预制预应力高性能混凝土梁的挑战

目前在预应力混凝土梁的制造中使用高性能混凝土（HPC），可以实现更大的跨越。通过增加梁间距，使上部结构变得更薄，提高经济效益。HPC还可以提高混凝土的耐久性和抗开裂能力，同时降低渗透性，减少由于收缩、徐变带来的影响。当然，预应力高性能混凝土梁在设计方面仍然面临不少新的挑战，包括制造、运输和架设过程。

最近，得益于大跨度预制预应力混凝土梁的标准发展，美国华盛顿州交通厅和其他桥梁的业主们，能够使用他们喜欢的建筑材料来提高桥梁的跨越能力。大跨度预制预应力混凝土梁不再需要支架施工，减少了现场施工作业和调度的困难，以及对水道环境的影响，并最大限度地减少了对公众出行造成的危害、延误和不便。

高性能/高强度混凝土最近已成为华盛顿州大跨度预制预应力混凝土梁桥使用的标准材料。目前，预应力混凝土的抗压强度值为47.88MPa，达到28天龄期时的抗压强度值为61.56MPa。

现行的主梁标准类型

在华盛顿州，预应力工字梁的使用始于20世纪50年代初。当时实施的州际高速公路项目（Interstate Highway Program）极大地加快了高速公路的建设。然而所面临的挑战是如何快速、经济、高效地在道路交叉口实施分级隔离。预应力工字梁桥的经济性、制造质量和施工便利性都受到了挑战。

如今，华盛顿州80%以上的新建公路桥梁都是预应力混凝土梁桥。目前华盛顿州交通厅规定的标准预应力工字梁型号为WF36G、WF42G、WF50G、WF58G、WF66G、WF74G、WF83G、WF95G、WF100G。

由于截面尺寸和运输重量的限制，华盛顿州交通厅新制定了标准预应力宽翼缘DBT型梁，其跨度最大可达64m。DBT型梁的截面宽度和高度均可变化，以适应所需的跨度和桥梁宽度。如图2所示，顶部翼缘宽度的变化范围为1.22m-2.44m，高度的变化范围为0.9m-2.54m。

通常来说，具有较宽翼缘的DBT型梁，比目前标准工字形梁的跨度能力提高了20%。未来可能会逐步淘汰现行的标准DBT型梁，以支持新的宽翼缘DBT型梁。

设计准则与施工方案

设计依据

预应力混凝土梁桥的设计，华盛顿州交通厅采用了现行的美国联邦州公路桥梁设计规范（AASHTO LRFD），详细内容可参见《华盛顿州交通厅桥梁设计手册》。

目前的设计原则是在正常使用极限状态下，构件预压时受拉区混凝土不允许产生拉应力。预应力钢绞线的张拉控制应力为0.75fpu，极限值为0.8fpy。此时需要按全截面消压考虑，且单跨预应力梁不考虑中间墩的连续性，精确计算预应力损失，以及考虑之后的铺装层影响。

华盛顿州交通厅对预应力梁和桥面系的设计原则使得结构更加耐用。而采取一些保守设计的原因是——

1.桥梁设计规范的定期修改补充。AASHTO设计规范经历了从最初的容许应力设计方法（ASD）、荷载系数设计方法（LFD），到现在的荷载和抗力系数设计方法（LRFD）。

2.为超高车辆碰撞而损坏的主梁储备能力。超高车辆碰撞预应力梁桥经常会导致钢绞线断丝或错股。

3.预应力梁的零张拉力设计，可确保主梁在使用状态下不开裂，从而延长使用寿命。

4.增加预应力束可提高混凝土梁的抗剪能力。

5.保守的设计假设可以提高桥梁的使用寿命，并降低桥梁在整个生命周期内的成本。

6.考虑浇筑铺装层的影响。

预应力梁的挠度和拱度

预应力梁的最终挠度是各施工阶段的弹性挠度与各时变参数的长期效应的总和。

实际上，对上部结构挠度的许多测量结果表明，一旦浇筑了桥面板，与梁形成整体后，其长期效应挠度值将降至最低。不管是单跨还是多跨梁桥，桥面板在横向上设置加强筋，都会出现这种情况。原因在于，当桥面板与梁结合形成桥面系时，刚度得到了较大的提升。对于连续梁桥的上部结构来说，连续性进一步加强了整体结构的刚度。同样，梁的徐变效应被自重与桥面板混凝土的收缩抵消。

