节段箱梁预制拼装技术调查报告

　 节段箱梁预制拼装技术调研报告

　 2016 年 年 9 月

　目 目

　录

　第一 章

　概

　述

　引言 随着社会经济和现代化建设的快速发展，桥梁建设的发展也迎来了良好的机遇期，因此桥梁设计的各种新的理念和桥梁施工的各种新的方法都不断的被尝试。其中，节段箱梁预制拼装技术的应用及发展最令人瞩目，而且得到了世界各国建设领域的广泛认可。

　20 世纪 60 年代初期，节段预制拼装施工方法首先出现在欧洲，70 年代传到美洲，直到 80 年代才被引入中国，并且结构型式呈现了多样化和复杂化的趋势。到目前为止，节段箱梁预制拼装技术在美国、欧洲、日本等工业化发达国家应用比较广泛，而在我国只是处于起步阶段。随着桥梁建设的发展，桥梁施工正朝着构件生产的工厂化、标准化、结构拼装化和装配化以及施工设备机械化的方向发展，因此预制拼装技术将是今后预应力混凝土桥梁主要施工方法之一。节段箱梁预制拼装技术是近五十年内才发展起来的一种施工技术。它是借助预应力束施加于混凝土预制节段上的压力，使得节段间接触面紧密结合，从而使节段整合形成一个整体来承担桥梁荷载。

　节段箱梁预制拼装技术之所以能被工程界广泛认同，主要的优势表现在：桥梁上部结构节段预制和下部结构的施工可同时进行，施工速度快，工期缩短；梁体的预制工厂化，施工质量好，而且上部结构线形控制较为容易；节段箱梁的养护时间较长，成桥以后梁体的徐变和预应力损失较小；工厂化预制和机械化施工提高了现代化桥梁的建设水平；采用流水施工，箱梁的预制和安装可以分开进行，相互不干扰，缩短了施工工期；有利于桥位处的环保，减少了对桥下的现有交通的影响。

　国内外发展现状 国外发展现状

　上世纪六十年代，法国工程师在节段悬臂浇筑施工方法基础上形成了预制节段悬臂拼装施工方法，将节段预制与平衡悬臂施工相结合，加快了施工速度，提高了施工质量。1962 年在巴黎南部塞纳河上建成的 Choisy-Le-Roi 桥是最早采用预制节段悬臂拼装施工的混凝土桥，该桥由着名工程师 Jean Muller 设计。

　 图法国Choisy-Le-Roi桥

　20 世纪 70 年代，预制节段拼装施工工艺得到了迅速发展，从最初的平衡悬臂拼装施工方法，逐步发展成逐跨拼装施工等多种方法。1980 年竣工、由Jean Muller 设计的美国 Long Key 桥，是美国第一座采用预制节段逐跨拼装施工的体外预应力混凝土桥梁，也是新一代的体外预应力混凝土桥梁，该桥平均施工速度达到了每星期跨。之后，结合体外预应力技术和先进架桥设备的标准化预制节段拼装施工方法在全世界得到了快速发展，大量节段拼装类型桥梁出现在城市高架、跨海大桥等工程中。美国佛罗里达州 Mid-Bay 和Garcon-Point 跨海大桥采用了干接缝、体外预应力、节段逐跨拼装施工法，分别在 1992 年 9 月和 1998 年 3 月创造了逐跨拼装施工一周架桥 290 和 299m

　的世界记录。1996 年竣工的韩国汉城内环线，也采用了预制节段悬臂拼装施工，预应力体系为体内、体外混合配束形式。2000 年建成的泰国曼谷曼纳高速公路高架桥，全长 55km，耗资 10 亿美元，平均跨度 42m，整个工程预制节段 39570 个，全部采用体外预应力、干接缝、逐跨拼装技术。此外，马来西亚、日本和澳大利亚的许多公路交通项目中都采用了节段预制拼装技术。

　 （a a ）

　Long Key bridge

　（b b ）

　Seven Mile bridge

　（c c ）泰国曼谷曼纳高速公路桥

　图节段预制拼装桥梁的代表作

　在铁路桥梁方面，最早采用预制节段施工法的是法国 1976 年建造的MarnelaVallee 高架桥和日本的 Kakogawa 桥，桥长分别为 1528m 和 500m，采用上行移动式支架悬臂拼装施工。进入 90 年代，在城市轻轨和高速铁路桥梁方面，预制节段拼装施工法得到了推广应用，而且体外预应力的使用呈现逐步上升趋势。1991 年建成通车的墨西哥蒙特雷地铁线高架桥梁（全长，共用6503 个预制节段），采用体外预应力技术、逐跨拼装施工方法。2000 年建成通车的法国 TGV 地中海线的阿维尼翁特大桥，是首次在高速铁路桥梁上采用预制节段上行式移动支架悬臂拼装的体外预应力结构。

　随着设计与施工技术的发展，预制节段拼装施工方法已不限于在桥梁的上部结构使用。20 世纪 70 年代桥梁下部结构的预制节段拼装施工技术，在荷兰、美国等一些国家也开始得到应用。标准化分段、系列化的预制与拼装施工工艺，在现场施工环境较差情况下，可以大大缩短现场施工时间，对环境的不利影响降低到最小程度，并使施工质量得到保证。

　国内发展现状

　在我国，对预制节段拼装预应力混凝土桥梁的研究开始于 20 世纪 60 年代。当时在成昆铁路上建造了两座预应力混凝土悬臂梁桥：旧庄河 1 号桥和孙水河 5 号桥。旧庄河 1 号桥主跨为 24m+48m+24m，采用预制节段悬臂拼装施工法；孙水河 5 号桥主跨++，采用预制节段逐跨拼装施工法。这是首次在我国铁路建设上采用了悬臂挂篮、箱形截面、梁段预制胶拼施工等一系列新技术。随后于 1994 年完工的郧阳汉江公路大桥首次采用专用三角吊机进行节段箱梁悬臂拼装施工，这是一种节段箱梁预制拼装技术在施工设备上的进步。此后，随着施工机械的进步和完善，节段预制拼装技术在我国得到了较大的

