大跨预应力NSC-UHPC连续混合箱梁桥新体系试验与理论研究

大跨PC梁桥普遍存在开裂和下挠两大难题，至今未有效解决，已成为制约其发展的主要技术瓶颈。申请者针对自重过大、混凝土抗拉强度低和徐变效应明显三个病害根本成因，基于UHPC超强、耐久、徐变小的优异性能，研发跨中区段采用UHPC薄壁箱梁的大跨预应力NSC（常规混凝土）-UHPC连续混合箱梁桥新体系。申请者从大跨UHPC-PC连续混合箱梁桥分析与优化设计、预制UHPC梁段的预应力 螺栓连接组合接缝的抗弯性能、UHPC-RC组合结构界面抗剪性能、UHPC作为NSC之间湿接缝时组合结构的受力性能以及UHPC-RC组合结构的抗弯性能等五个方面进行了课题的研究。研究结果表明项目组充分利用了UHPC的优良性能，实现装配式桥梁跨中梁段轻型化和抗裂性能、耐久性的大幅提高，并通过降低应力水平来减小混凝土梁段徐变变形，有效解决PC梁桥自重过大、主跨过度下挠和梁体开裂等难题，项目组提出的预制UHPC梁段间预应力 螺栓连接键齿接缝的接缝连接形式可以保证结构的安全可靠，验证了UHPC-RC结构界面具有良好的抗剪粘接性能能够确保UHPC层与混凝土结构共同承受荷载，证明了预制拼装普通混凝土构件现浇UHPC接缝的可行性和优越性，且UHPC层可以使原RC结构正常使用状态得到大幅改善。申请者提出了与研究课题相关的设计方法和计算理论，为该技术应用于实际工程提供了技术指导和试验结果支撑。本项目以解决大跨PC梁桥主跨过度下挠和梁体开裂为基本目的，系统开展大跨预应力UHPC-NC连续混合箱梁桥新体系的基础性研究，有望将这种新型梁桥的跨径拓展至350m。项目研究面向混凝土梁桥大跨、安全、经济、耐久的重大需求，具有重要的科学意义和实用价值。 2100433B

大跨PC梁桥普遍存在开裂和下挠两大难题，至今未有效解决，已成为制约其发展的主要技术瓶颈。申请者针对自重过大、混凝土抗拉强度低和徐变效应明显三个病害根本成因，基于UHPC超强、耐久、徐变小的优异性能，研发跨中区段采用UHPC薄壁箱梁的大跨预应力NSC（常规混凝土）-UHPC连续混合箱梁桥新体系。前期研究表明，新体系具有自重轻、徐变变形小、材料抗裂性高、耐久性好等优点，能综合解决上述两个难题、并扩展桥梁跨径至350m。项目结合理论、试验和数值方法完成以下基础性工作：探明NSC-UHPC混合梁桥合理构型，掌握整体结构及UHPC箱梁的基本力学性能与分析理论，提出混合主梁的防止开裂和下挠设计方法，研究UHPC-NSC、UHPC-UHPC梁段新型连接的静力与疲劳性能，建立完备的UHPC-NSC混合梁桥设计方法和计算理论。项目成果将为解决大跨PC梁桥发展的重大需求－控制开裂和下挠－奠定原创性的坚实基础。

1950 年世界上第1座采用节段悬浇施工和后张预应力的箱梁桥，德国主跨62m的Balduisntein桥的竣工，标志着预应力混凝土箱梁桥进入大跨径时期，大跨径预应力混凝土箱梁桥以其良好的结构性能和优美的外形在世界各地得到了广泛的应用，主跨已达301m。但是近年来，随着跨度增长，主梁的下挠问题日益突出，严重影响到这一桥型的继续发展。其主梁下挠的特点表现为：

（1）挠度长期增长增长率随时间可能呈加速、降低或保持均速变化的趋势；

（2）结构的长期挠度远大于设计计算的预计值。世界一些典型大跨径预应力混凝土箱梁桥的下挠情况不但说明国内外普遍性地存在主梁下挠的问题，而且也从一个侧面表明大跨径预应力混凝土箱梁的长期下挠的确是体系上存在缺陷，不同地域造成的材料与环境的差别、施工质量的差别等特定因素不是造成下挠的必然原因。