提高连续性的设计方法

华盛顿州交通厅依据连续梁的内力包络图进行设计。预应力梁在正常使用极限状态下，应承受静载和活载产生的正弯矩，同单梁的受力特点。连续梁桥在中间墩处的桥面板上需设置加强筋，承受活载和自重叠加在一起的负弯矩。

预应力梁由于收缩徐变产生的正弯矩会导致横隔板处的混凝土开裂，为了不让这些裂纹消弱连接件抵抗负弯矩的能力，目前有几种方法正在用于提高连续梁桥的连续性。

其中一种方法是，将梁下翼缘处的约束钢筋布置在隔板中，以抵抗正弯矩。而所需的钢筋量取决于梁的设计使用寿命。但该方法的缺点是可能会增加预制拼接时的成本，以及待内隔板达到设计强度后，影响桥面板的施工作业进度。

虽然单梁的设计成本略高于这种设计有减少正弯矩的梁，但整体施工方法具有经济效益。此外，经验表明，保守的设计性质导致非常持久的结构与改善超载能力。

在承受横向荷载时，中间墩处的横向连接与桥梁所处的地震带有关。华盛顿州西部的桥梁都位于地震带3和4，而华盛顿州东部的桥梁则位于地震带2。

上、下部结构之间的连接是预制混凝土梁桥进行抗震设计的关键。特别是在中高度地震区的桥梁，如果上下部结构缺少整体连接，会使柱顶表现为销连接，从而对多排桩的基础产生较大的力。在上、下部结构之间考虑用可以减少基础所受到的弯矩。

连续梁桥中间隔板的现浇混凝土分两个阶段完成，以保证预制梁安装后的稳定性，并预防徐变效应的影响。张拉的钢绞线、钢筋可以确保地震发生时桥梁能够拥有足够的连接性能。固定隔板的设计假设为：所有相邻桥跨的主梁宽度、间距均相同，且最好为同类型的截面形式；主梁为既能承受活载，又能承受恒载的单跨形式；为承受负弯矩处的桥面板进行加固；确定上部结构质心处的塑性铰合力；确定钢绞线张拉的数量，以抵抗地震正力矩；隔板设置加强筋以抵抗质心处的合力；在梁端截面内配置抗剪纵筋。

在地震高发区的预应力连续梁桥中间墩上采用固定整体式隔板(抗弯矩)。这种情况下，从梁的下翼缘伸出的预应力钢绞线被锚固在隔板上，形成柱顶塑性铰所需的正弯矩。图3显示了华盛顿州交通厅采用的固定整体式隔板的细节标准。

整体式和铰接式横隔板均为半挑高结构，加腋梁、隔板和模板的自重由下横梁承担，而活载和附加的静力荷载则由全部横梁承担。此类结构的施工消除了对临时支撑的依赖。半挑高的横梁分为两部分进行浇筑，下部为预制梁提供支撑，上部为桥面系提供连续性。

预制盖梁

预制盖梁的设计，节约了现场浇筑混凝土等待成型、硬化的养护时间。图4展示了华盛顿州正在施工的预制盖梁。墩柱中的竖筋延伸出来，穿过预留在盖梁中的套管，套管由直径4英寸（100毫米）的波纹镀锌金属导管制成，并留有足够的施工公差和灌浆空间。安装完盖梁后，盖梁与现浇的混凝土墩柱一起发挥作用，钢筋再通过预制盖梁延伸到隔板的顶部。

预制梁的运输与架设

较长的预应力混凝土梁在运输过程中会受到许多因素的影响，例如梁的重量、长度、高度、横向稳定性，以及不同的运输方式。多年来，华盛顿州交通厅对预应力混凝土梁的处理和运输都有明确的规定。但这些规定并没有考虑到，由于使用高性能混凝土而可能出现的新情况。笔者根据高性能混凝土在最初的几座桥梁项目中的设计及现场经验，对华盛顿州交通厅的运输标准进行了一些修改，以供参考。

混凝土抗压强度要求

在运输预制梁时，混凝土的抗压强度要求通常决定了预应力梁的设计，因为此时的要求已经不再是正常使用状态和强度极限状态下的混凝土抗压强度值。

计算表明，此时的强度水平也完全满足正常使用极限状态下的压应力要求。由于按照单跨的梁进行设计，在正常使用极限状态下预压受拉区不允许出现拉应力，因此混凝土强度要求与该标准无关。