　认可和发展。随后的石长线湘江大桥、珠海淇澳大桥、闽江大桥、福建厦门高集海峡大桥、夷陵长江大桥等数十座大桥都采用了节段预制拼装、逐跨施工技术。

　当前，随着我国基础建设的快速发展，桥梁建设步入了高峰期，与此同时工程环境的要求越来越高，导致对施工的制约条件越来越严格。施工速度快、对环境的影响因素小以及对桥梁结构的质量要求越来越高成为现在的主要话题。这些因素对节段预制拼装技术的发展起到了决定性的推动作用。

　2001 年，嘉浏高速公路上的浏河大桥就是在这种环境下采用节段箱梁预制拼装技术建成的。该桥全长 421m，主桥采用混凝土节段箱梁预制拼装施工工艺，如图（）所示。

　 图 新浏河大桥

　该桥采用的“预制梁节段拼装”先进施工方法在我国国内尚属首次，机上悬挂拼装工艺，也取得了圆满成功，填补了国内空白；而且与郑州大方桥梁机械有限公司合作，制造了我国国内第一台 DP450 型架桥机，又填补了一项空白。

　随后建造的香港西铁高架桥，该桥主梁设计成若干 左右的主梁节段，采用架桥机组合拼装，如图（）所示。

　 图香港西铁高架桥

　西铁高架桥由于施工场地狭小，主梁整体预制的可能性较小，因此采用节段箱梁预制拼装工艺，而且能够达到很好的效果。在该工程建设中，在第82 跨和第 96 跨采用的是Ⅱ型架桥机安装主梁，这是节段箱梁预制拼装技术在施工设备上的又一大进步。

　2003 年建成的上海沪闵二期高架道路工程，全长，是我国国内首次采用短线法匹配预制工艺预制宽节段箱梁，而且该工程中的“节段拼装预应力混凝土连续弧形箱梁试验研究”为我国首次，改变了满堂支架对施工环境的影响，体现了我国桥梁设计和施工的又一次进步。2006 年通车的广州轨道交通四号线工程，使节段箱梁生产工厂化以及预制节段在现场通过架桥机安装技术又提高到了一个新的水平。

　2008 年建成的苏通大桥采用节段箱梁短线法预制工艺以及悬臂拼装法施工工艺，跨径为 1088 米，斜拉桥跨径为全球之最。悬臂拼装技术和短线匹配预制工艺在苏通大桥上的又一次成功的应用，充分体现了采用节段箱梁预制拼装技术进行工程施工作业在我国逐渐走向成熟。

　在该桥的有力推动下，大量跨江跨海通道引桥如上海长江大桥引桥、崇

　启长江大桥、南京第四长江大桥、厦漳跨海大桥、泉州湾跨海大桥引桥等项目均采用该项技术。此外，在我国城市轨道交通领域，广州地铁 4 号线首次采用节段预制拼装技术，路线全长. 到目前为止，国内在这方面的一些主要应用实例如表所示。

　表 国内采用节段预制拼装技术的典型桥梁

　桥梁

　建 成 时间

　结构形式

　最大跨度

　（m）

　施工方法

　香港蓝巴勒海峡大桥

　1996

　连续刚构

　120

　节段预制悬臂拼装

　澳门珠澳莲花大桥主桥

　1999

　连续刚构

　96

　节段预制悬臂拼装

　上海新浏河大桥

　2001

　简支梁

　42

　节段预制逐孔拼装

　上海沪闵高架

　2004

　连续梁

　35

　节段预制逐孔拼装

　广州地铁 4 号线

　2005

　简支梁

　30

　节段预制逐孔拼装

　深港西部通道引桥

　2007

　连续梁

　75

　节段预制悬臂拼装

　厦门集美大桥

　2008

　连续梁

　100

　节段预制悬臂拼装

　苏通大桥引桥

　2008

　连续梁

　75

　节段预制悬臂拼装

　上海长江大桥引桥

　2009

　连续梁

　60

　节段预制悬臂拼装

　崇启长江大桥

　2011

　连续梁

　50

　节段预制逐孔拼装

　南京第四长江大桥

　2012

　连续梁

　65

　悬臂拼装、逐孔拼装

　厦漳跨海大桥

　2012

　连续梁

　 节段预制悬臂拼装

　2010 年 12 月建成的荆岳长江公路大桥为主跨 816m 混合梁斜拉桥，该桥边跨混凝土箱梁长 251m，宽，首次摒弃了传统的支架现浇施工工艺，而采用

　落地支架的节段预制拼装施工技术，大大提高了混凝土箱梁结构的耐久性。该技术成果是在混合梁斜拉桥首次出现，具有以往国内外常规施工技术具有显着的先进性和创造性，为国内桥梁界中解决宽幅混凝土箱梁收缩裂缝提供了新的途径，大大拓宽了节段箱梁预制拼装技术的使用范围，推动了该项技术的进一步发展。

　 图 荆岳长江公路大桥

　与传统的预应力混凝土腹板箱梁相比，波形钢腹板组合结构自重减轻约20%、充分发挥了材料性能（混凝土抗弯、波形钢腹板抗剪）、预应力使用效率高、抗震性能好。目前波形钢腹板组合结构桥梁基本都采用悬臂浇筑和支架现浇的施工工艺。将节段箱梁预制拼装技术引入波形钢腹板桥梁建设中，可改善常规节段预制拼装桥梁接缝受力性能、提高抗震防灾能力，同时能降低建设成本。2015 年 11 月 10 日，中交主持的节段预制拼装波形钢腹板箱梁桥足尺模型试验，在港珠澳大桥香港接线高架桥中山预制场取得预期效果。与前一代的节段预制拼装技术相比，在施工工艺、结构性能、连接构造等方面更加优越，标志着节段预制拼装技术的研发获得突破性进展。

　 （c）模板安装 1

　 （d）模板安装 2

　图 波形钢腹板加工及吊装

　 图 梁段拆分

　 第二 章

　节段箱梁预制及安装方法

　近年来，随着我国基础建设的大力发展，节段箱梁预制拼装技术因其施工速度快，对交通影响小等特点，越来越被认同。因此，研究节段预制拼装技术的施工工艺就具有了很大的必要性。