主要原因分析：

（1）混凝土收缩徐变 (包含箱梁断面构件不同厚度导致的收缩差异影响、交通荷载和温度变化引起的反复荷载效应、施工接缝的影响、环境温度与湿度的变化等)；

（2）对预应力长期损失估计偏低；

（3）混凝土的开裂；

（4）施工方法 (特别是合龙方式)导致的不利的成桥应力状态。

连续跨环形预应力梁施工工法适用范围

《连续跨环形预应力梁施工工法》适用于圆形预应力混凝土储仓、体育馆，圆形市政工程等的施工；水工压力隧洞、压力井的预应力混凝土结构。

连续跨环形预应力梁施工工法工艺原理

《连续跨环形预应力梁施工工法》的工艺原理叙述如下：

1、在同一块开有相同但锥孔方向相反的锚板上，通过变角张拉装置，利用夹片将钢绞线的首尾锚固在该锚板上。通过钢绞线张拉变形挤压管道壁，使结构环受到径向分布的挤压力和切向拖曳力，从而使结构截面形成环行的预应力。

2、采用预应力环形梁结构，通过预应力梁的顺序张拉，对建筑物起到加箍的作用，使建筑物形成一个整体，承受上部斜柱、看台传递的荷载，使主体结构安全顺利地建成。

连续跨环形预应力梁施工工法施工工艺

• 工艺流程

《连续跨环形预应力梁施工工法》的施工工艺流程：

施工准备→钢绞线下料→波纹管矢高放线→焊波纹管支撑筋→穿波纹管并连接钢绞线先穿束→安泌水管、压板→焊长拉端、固定端锚垫板→浇灌混凝土→预应力筋张拉→孔道灌浆→切割端头钢绞线→细石混凝土封端头。

• 操作要点

《连续跨环形预应力梁施工工法》的操作要点如下：

一、钢绞线下料

下料长度根据设计图纸和现场实际测量尺寸下料，下料切割采用砂轮切割机进行。

二、安装

先在预应力梁中与箍筋焊接架力筋（支撑波纹管）用绑扎丝固定到位。使波纹管曲线平滑无叠痕。在振捣时应避开与波纹管接触。焊接制作张拉端，固定端埋件，穿束（钢绞线），设备就位于固定端进行挤压，使挤压锚具牢固的与钢绞线通过挤压成一体，从而达到设计要求固定端锚固，安装泌水管对管端封堵好。

三、预应力张拉

1.张拉前准备工作：在施工预应力梁端头搭设2米×2米操作平台，护栏高度1.2米左右。要求预应力混凝土梁试验报告，其强度必须符合设计要求，方可张拉。

2.根据设计张拉控制应力超张拉5%，分五级张拉。

3.第一级：10千牛（初值）；第二级：20%的张拉控制应力；第三级：40%张拉控制应力；第四级：80%的张拉控制应力；第五级：100%的张拉控制应力；超张拉至105%的张拉控制应力保持2分钟后进行锚固。

4.预应力梁为2孔每孔8根钢绞线，张拉为单端张拉。张拉时每段按顺序依次张拉，每段张拉次序见下图。预应力梁张拉端部张拉时应随时对比实际伸长值与理论计算值之间的误差，按张拉为主实际伸长值与理论计算值双控的原则进行。

5.预应力张拉时应严格做好张拉记录。

6.张拉结束，核对数据无误，确保达到设计要求后，可将张拉锚固端头多余力筋切除，切除时用砂轮切割机（不可用氧焊、电焊切割端头），留头不少于3厘米，然后按要求用细石混凝土封闭锚头。

7.孔道灌浆：灌浆前先将清水灌入孔道内，将搅拌好的水泥浓浆用灌浆机压入孔道内，使端部出浓浆分三次加压即可，灌浆时随机取试件样。

• 劳动力组织

《连续跨环形预应力梁施工工法》的劳动力组织情况见下表。

第1章　绪论

1．1　预应力混凝土箱梁桥的发展概况

1．2　预应力混凝土箱梁桥的特点

1．3　预应力混凝土箱梁桥裂缝问题

第2章　裂缝分类与成因

2．1　按裂缝产生的外因分类

2．2　按裂缝的力学特性分类

2．3　按裂缝发生的部位分类

第3章　箱梁桥开裂的敏感性因素分析

3．1　平面计算和空间计算的分析比较

3．2　竖向预应力

3．3　纵向预应力

3．4　温度梯度模式

3．5　容许主拉应力

3．6　收缩徐变效应

第4章　箱梁桥设计方法与构改进

4．1　设计方法

4．2　纵向预应力束设计

4．3　比拟法的应用

4．4　箱梁桥尺寸设计

4．5　配筋设计及合理布置

4．6　验算与控制

第5章　施工、养护及其改进措施

5．1　施工控制

5．2　养护策略

第6章　工程实例

6．1　实例Ⅰ

6．2　实例Ⅱ

6．3　实例Ⅲ

6．4　实例Ⅳ

6．5　实例Ⅴ

6．6　国外同类桥梁的设计计算思路简介

第7章　结论与建议

7．1　总体布置

7．2　计算与设计

7．3　裂缝控制措施

参考文献

致谢