体内体外混合预应力配束连续刚构桥 力学性能对比分析*
陶庆东"，刘跃国
（1.绵阳职业技术学院建筑工程系，四川绵阳621000：2.重庆交通大季土木建筑季院，重庆400074）
[摘要]以重庆新滩大桥体内体外混合配束连续刚构桥为工程实例，运用有限元软件分析其左幅全体内预应力与右幅体内体外混合配束的受力特点，并对比左右顿桥梁相同位置处的剪应力、经济性及工程实用性，得到连续刚构桥的体内体外混合配束的特点及优势，进面探讨采用优化配置的纵向体内体外预应力钢束取代竖间预应力施来承 担混覆土的主拉应力的可行性，免由于竖向预应力的题工质量难以保证，使成桥后主梁易出现混凝土开裂等病害.
[关键司]桥梁工程：预应力；连续剧构桥；有限元分析
[文章端号】1002-8498（2017）02-0063-06
[中图分类号]U445 [文献标识码]A
Comparative Analysis of the Mechanical Properties of the In-vivo and In-vitro Mixed Prestressed Continuous Rigid Frame Bridge
onennuopuoe1
(1. Mianyang Vocational ond Technical College Departmens ef Archileetural Enginerring Mianyag Sichan 621000 China;2. Scbool ef Cisil Eaginering and Architare Chning Jiatng Uniniy Chongying 400074 China)
Abstraet; Taking Chongqing Xintan continuous rigid frame bridge with mixed beam in-vivo and in-vitro asan engineering eample the stress charaeteristies that the lef in-vivo bridge and the right mised beam in-vivo and in-vitro bridge were analyzed with the finite element software and the left and right bridge ′ sshear strs cmical eficieny and ninering practicability at the same position were pard y which the characteristies and advantages of mixed beam in-vivo and in-vitro of contiouous rigid framebridge were obtained. Then the feasibility of using the optimized configuration of the longitudinal in-vivoand in-vitro prestressed steel beam to replace the vertical prestressed reinforcement to besr the maintensile stress of concrete was discussed which avoided the diseases of the main beam concrete crackingbecause of the difficulty of the vertical prestress construction quality.
Key words;bridges: prestressing: continuous rigid frame bridge; finite element analysis
而解决成桥后运营过程中预应力混凝土桥梁普遍为体内预应力体系，成桥后运营过程中普遍存在跨固中体外预应力技术的优点及丰富的工程加固经 在役的大跨度预应力混凝土PC连续刚构桥多存在跨中挠度大、裂缝等问题.同时，考虑桥梁加中挠度、裂缝随时间加大等病害，主要原因在于体验，将其运用到大跨度预应力混概土PC连续刚构内竖向预应力筋的应力损失过大，施工过程中的施桥中，采用将体内、体外预应力技术相结合的方式
0引言
工技术、工艺缺陷造成纵向预应力报失增大.体外保证桥梁预应力的意义显而易见.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
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
1工程概况
1.1左幅桥上部结构体系
摩阻损失较类似束型的体内预应力锅束小很多，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.
济上的不同，以重庆新滩大桥为工程实例，对左、右 为研究体内、体外预应力体系的受力、施工、经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（7513075）m3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.
图1新滩大桥主桥桥跨结构布置（单位：cm）Fig.1 Xintan bridge's main bridgeoverall layout( unit;cm)
1）左幅桥上部结构为单箱单室混凝土箱形截
Fig.2 Transverse section of box girder 图2箱梁横断面布置
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.因体外束错固和换束的需要，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）.
1.2左、右幅桥预应力钢束配置
左幅桥箱梁采用传统的三向全体内预应力配混凝土结构中.右幅桥箱梁采用体内体外混合预 索体系，即纵向、横向、竖向有预应力筋布置于箱梁应力体系，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15.24mm高强低松弛钢纹线，弹性模量为19.5CPs，钢绞线两端张拉，采 用真空辅助压浆.钢绞线强度f=1860MPa，张拉锚下控制应力a=0.75f.右幅桥箱梁纵向体外预应力钢束采用$15.24mm高强低松弛喷涂环氧钢纹线，弹性模量为19.5GPa，两端张拉.钢绞线强度f=1860MPa.体外预应力钢束设有转向块和 错固块以满足构造需要.左、右幅桥横向预应力采
图3左幅桥半中跨的纵向预应力配置
Fig.3 The left bridge half middle span longitudinal prestressing tendon
图4右幅桥边跨和半中跨体外预应力筋线形Fig. 4 The right bridge side span and half middle span longitudinal prestressing tendon linear
2结构有限元模型
2.1结构单元模拟
2.2边界条件
管、扁锚，单边张拉.钢绞线强度/=1860MPa，张束时，释放边跨满堂支撑架现浇段水平约束，只对控锚下控制应力a=0.75f.左幅竖向预应力筋边支点进行竖向约束；成桥时，主墩墩底约束全部 采用JL32精轧螺纹钢筋，材料强度=930MPa.自由度，墩梁固接，两边支点只约束竖向位移.每根张拉力为673.2kN，竖向预应力钢筋在箱梁顶部张拉，采用YCM-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706.9kN.本桥主p为2600kg/m²，桥墩采用C40混凝土，弹性模量为 桥箱梁采用C50混凝土，弹性模量为34.5GPa，密度32.5GPa，密度p为2600kg/m².