　就预制箱梁施工方法而言，目前国内外主要包括两种方法：长线法和短线法。随着节段箱梁预制拼装技术的发展，在国内项目建设中多采用长线法施工，而短线法预制工艺在国外应用比较广泛。

　节段箱梁长线预制法

　 长线法预制工艺

　节段箱梁长线法预制第一步是布置与跨度一致的固定台座，应考虑桥梁的自重、混凝土收缩徐变和施工等影响因素，确定桥梁的预拱度；根据预拱度来调整预制底模的高度。然后，将整跨度的主梁按照设计要求分成节段，把节段按照奇数、偶数划分，在预制台座上按照奇数和偶数的顺序预制节段

　箱梁。侧模随节段箱梁在台座两侧移动，在浇筑后一个节段时，前一个节段的后端面用作后一节段的前端模板，按顺序一块一块的在台座上匹配预制。

　 图 长线法匹配预制工艺

　长线法匹配预制技术的特点

　在国内，长线法匹配预制方法已经得到了广泛的应用，在应用该施工技术的过程中，一些优点得到了体现，同时也发现了一些缺点。现总结如下：

　长线法匹配预制的优点：

　（1）预制台座制造时，结构简单，所需设备较少，预制线形比较容易控制。

　（2）预制时由于台座底模线形的调整能够一次完成，测量工作比较集中，所以在生产人员和测量人员之间的交叉作业干扰性小。

　（3）由于长线法是整跨一次预制，累计偏差因素就会减少，也可以通过调整下一个节段来抵消已制成节段所造成的偏差。

　（4）由于国内运用此方法施工比较广泛，因此施工工艺较为成熟。

　长线法匹配预制的缺点：

　（1）因底模板的线型关系到桥梁梁体的最终线型，这就要求台座不能有大的沉降，基础施工要求较高。

　（2）由于台座的制作成本较高，而且除非是相同的桥梁梁体，否则长线法预制的台座无法用于下一个项目，即无法周转使用，造成比较大的浪费。

　（3）节段预制过程中，模板的调整较为困难，预制的速度较慢。

　（4）台座制作时占地面积比较大，直接影响成本的增加。

　（5）在长线台座上采用蒸汽养护方法较困难。

　节段箱梁短线预制法 短线法在国外的预制拼装工程中，得到了普遍的应用，特别适用于有纵向和横向曲线的桥梁。

　短线法预制工艺

　短线法匹配预制，底模长度只是一个节段箱梁的长度，每个节段的浇筑都是在一个模板上进行的。一端用一个固定的钢模板为端模，另一端利用已经预制完成的前一节段作为端模，逐段预制，如图（）所示。

　 图 短线匹配预制示意图

　制作过程中，浇筑模板和设备基本上不需要移动，底模和侧模都可以调整以便于平曲线和竖曲线节段箱梁的预制。活动支座下有四个液压千斤顶和运载轨道，

　它们分别用来调整匹配节段的竖向位置和水平位置。

　节段的几何线形以已经完成的相邻节段为标准，根据相关测量结果和梁体的预拱度计算值来进行控制。调整完成后即可浇筑该节段。当节段浇筑完成且蒸养

　完毕后，即可将其移动到匹配梁的台座上，这时原匹配节段就可以调运至存梁区存放。依次循环，直致完成所有节段的预制。短线法节段箱梁预制工艺流程如图（）所示。

　 图 短线法节段箱梁预制工艺流程

　短线法匹配预制技术的特点

　短线法在国内的使用还不多，但是根据国外的普遍使用情况，短线法存在以下特点：

　短线法匹配预制的优点：

　（1）短线预制法只需要三个节段长度的台座，适合工厂化生产，而且设备可以反复使用，意味着短线法底模利用率很高。

　（2）短线法预制节段便于蒸养，降低了节段的养护时间。

　（3）占地面积少，节约了地面资源。

　（4）因其模板等设备可以调整平、竖曲线，可以预制多种类型的梁体，适用于节段类型多的工程建造。

　短线法匹配预制的缺点：

　（1）因为每次预制的梁体比较少，造成周转频繁，延长了工期。

　（2）短线法对预制模板的灵活性和刚度等特性有较高的要求，这就提高了施工要求。

　（3）施工精度要求比长线法高的多，增加了施工难度。

　目前的设计理念是：最大限度实现标准化设计，工厂化生产，尽可能的降低成本。由于短线预制法适合工厂化生产，而且设备可以反复使用，有利于降低施工成本等诸多优势，预制工艺更为合理。

　节段箱梁安装方法 节段箱梁安装方法有逐孔整体拼装（悬挂法）和悬臂拼装，逐孔整体拼装一般适用于跨径小于 55 米的梁桥，悬臂拼装一般适用于跨径大于 55 米的梁桥，具体采用的方案取决于梁段总重量和架桥机的吊装能力。

　悬挂法施工

　梁段运输方式为：靠近预制场建设提梁站，梁段从预制场运至提梁站处，采用龙门吊将梁段吊装至运梁车上，之后通过施工便道或梁上运梁运送至架设部位。运梁车移动、移梁门吊及拼装架桥机见下图：

　 图 梁段运输施工

　总体架设顺序为从预制厂提梁站处开始架设，由该处向两侧依次推进根据桥梁长度情况，采用两台架桥机左右幅桥同步施工。具体架设工序为：

　 在预制场内进行主梁节段预制，梁段预制完成后要求在预制场内存放 3个月以上；

　 搭设施工平台及提梁站，现场拼装架桥机。通过运梁台车将第 1 号中间墩 0#预制节段运至现场，架桥机起吊节段就位并临时锚固，架桥机前行过孔，吊装第 2 号墩顶 0#预制节段并临时锚固；

　 运梁车分别运送第一跨预制节段至架桥机，调整标高，自左向右逐节段试拼，自第 1 号墩开始自左向右逐块调整就位，并将接缝间满涂环氧树脂，张拉临时预应力筋；

　 安装湿接缝临时定位装置，浇筑湿接缝混凝土，待其强度达到设计强度的 90%以上时张拉腹板束，再张拉第一跨体外预应力；纵向预应力张拉完毕后在行车道外侧一端张拉第一跨横向预应力；预应力施工完毕后，拆

