为结构减轻自重2 500t,并节省混凝土达1 000m³。

从上述分析得到,体内体外混合预应力体系的右幅桥比体内预应力体系的左幅桥在混凝土总用量、钢材总用量要少,降低了造价,提高了经济效益;但由于体外预应力筋的价格高、施工难度大,又增加了总体造价。重庆新滩大桥中,右幅桥体外预应力筋价格及施工难度增加费用大于左幅桥增加的钢筋、混凝土用量费用,致使右幅桥造价比左幅桥高。但右幅桥可通过后期更换体外预应力或补张拉的方式提高桥梁总体预应力水平,降低桥梁在使用阶段的养护费用,增加桥梁结构的使用年限,表明体外预应力结构比体内预应力结构具有更好的整体经济性,并提高体外预应力体系桥梁的科学研究价值,因而,认为右幅桥由于采用体内体外混合预应力配筋方式增加的200万元造价在可控范围内,可以接受。

1)通过对比左、右幅桥不同配束体系桥的应力状态可得,右幅桥主拉应力状况相比于左幅桥稍差,但主拉应力降低的幅度并不大,且其应力值在规范允许范围内,但其取消了箱梁结构中的竖向预应力筋,节省了竖向预应力筋施工过程,提高了箱梁结构的施工质量,其竖向预应力筋的承载能力可通过增加部分纵向顶板下弯预应力筋及纵向底板上弯预应力筋代替,显然体内体外混合配束和取消竖向预应力筋可在工程中进行更多的尝试与推广。

2)采用体内体外混合配束的右幅桥,截面下缘底部应力是由纵向预应力产生的竖向预剪力来保证的。由于没有锚固于底板和腹板加腋处的体内钢束产生的局部应力,箱梁结构的整体抗裂性能将明显高于传统的全体内配束方式。

3)体内体外混合预应力筋体系的右幅桥比体内预应力体系的左幅桥在混凝土总用量、钢材总用量都要少,从而降低了整座桥梁的造价,提高了经济效益。体外预应力筋的价格高、施工难度大,致使总体价格昂贵,但可通过后期更换体外预应力或补张拉的方式提高桥梁总体预应力水平,降低桥梁在使用阶段的养护费用,表明体外预应力结构比体内预应力结构具有更好的整体经济性。

4)随着桥梁跨径的进一步增加,应保证箱梁结构截面刚度及承载力随之增加,又要求在更薄的箱梁顶板、腹板、底板上增加体内预应力束的直径及数量,以保证具有更好的承载能力的发展趋势,使全体内配置预应力束的难度增加,采用体内体外混合配束则可解决箱梁结构配束的问题。