根据横向稳定性的要求，在没有临时的顶部钢绞线的情况下，将梁从模板上剥离需要混凝土强度降低到约54.47MPa，如果有6个临时的顶部钢绞线，那么这个值可以降低到约51.02MPa。如果是临时顶部钢绞线就地运输所要求的混凝土强度约为59.29MPa。所有这些强度值都超过了现浇混凝土所需达到的设计强度。

对于使用长而重的预应力混凝土梁桥项目，华盛顿州交通厅在初步设计阶段就对梁的运输和架设进行了研究，以确保能够合理的建造桥梁。在某些限制通行的工程中，梁的长度受到制约，需要采取预制拼接的设计。高度的限制问题通常以替代的路线或绕行路线来解决。华盛顿州交通厅将初步调查的结果，以特殊条款的形式加入到了规范中。条款中规定了运输路线、预估的通行许可证审批时间及费用、护送车辆的要求，以及对华盛顿州巡逻队的要求。

横向稳定性

华盛顿州交通厅对在运输和架设细长梁时使用临时顶部钢绞线来提高稳定性做了详细的规定。这些钢绞线要么先张拉，要么在梁被拆模后的某个时刻再进行张拉。不管是先张还是后张，都取决于制造商所采用的方案。

张拉的临时钢绞线仅在梁端约3m处粘结，而在梁的其余长度范围内不粘结。后张临时钢绞线在梁的一端锚定，另一端在3m处粘结，其余位置不粘结。

用于临时钢绞线的导管需要较大的尺寸且密封，以防止钢绞线在切割时被束缚或粘结。切割后对钢绞线的回缩进行测量表明，该方法允许钢绞线在释放后完全松弛。

在上翼缘引入临时钢绞线，对预应力梁的设计也有益处。临时的顶部钢绞线可以减少瞬时的挠度和长期弯曲变形，从而减少现浇桥面加腋处所需的混凝土量。这也意味着需要更少的桥面板混凝土，以及减小了恒载产生的力矩。同时，临时减小了的预应力偏心距也降低了梁在释放时的压应力，从而降低了所需的混凝土释放强度。

不管采用先张法还是后张法，在张拉临时钢绞线时，都应考虑其对长期挠度的影响。大多数高性能混凝土梁可以在没有临时钢束的情况下从模板上剥离，但这是以较高的混凝土释放强度为代价的。然而，许多高性能混凝土梁需要临时钢束运输。如果在设计中未考虑临时顶部钢束，其对长期挠度的影响将不利于施工，可以在运输前对这些临时的顶部钢束进行后张拉，将其对拱度的影响降至最低。

接缝连接

预制混凝土构件之间的纵向连接，最常见的是在剪力键处灌浆和在以一定的间隔横向焊接连接的组合。这种连接旨在传递剪力和防止纵向伸缩缝发生相对的竖向位移。然而，为了减少可能发生的裂缝和渗漏，需要对其进行改进。华盛顿州交通厅要求在不小于12.7cm厚的现浇桥面板的横向和纵向上各加一层钢筋。这样的现浇桥面板可以减少对密封灌浆的需要，并在中间墩处提供更好的连续性。

现浇混凝土选用4000D级混凝土，在横向和纵向上均应留有一层4号环氧涂层钢筋，12.7cm厚的现浇混凝土桥面板在结构设计计算时，可以将其看作是一种复合结构。

可参考的快速设计图表

为促进预应力混凝土梁的快速设计，符合AASHTO LRFD和华盛顿州交通厅的标准，华盛顿州交通厅桥梁和结构办公室开发了设计辅助工具和计算机软件，可以在WSDOT网站下载。

对于预应力混凝土梁桥，设计的第一步是确定跨径、主梁尺寸、梁间距和预应力钢束。由于可行的设计方案众多，为了帮助工程师高效地进行桥梁设计，华盛顿州交通厅在其桥梁设计手册中发布了桥梁跨径布置图表，利用该图表，可以实现设计方案的快速比选，从而确定最优的桥梁设计方案。

高强度混凝土和新型宽翼缘预制梁的使用，让华盛顿州交通厅的工程师们能够根据特定项目的参数，设计跨径更大、上部结构更薄的桥梁。更大的跨径减少了桥墩数量，也减少了对交叉路口的通行影响，提高了交通安全性，特别是在交通拥堵严重的地区。梁间距的增加也使得单片梁的数量减少，从而降低了制造、运输和安装成本。较薄的主梁可使用高强度混凝土制造，在靠近河堤和桥台处，提高垂直净空。

采用预制的预应力混凝土梁，经济高效，可快速进行桥梁施工。预制构件在施工期间不需要中断交通，同时还保证了施工质量和结构的长期性能。

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