　除临时预应力及临时定位装置，调整吊杆逐步落梁，解除第 1 号墩顶临时锚固装置；

　 架桥机过孔，前支腿支于第 3 号墩顶，吊装第 3 号墩顶 0#预制节段并临时锚固，按第 （2）、（3）

　步骤架设第二跨预制节段，张拉 2 号墩顶顶板束，张拉第二跨对应体内、体外预应力束。拆除临时预应力及临时定位装置，解除第 2 号墩顶临时锚固装置；

　 重复上述步骤，直至全部主梁架设完成。

　 图 悬挂法施工

　悬 臂 法施工

　悬臂法施工梁段运输方式同悬挂法施工，总体架设顺序为从预制厂提梁站处开始架设，由该处向两侧依次推进根据桥梁长度情况，采用两台架桥机左右幅桥同步施工。具体架设工序为：

　 在预制场内进行主梁节段预制，梁段预制完成后要求在预制场内存放 3个月以上；

　 搭设施工平台及提梁站，现场拼装架桥机。通过运梁台车将第 1 号中间墩 0#预制节段运至现场，架桥机起吊节段就位并临时锚固，架桥机前行过孔，吊装第 2 号墩顶 0#预制节段并临时锚固；

　 运梁车分别运送预制节段至架桥机，调整标高，从 2 号墩开始对称悬臂拼装，节段试拼，调整就位，并将接缝间满涂环氧树脂，张拉体内纵向预应力，纵向预应力张拉完毕后在行车道外侧一端张拉第一跨横向预应力，悬臂拼装至合拢段前（最大悬臂状态）；

　 运梁车分别运送预制节段至架桥机，调整标高，自第 1 号墩开始自左向右逐块调整就位，并将接缝间满涂环氧树脂，张拉临时预应力筋，现浇边跨合拢湿接缝，张拉剩余体内、外束，实现边跨合拢；

　 架桥机过孔，吊装第 3 号墩顶 0#预制节段并临时锚固，按第（3）

　步骤悬臂拼装至合拢段前（最大悬臂状态），现浇中跨合拢湿接缝，张拉剩余体内、外束，实现中跨合拢；

　 重复上述步骤，直至全部主梁架设完成。

　 图 悬臂法施工

　 第 三 章

　节段箱梁 体外预应力体系研究

　体外预应力是后张预应力体系的重要分支，是近年来预应力技术的研究热点之一。体外预应力是指预应力筋布置于混凝土截面之外的预应力，其最早也是应用最成熟最广泛的领域是桥梁结构，近年来也越来越多地应用在建筑结构中。体外预应力技术在世界上许多国家广泛应用，不断创新，但在我国还处于起步阶段，应用范围十分有限。

　随着预制节段体外预应力梁桥的大量建设，其计算理论的研究也进入了新的阶段，国内外各桥梁工作者针对已有的计算理论，研制了相应的力学分析程序，这些成果有许多已被应用于桥梁工程实际中，收到了较好的效果．

　到目前为止，在我国公路和市政桥梁领域节段拼装体外预应力桥梁的应用呈现增长趋势。由于在我国现行桥梁设计规范中对节段拼装体外预应力结构尚无明确具体的规定，设计时只能参照国外相关规范和标准，有必要加快我国相关标准的研究制定，以期推动预制节段拼装体外预应力结构在我国桥梁领域的应用。

　体外预应力混凝土结构

　 体外预应力混凝土结构的概念及应用

　 （1）体外预应力混凝土结构的定义

　体外预应力结构与体内预应力结构最本质的区别，便是体外预应力结构的预应力筋（称为体外预应力索）布置在主体结构之外。当体外预应力索应用于混凝土结构时，称为体外预应力混凝土结构；而当体外预应力索应用于钢结构时，则称为预应力钢结构。图 3-1 为体外预应力混凝土结构的一般构造图。

　45678954654645977纵面图平面图7997987 图3-1 体外预应力混凝土结构一般构造

　（2）体外预应力在混凝土桥梁的应用

　现代体外预应力混凝土桥梁的应用主要有三个方面：首先，以 Long Key桥为代表的采用逐跨预制节段施工的长桥。法国工程师 JeanMuller 于 1979年设计了美国弗罗里达蝌的 Long Key 桥，该桥总长约 3700 米，标准跨径 36米，每跨由 6 个米标淮段和 3 米的墩顶段预制块件拼接而成；体外预应力索采用标准强度为 270ksi (1836MPa)的高强度、低松弛钢绞线：钢索的防护采用 HDPE（高密度聚乙烯）管，墩顶及跨内偏转块中预埋镀锌钢管，两者用氯丁橡胶套管连接；体外索张拉后在 PE 管中灌注水泥浆。

　该桥在设计施工中采用了大量的创新技术，在预应力设计上，该桥采用

　全体外预应力设计，即所有预应力索均布置在箱粱体外，锚固在墩顶横梁上，钢筋由位于箱梁下梗腋上的偏转块偏转以满足转向要求，如图 3-1 所示。

　在施工方面，该桥大量采用预制节块组装，包括所有上部结构主梁和下部结构桥墩。为加快施工速度及最大程度上发挥体外预应力混凝土结构的优势，该桥首次在主梁预制节段之前采用复式剪力和干接缝。由于省去了穿索及节块间涂抹环氧树脂工艺，每跨拼装完成后即进行预应力索的张拉，这样大大加快了施工速度，这种类型的体外预应力混凝土结构是应用最早也最为广泛的体外预应力结构形式，其突出的优势在于设计和施工的标准化和施工速度的快捷。

　由于它的体外预应力索可以采用与体内预应力同样的普通多股钢绞线和锚具，与体内预应力索一样采用水泥灌浆，故其预应力索的成本很低．这种类型的桥梁结构由于受连接缝的影响，跨径一般为 30-50 米。它通常在通航要求不高的多跨长桥、长大桥梁的引桥以及人口密集和交通组织困难的城市高架公路和轻轨干线中采用。

　二是用粗大的体外钢索替代了原先配置在腹板内的大量体内预应力索；简化了腹板的构造及其厚度，其主要应用在悬臂施工和项推施工的桥梁中。全桥的预应力体系通常采用体内有粘结和体外无粘结混合配置的方式。由于腹板内不放置预应力筋，所以可以把传统的混凝土箱梁腹板改成混凝土桁架形式或直接在肋板式结构中采用钢腹板，采用波纹钢腹板形式的法国 Maupre桥，它是体外预应力结构的代表作。