重庆新滩预应力连续刚构桥采用逐段悬臂施梁截面也随位置发生相应变化.施工环境的复杂弹性连接来进行模拟.运营阶段的变形及应力状态非常复杂.运用MIDAS/Civil2011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，主梁和墩采用空分.右幅桥考虑到体外索的特性，主梁和墩仍采用 间梁单元进行模拟，按施工过程进行结构单元的划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轴为桥梁织向，y轴为桥梁横向，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
用$15.24mm高强低松弛钢绞线，扁形塑料波纹支撑架现浇段进行纵向和竖向约束：张拉边跨合龙
图5新滩大桥有限元模型Fig. 5 Xintan bridge finite element model
工法施工，结构体系在施工过程中经多次优化，箱认为边跨满堂支撑架现浇段已脱架，采用只受压的 边跨合龙束是分批张拉的，张拉前2根钢束时，
性致使混凝土发生收缩徐变，使整个桥梁在施工及3结构计算结果比较分析
3.1左、右幅桥梁比较重点
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.因面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.
分析，由于桥梁结构存在偏载，约束扭转占总扭矩 采用MIDAS有限元软件对左、右幅桥进行对比的比重较大，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，进面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.
3.2左、右幅桥梁计算结果比较
3.2.1荷载组合1作用下应力比较
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1作用下的上下缘正应力、主应力比较如图6所示.荷载组合1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跨中部位的单元，即桥梁左半跨. 45号代表桥梁左幅或右幅左端边缘开始至主桥
Table 1 The load bination I coefficient bination 表1荷载组合I的系数组合
荷载工况 组合系数支座沉降 1.0钢束1次 恒荷载 1.0 1.0钢束2次 1.0徐变2次 收增2次 1.0 1.9移动萄载 0. 666 7
图6荷载组合1左、右幅桥梁应力Fig. 6 Stress of left and right bridges under kad bination 1
由图6a、图6b可得，荷载组合1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韬桥，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0.46138MPa，左幅桥上缘最大主拉应力为0.58455MPa，右幅桥为左幅桥的0.79倍.
3.2.2荷截组合Ⅱ1作用下剪应力比较
为得到正常使用组合ⅡI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）的基碑上，考虑1.3号墩沉降2cm及2，4号墩沉降2em.对温度变 化的工况取为：整体升湿20℃，整体降湿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20C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：基本组合移动有载组合整体降温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I的剪应力取恒荷载、活荷载、温度与沉降组合面成.不同工况的左、右半幅桥剪应力比较如图7所示.
体内预应力配束的剪应力总体上大于右幅桥体内 由图7可得，在荷载组合ⅡI作用下，左幅桥全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；距桥左编边缘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，右辐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
围7荷载组合I左、右幅桥剪应力Fig.7 The left and right bridge shear stress under load bination II
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辐桥能满足桥在正营使用情况下的承载力要求.
4预应力利用率与经济性比较
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，进面
降低了体外预应力的影响作用.
4.1竖向预应力与体外预应力利用率比较
于底板面内方向，竖向预应力对底板加腋的根部的 对于不同荷载组合下截面底部的主拉应力，由受力不起任何作用.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.面一旦开裂，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，缺乏底板织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.
4.2经济性比较
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.
表2左、右幅桥主要材料用量比较Table 2 Comparison of main material consumptionused in the left and right bridges
主要用料指标 左霜桥量 右幅桥梁C50/(²-= -) 1.10 1.10普通钢/（kgm-2) 140 140 45.44预 级向 54 97 体内 体外 20.81力 合计 66.25/ 横向 4.24 设有配置（以飘向预应力 4. 24(kg-=2) 15.21 籍的上弯，下弯代替） 70. 498计 74. 42
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，