　当体外预应力索在桥墩项部的偏心距大于混凝土梁高而布置在梁顶时，称为坦拉式体外预应力混凝土结构，也称为“部分斜拉桥”。

　三是应用于原有预应力混凝土体内配筋结构及钢筋混凝土结构的维修和加固。对桥梁上部结构施加体外预应力，以预加力产生的反弯矩抵消部分外荷载产生的内力，可达到改善其使用性能和提高其承载能力的作用。体外预应力用于桥梁的维修和加固，具有施工简便、工期短、投入少、效果明显等特点，且可以在不中断交通的情况下实施，对结构的损伤小。

　体外预应力工艺的优点与缺点

　体外颅应力工艺的优点为：

　（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。体外预应力筋套管的布置，调整容易,并简化了所有的后张法的操作,从而大大缩短了施工时间；

　（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，因而腹板厚度可减小，从而减小了恒载，减少工程数量，降低造价；

　（3）钢索管道灌浆的事故减少或不发生问题。既使发生问题，亦容易解决；

　（4）体外预应力筋布置在混凝土截面的外侧，可经常用 X 射线和其它技术监测，在使用期间容易检查和更换；

　（5）体外预应力筋仅在锚固区和转向块处与结构相连,摩阻损失明显减小,提高了预应力的效益；

　（6）由于体外预应力筋设在聚乙烯管当中，故能最好地防锈并易于检查质量。

　体外预应力工艺的缺点为：

　（1）体外预应力筋无混凝土保护易遭火灾，并因为承受着振动要限制其自由长度；

　（2）转向块和锚固区因承受着巨大的纵、横向力而特别笨重；

　（3）对于体外预应力筋，锚固失效则意味着预应力的丧失，所以锚具应严防被腐蚀；

　（4）极限状态下体外预应力筋的抗弯能力小于体内有粘结筋，在开裂荷载和极限荷载的作用下，应力不能仅按最不利截面来估算；

　（5）体外预应力结构在极限状态下可能因延性不足而产生没有预兆的失效。

　随着结构形式、预应力材料和设备的不断发展，体外预应力技术将体现更大的优越性，但考虑到结构的安全，到目前为止，完全采用体外预应力技术结合节段施工的只有福建洪塘大桥引桥、芜湖二桥以及国外 80 年代早期几座桥，其余均为体内体外混合配束形式，国内相关统计见表。

　表

　国内节段梁 体外预应力数量统计 表

　项目名称

　引桥箱梁纵向预应力用量(T)

　体外预应力 占比%

　体内

　体外

　崇启长江大桥

　1568

　2622

　厦漳跨海大桥

　2790

　766

　嘉绍大桥

　6729

　2259

　泉州湾跨海大 7954

　4709

　桥

　乐清湾 1#桥

　4079

　1643

　乐清湾 2#桥

　2180

　1005

　虎门二桥

　6158

　4968

　体外预应力系统构造 体外预应力系统由体外预应力筋、体外预应力筋锚固系统、体外预应力筋转向转置，以及体外预应力筋防腐系统及定位与减振组成，如图 3-2 所示：

　中横梁锚固系统体外索转向装置块状锚固系统体外索转向装置端横梁锚固系统 图3-2 体外预应力体系构造图

　体外预应力索构造

　体外预应力筋及其防护系统称为体外预应力索，体外预应力常采用钢绞线束，其中钢绞线可选用普通钢绞线、镀锌钢绞线、环氧涂层钢绞线和外包PE 的单根无粘结钢绞线。外护套主要起防腐作用，通常采用两种材料，即高密度聚乙烯(简称 HDPE)管或钢管，但在锚固段和转向弯曲段一般均采用钢管。钢管外护套较贵且本身有防腐的问题，故采用较少；HDPE 管已被大量应用，但其与钢管的连接处必须保证密封性能良好。为便于预应力筋内穿、检查、检测及更换，外护套应做成可伸缩式的构造，并在各伸缩段的连接部位具有良好强度与密封性。图 3-3、3-4 所示分别为为两种典型的体外索形式。

　外护套与钢绞线束之间通常采用灌浆措施，灌浆材料分为刚性材料和非刚性材料。刚性材料通常为水泥浆，非刚性材料主要是油脂和石蜡。

　水泥灌浆适用于体外预应力筋离散粘结（如体外预应力筋在转向和锚固段与梁体粘结），或完全无粘结的情况。油脂和石蜡通常用在可换的体外预应力系统中，以使体外预应力筋与粱体无粘结。

　水泥浆HDPE管水泥浆（油脂或石蜡）普通钢绞线HDPE管 无粘结钢绞线 图 3-3 单根无粘结外包 PE

　 图 3-4 普通钢绞线外包 PE

　防护的体外索

　防护的体外索

　不管护套和灌浆材料如何选择，由单根无粘结钢绞线组成的体外预应力筋均能进行多次张拉。

　如锚固和转向位置处采用双层管道，不管钢束是何种类型，都能达到拆卸或调换的要求。

　如钢束在锚固及转向位置采用单层管道时，只能采用全无粘结构造和非刚性的灌浆材料，才能保证钢束在必要时能够拆卸和更换。

　体外预应力筋的锚 固 系统

　体外预应力结构中的锚具是整个结构中的最关键部位，如图 3-3 所示。与有粘结体内束全长范围均能提供粘结力相比，体外索仅在有限的转向点及锚固处与结构连接，预加力完全靠锚具传递给结构，锚具一旦失效，将对结构造成灾难性的后果。因此，在体外预应力结构中，必须具有规定的静力与动力强度（锚固强度），锚具下混凝土的支承应力不得超过规范的限值。

　壁厚8mmHDPE管HDPE压环喇叭管锚圈防护罩铸铁锚垫板通气孔 图3-3 锚具构造图

　体外预应力索的锚具根据体外索的使用特点分为永久式和可调式两大类。

　永久式锚具适用于体外索与混凝土有局部粘结的结构。锚具的锚垫板及预埋钢管直接与混凝土相粘结，钢索一旦被锚固，则不可更换，其索力不可调整。一般采用水泥浆作为灌注材料，在转向处采用单管式转向钢管，并灌注水泥砂浆形成粘结。锚具在锚固以后用环氧砂浆或混凝土做封锚处理，防止水份渗入。

　可调式锚具包括不可重复张拉(可换不可调)和可重复张拉(可换可调)两种类型。该类锚具均采用大直径的预埋钢管将钢绞线和混凝土体分开，通过工作锚板和螺母将锚固力传到锚垫板上。锚头外部设置可以开启的密封罩，平时填充防腐油脂或腊，使锚头与空气及水份隔绝。

　可换不可调型锚具在钢索张拉后无法放松，但可以全部拆除。锚具内一般使用防腐材料如油脂或腊等填充。

　可换可调型锚具在钢索张拉锚固后，在锚具外需要预留一定长度的钢索，以备再次张拉。使用该类型锚具的体外索均使用柔性灌注材料如油脂或腊等。重复张拉前，打开锚头外部的密封罩，清除灌注材料，装上张拉千斤顶，即

　可进行张拉，该种类型的锚具一般用作施工临时索。

　两种形式的锚具均可以选择使用组合索或成品索。其中灌浆的组合索一般和永久式的锚具配合，此类索与锚具组合方式的优点是比较经济。无灌浆的组合索可以和可调式配合使用，多根钢绞线可分别单根张拉；需要更换预应力索时，可通过单根钢绞线放松的方法来进行逐根更换或整体更换。混凝土内的预埋管段需以水泥浆灌注密封，永久式锚具与成品索配合使用时，锚固区用于不需换索、合使用的可调式锚具锚固区由带螺母的螺纹锚头、锚垫板、调索的情况;与成品索配密封灌浆筒、防护罩和减振块组成，张拉后密封灌浆筒需灌注水泥浆进行防护，索的张拉力调节或索体更换是通过螺纹锚头上的螺母旋转实现的。

　表是各种体系的组成和特点对比。

　表

　各种体系的组成和特点对比

　体 外 预 应力 体

　系

　预应力索

　锚 固 形式

　特

　点

　1

　灌浆组合索

　永久式

　比较经济

　2

　成品索

　永久式

　比较经济，防腐蚀性能好

　3

　无灌浆组合索

　可调式

　可以进行索的张拉力调节或索体更换；只能用于直线形式布置方式

　4

　成品索

　可调式

　可以进行索的张拉力调节或索体更换；防腐蚀性能好；施

　工时需整体张拉

　体外预应力筋的转向装置

　转向及定位构造设计原则：使用荷载条件下受力性能良好，极限状态下有足够的延性和安全度；所承受的水平和垂直分力，为体外预应力筋的最大拉力在水平和垂直平面内的分力；所配普通钢筋的应力，必须限制在能够控制裂缝宽度的容许应力范围内。

　单跨布置的体外预应力筋通常有两个转向构造，连续布置的体外预应力筋可能设三个以上的转向构造。简支结构的转向构造一般设在 1/3~1/4 跨之间，体外预应力筋可根据需要集中转向或分根（批）在不同位置分别转向。如下图 3-4 所示。

　分散布置 集中布置横梁锚固端 横梁锚固端 图 3-4 体外预应力筋布置图

　连续结构跨内转向构造的位置一般在梁弯矩零点附近，可以采用集中转向或分根（批）在不同位置分别转向。从正弯矩区段过渡到负弯矩区段连续布置的体外预应力筋，除在跨内设置转向构造外，近支座附近也要设置转向构造。转向构造应量布置在靠近底板与腹板相接处附近，或顶板与腹板相接位置附近，为了减小二次效应，应对体外预应力筋设置定位构造，以限制其发生相对梁体的横向位移，定位构造设在梁体挠曲线最大的位置和可能发生较大二次效应的区段。定位构造之间或定位与转向构造之间的距离一般不大于 8m。

　体外预应力筋通过预埋的转向管道进行弯转，转向管道应与梁体内的钢筋固定在一起，转向管道应考虑采用不必更换的材料进行制作；为了减少转向管道与预应力筋的摩阻，应采用耐磨且摩阻系数小的材料。

　体外预应力系统的防腐与防护

　体外预应力系统的防腐与防护，由钢绞线束的自身防腐、护套与灌浆料的保护，以及锚具的防腐与防护措施所组成。钢绞线、外护套及灌浆料的选择，主要考虑环境条件和体外预应力索的暴露程度，如：通常处于干燥状态、通常处于潮湿的环境中、长期处于湿润或干湿交变的环境中，以及处于严重侵蚀性的恶劣环境中第四种。成品的单根无粘结钢绞线是钢绞线束自身防腐最有效的手段，其中环氧涂层无粘结钢绞线具有更好的防腐性能。普通钢绞线的体外预应力索，外护套与内灌料都是至关重要，采用 HDPE 护套和灌水泥浆是最经济的；在 HDPE 管内灌油脂或石蜡是可靠的防腐措施，也便于钢绞线更换。不管护套采用何种灌注料，锚具的喇叭管、延伸管内均需灌料，这是钢铰线防腐的关键部分，如体外预应力筋采用无粘结构造，则用油脂或其它非硬固性材料填充喇叭管及延伸管，以便拆卸更换，在锚具的锚板外侧也应设置防护罩，并灌注防腐料。

　体外预应力筋的定位与减振

　(1) 体外预应力筋的定位装置

　为了减少体外预应力的二次效应，应对体外预应力筋设置专门构造，以限制其发生相对梁体的横向位移。定位装置由定位结构构造和定位器组成，两者的具体形式可参照转向装置。在考虑构造标准化等要求的情况下，定位结构构造之间或定位与转向结构构造之间的距离，一般可取不大于 8m 的间距，

　并在梁体挠曲最大的位置设置。

　(2) 体外预应力筋的减振装置

　体外预应力筋的振动，会在转向和锚固构造处产生附加弯曲应力，并影响到锚具夹片，从而降低钢绞线的疲劳强度。为了克服振动不利影响，应设置减振装置。在一般情况下，减振装置间距以不大于 7m 为宜，或者也可以通过动力计算确定；在设置减振装置处，体外预应力筋与护套间应用隔振材料填实。体外预应力筋的定位构造通过设置减振材料也是一种减振装置，因此上述减振装置通常仅用在体外预应力筋弯起后的区段。

　体外预应力混凝土结构的受力性能 在体外预应力结构中，预应力筋锚固在梁端或中间横隔梁上，通过转向块调整预应力筋的方向，以适应梁的受力要求。除了在锚固和转向区内，预应力筋与梁并无接触。

　体外预应力简支梁体系实际是一个带柔性拉杆的内部一次超静定混合体系。对梁体施加预应力，预应力的控制值是在结构的自重作用下施加的。因此在结构自重及预加力共同作用下，该体系已处于平衡状态。随着外加荷载作用的变化，体外预应力简支梁体系所处的平衡状态被破坏，体外预应力筋的应力发生改变，梁体截面应力也发生改变，从而出现新的平衡状态。当外加荷载作用卸除后，体系又将回到原来的平衡状态。

　理论分析及试验证明这种体外预应力梁正截面工作特点与普通钢筋混凝土梁正截面工作特点相同，破坏时的极限状态有以下两类情况。

　（1）当梁内受拉钢筋的应力达到gR 后，预应力筋应力达到，或未达到y时(y yR   )，在外荷载略有增长的情况下，梁内受拉钢筋的变形不断增长，垂

　直裂缝迅速开展，正截面混凝土受压高度不断减小;受压区混凝土的应变最后达到极限应变cu ，使截面失去承载能力。其破坏特点与适筋梁破坏的特点一致。

　（2）梁内受拉钢筋的应力未达到gR ，预应力筋的应力y yR   ，受压区混凝土应力达到uR 后压碎，其破坏特点与超筋梁正截面的工作特点一致。所以体外预应力混凝土桥梁要受超筋条件的限制，如果梁体已是超筋构件，施加体外预应力不能提高其抗弯强度，反而降低其延性:如果梁体在施加预应力后成为超筋构件，这时再增大体外预应力筋的预应力亦不能提高其抗弯强度。

　一般设计的体外预应力混凝土都是适筋梁，分析其极限状态应该在适筋梁破坏范围。从抗弯性能分析和设计的角度讲，体外预应力结构的受力特性与无粘结预应力结构类似。在正常使用极限状态下，可采用弹性分析方法设计。但在极限承载力状态下，由于预应力筋与混凝土之间可以发生滑动使得体外预应力钢束的应变与混凝土主梁的应变在相同截面上不协调，体外预应力钢筋的应力发展将不同于体内束，通常不会达到屈服，从而导致其抗弯能力的削弱。

　体外预应力混凝土结构中的预应力索基本上是折线型的，直线与直线之间由偏转装置转向，钢索管道在偏转处一般采用圆弧线。就预应力混凝土梁而言，体内无粘结预应力筋与体外预应力索可以布置成完全一样的形式。

　按施工方法分，体外预应力混凝土结构可以分为整体施工与节段施工两大类。整体施工的体外预应力混凝土结构与无粘结预应力结构是基本相同的，它们从施加预应力、受荷至消压、开裂直至最后破坏的机理也是相似的，两者的差别主要在构造上；节段施工的体外预应力混凝土结构的力学性能较为

　特殊，与整体施工的无粘结预应力混凝土结构的差别较大。

　整体施工的体外预应力混凝土结构的力学性能

　整体施工的体外预应力混凝土结构的力学性能与无粘结预应力混凝土结构是基本相同的，但应注意以下的区别：

　（1）体外预应力索通常布置在箱梁底板之上及顶板之下，故预应力索的偏心距比体内无粘结预应力筋的偏心距要小。

　（2）在结构受力变形后，由于体外预应力索与周围混凝土体是脱离的，结构仅在锚固点与转向区域对体外预应力索有约束，只有在这些点处钢索在构件截面上的位置是不变的，在其它区段钢索在截面上的相对位置将随构件的变形而变化。如图 3-5 所示。由于这个原因，体外预应力索对截面的偏心距会随着构件弯曲下挠而减小，从而减小了预应力的作用，这种现象称为二次效应。要减小体外预应力索的二次效应，就必须调整偏转装置的位置，使偏转点的间距密一些。

　而体内无粘结预应力筋布置在构件内部留的孔道内，在每个截面上虽然预应力筋的应变与周围混凝土应变不协调，但预应力筋沿构件长度在截面上的相对位置是固定不变的，与构件变形无关。

　ee 21 eeF Fa) b) 钢索与梁体相对变形（e 1 <e 2 ）

　图 3-5

　 a)无转向装置

　 b)两个转向装置

　（3）体外预应力混凝土结构与体内无粘结预应力混凝土结构在预应力筋极限应力及结构极限承载力方面的计算方法是相同的，都可以用传统的截面

　强度计算方法计算极限承载力。但考虑到体外预应力结构二效应的特殊性，在计算体外预应力索极限应力时应有所不同，可以参照欧洲标准，偏安全地取钢索的有效预应力为极限应力。也就是说，预应力索在结构消压后没有应力增量。

　节段施工体外预应力混凝土结构的力学性能

　与整体施工方法的体内无粘结预应力混凝土结构相比，采用预制节段施工法的体外预应力混凝土结构，在构件的节段间存在连接缝，所配置的非预应力筋在接缝处被断开，使构件的抗弯刚度削弱，使其在相同荷载作用下的挠曲更大，也使其力学性能受到很大的影响。所以，节段施工体外预应力混凝土结构在极限状态下的力学性能，既不同于传统的体内预应力混凝土结构，也不同于整体施工的无粘结预应力混凝土结构。

　（1）正常使用极限状态

　在节段拼装施工的体外预应力混凝土桥梁结构中，若完全采用纯无粘结的体外预应力索，即节块间没有粘结钢筋通过，则预制节块间的裂缝便难以控制。采用这种施工方法的桥梁结构，当主梁开裂时，裂缝往往集中于节块间的连接缝处，若节块间采用干接缝连接则这种现象更为明显。所以，这种结构往往以增加预应力数量的方法来阻止混凝土裂缝的发生。美国关于节段式混凝土桥梁方面的有关规范可供参考。

　在美国州际公路和运输工作协会（AASHTO）1989 年出版的《节段式混凝土桥梁设计和施工指导性规范》中，把节段连接缝分为两类：一类为预制节段间的湿接缝或胶接缝和现浇混凝土接缝、另一类为预制节块间的干接缝，前者称为 A 类接缝；后者称为 B 类接缝。在预加应力阶段和使用荷载阶段，

　规范对这两类连接缝处混凝土的最小应力作了如下规定。

　① A 类接缝

　a.应力筋体内配置且有最小粘结辅助钢筋穿过接缝时，在预加应力阶段的最大拉应力为"3cif ,"cif 为混凝土在各施工阶段的标准圆柱抗压强度，单位为1b/in2 （约 70kPa）；在使用荷载阶段最大拉应力为"cf ，即混凝土达到龄期时的强度。

　b.预应力筋体内配置且无最小粘结辅助钢筋穿过接缝时，不允许有拉应力（零应力）。

　② B 类接缝

　当为体外预应力结构时，在最不利荷载下，最小压应力为 200lb/in2 （约为）。

　美国规范规定节段式（或有接缝）混凝土桥梁结构是不允许采用部分预应力混凝土的，必须采用全预应力，以保证在正常使用极限状态下，最不利受力位置的混凝土截面将仍然有一定数量的压应力储备，使节段间的接缝不致开裂。

　因此，在此状态下，结构基本处于弹性受力阶段，结构的变形也很小。如结构的几何尺寸及材料相同，各种配筋方式下结构的力学性能也基本上是相同的。

　（2）承载能力极限状态

　由于体外预应力索应变与混凝土构件的应变在同一截面处不协调，体外预应力索的应力发展也将不同于体内预应力筋，通常在极限状态下不会达到屈服，从而导致其抗弯能力削弱。整体施工的无粘结预应力混凝土结构可以

　借用体内有粘结预应力混凝土结构的极限承载能力计算方法，而节段施工的体外预应力混凝土结构结构，受其节段间的连接缝、钢索的粘结情况、钢索偏转块的布置等多种因素的影响。由于这些因素的综合影响，将使问题变得非常复杂，存在着非线性问题，不能通过简单的计算方法得到其极限承载能力。因此，必须借助计算机，通过建立各种非线性因素的数学模型，把非线性问题化为短区间的线性问题，再编制有限元仿真计算程序，通过反复迭代和数值计算，模拟出实际结构的受力全过程并得到整体结构的力学性能，从而得到考虑各种因素综合作用的结构极限承载能力和结构在极限状态下的安全度。

　欧洲混凝土委员会 1990 年的混凝土模式规范（CEB—90）已将混凝土非线性分析模式纳入有关条文，我国《水工钢筋混凝土结构规范》也在附录中列入了有关非线性有限元的条文。

　影响体外预应力结构力学性能的主要因素

　体外预应力混凝土结构有许多种实现方式。从施工方法来看，有整体和节段施工；从配筋方式来看，有全体外和体内、体外混合配筋；从与结构的粘结情况来看，分有粘结和无粘结两种。体外预应力混凝土结构的不同实现方式均会影响体外预应力结构的极限承载能力。

　（1）整体施工与节段施工

　同无粘结体内预应力混凝土结构一样，对于配筋率较低的受弯构件，在承受弯曲荷载时仅出现一条或少数几条裂缝，且发生在最大弯矩附近。随着荷载的增加，这条裂缝的宽度和高度都会迅速扩展，荷载增加不多构件就会发生脆性破坏，混凝土的塑性变形几乎全部集中在裂缝断面。

　所以，不管是

　体内无粘结预应力混凝土结构，还是体外预应力混凝土结构，除满足预应力筋最低配筋率的要求外，还需根据构件的构造、强度等要求配置一定数量的非预应力筋或体内有粘结预应力筋，即采用混合配筋方式，以改善裂缝的分布及改善结 构的力学性能，达到提高体外预应力混凝土结构和体内无粘结预应力混凝土结构极限强度的目的。

　 整体施工区别于预制节段施工的最大特点，一是没有接缝，二是具有节段施工所没有的穿越结构整体的非预应力筋。图 3-6 为非预应力筋的不同配筋率对结构力学性能的影响，采用美国学者 Rabbat 和 Sowlat 的试验结构，在计算中假设原结构在受拉区的非预应力筋配筋率为0 。从图中可看出非预应力筋的有无及不同配筋率对结构力学性能的影响较大。

　051015202530354045500 1 2 3 4荷载(ips)跨中位移(in.)整体施工节段施工0 ρ ρ 3=0 ρ ρ 2=0 ρ ρ =varied ρ = 图 3-6

　不同配筋率对结构力学性能的影响

　（1kips=;1in=）

　（2）钢索的体内、体外混合配筋

　体外预应力混凝土结构的体内是否配置部分有粘结预应力筋，对结构的

　力学性能也有一定的影响。图 3-7 为钢索的体内、体外混合配筋对节段施工结构力学性能的影响，采用美国奥斯汀德克萨斯大学的两位学者 Mac Gregor和 Hindi 的试验结构。图中等效荷载由 AASHTOHS—20 按试验结构缩尺模拟求得，纵标表示对于此荷载的倍数。

　（3）钢索粘结性能

　由于体外预应力索与周围主体结构在同一截面上的变形是不协调的，无论采用粗钢筋、高强钢丝或钢绞线，转向位置处体外预应力索与混凝土结构粘结情况不同，其力学性能也会不同，图 3-8 表示 Mac Gregor 等实验结构的体外预应力索粘结情况对其力学性能的影响。从图中可以看出通过在转向位置处对体外预应力索进行约束，可以有效地减少预应力索的自由长度，提高结构的极限承载能力。

　-11.3x恒载123456780 0.4 0.8 1.2 1.6等效荷载测量点位移(in.)无体内钢束有体内钢束0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 2.05-4-5

　图 3-7

　混合配筋对节段施工结构

　 图 3-8 钢索粘结情况对其力学性能的影响

　力学性能的影响

　由于连接缝和非预应力筋的影响，整体施工的体外预应力混凝土结构与节段施工的体外预应力混凝土结...