西部交通建设科技项目

西 部 交 通 建 设 科 技 项 目 交 通 编 号 : 合 同 号 : 2006 318 223 27 单 位 编 号 : 分 类 号 : 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 主 梁 下 挠 原 因 分 析 及 对 策 研 究 总 报 告 ( 简 本 ) 交 通 运 输 部 公 路 科 学 研 究 所 长 沙 理 工 大 学 长 安 大 学 广 西 壮 族 自 治 区 交 通 规 划 勘 察 设 计 研 究 院 南 京 水 利 科 学 研 究 院 广 西 壮 族 自 治 区 公 路 管 理 局 2010 年 6 月

目 录 1 研 究 背 景 与 意 义... 1 2 研 究 目 标... 2 3 主 要 研 究 内 容 及 实 施 方 案... 2 3.1 主 要 研 究 内 容... 2 3.1.1 专 题 1 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 主 梁 下 挠 现 状 及 成 因 调 查... 2 3.1.2 专 题 2 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 高 强 混 凝 土 材 料 特 性 研 究... 2 3.1.3 专 题 3 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 反 复 移 动 荷 载 的 作 用 效 应 研 究... 3 3.1.4 专 题 4 箱 形 截 面 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 结 构 计 算 与 设 计 方 法 的 研 究... 3 3.1.5 专 题 5 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 施 工 方 法 与 施 工 工 艺 研 究... 3 3.1.6 专 题 6 克 服 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 下 挠 的 设 计 施 工 对 策 及 控 制 措 施 研 究... 3 3.1.7 专 题 7 已 发 生 下 挠 的 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 的 处 治 方 法 研 究... 3 3.2 具 体 的 实 施 方 案... 4 3.2.1 专 题 1 的 研 究 实 施 方 案... 4 3.2.2 专 题 2 的 研 究 实 施 方 案... 4 3.2.3 专 题 3 的 研 究 实 施 方 案... 5 3.2.4 专 题 4 的 研 究 实 施 方 案... 6 3.2.5 专 题 5 的 研 究 实 施 方 案... 7 3.2.6 专 题 6 的 研 究 实 施 方 案... 8 3.2.7 专 题 7 的 研 究 实 施 方 案... 8 4 主 要 成 果 与 评 价... 9 5 项 目 的 经 济 社 会 效 益 及 推 广 应 用 前 景... 15 1

1 研 究 背 景 与 意 义 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 主 要 包 括 两 种 类 型 : 连 续 梁 桥 和 连 续 刚 构 桥 由 于 结 构 施 工 养 护 方 面 的 优 势, 在 世 界 范 围 内 被 广 泛 得 到 使 用 从 70 年 代 开 始, 我 国 公 路 上 开 始 修 建 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥, 进 入 80 年 代 后, 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 得 到 了 迅 猛 发 展, 目 前 主 跨 径 达 100m 的 桥 梁 数 以 百 计, 超 过 200m 以 上 的 也 已 超 过 了 40 座, 现 已 成 为 我 国 大 跨 径 桥 梁 的 主 要 桥 型 之 一, 在 大 跨 径 桥 梁 建 设 中 占 据 重 要 地 位 根 据 调 查 表 结 果, 国 内 外 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 均 普 遍 存 在 主 梁 下 挠 的 问 题 CEB 第 2.4 工 作 小 组 Serviceability Models 曾 经 做 过 对 混 凝 土 悬 臂 桥 的 变 形 的 调 查, 收 集 了 建 于 1955~1993 年 之 间 的 27 座 桥 的 下 挠 观 测 数 据,26 座 桥 位 于 欧 洲,1 座 位 于 美 国, 主 跨 跨 径 为 53m~195m, 其 中 一 些 桥 梁 即 使 在 8~10 年 后 仍 然 显 示 出 很 明 显 的 下 挠 趋 势, 另 有 2 座 桥 的 挠 度 在 成 桥 后 的 16~20 年 仍 一 直 增 加 我 国 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 的 情 况 与 国 外 类 似, 据 不 完 全 统 计, 跨 径 在 100~160m 的 预 应 力 混 凝 土 梁 桥, 跨 中 年 平 均 下 挠 0.5~1.0cm; 跨 径 在 160~220m 的, 跨 中 年 平 均 下 挠 1~2cm; 跨 径 在 220~270m 的, 跨 中 年 平 均 下 挠 2~3cm, 并 且 长 时 间 难 以 稳 定 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 主 梁 下 挠 的 要 特 点 表 现 为 :(1) 挠 度 长 期 增 长, 增 长 率 随 时 间 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 值 ;(3) 跨 中 下 挠 进 一 步 加 剧 箱 梁 底 板 开 裂, 而 箱 梁 梁 体 裂 缝 增 多, 使 结 构 刚 度 降 低, 进 一 步 的 加 剧 了 跨 中 下 挠, 这 两 者 相 互 影 响, 互 相 耦 合, 形 成 恶 性 循 环 这 种 主 梁 下 挠, 不 仅 导 致 养 护 费 用 的 大 幅 增 加, 破 坏 桥 梁 的 美 观, 更 重 要 的 是 造 成 桥 梁 结 构 安 全 度 的 降 低 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 普 遍 存 在 主 梁 下 挠 过 大 的 问 题, 不 仅 严 重 影 响 桥 梁 的 美 观 和 行 车 舒 适 性, 更 为 重 要 的 是 它 可 能 改 变 桥 梁 的 受 力 体 系 和 内 力 分 配, 通 常 伴 随 梁 体 的 开 裂, 这 些 均 为 桥 梁 的 安 全 性 和 耐 久 性 带 来 了 危 害 因 此, 主 梁 跨 中 下 挠 问 题 已 成 为 制 约 此 类 桥 梁 发 展 的 严 重 障 碍, 研 究 下 挠 的 成 因 及 控 制 下 挠 措 施 成 为 了 目 前 桥 梁 界 急 需 解 决 的 课 题 之 一 本 项 目 通 过 理 论 分 析 试 验 和 实 验 研 究 并 结 合 工 程 实 际, 针 对 影 响 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 挠 度 的 因 素 展 开 了 系 统 地 研 究, 明 确 下 挠 的 机 理 ; 进 而 针 对 目 前 实 际 工 程 中 预 应 力 箱 梁 桥 设 计 计 算 方 法 上 尚 不 统 一, 构 造 布 置 因 人 而 异 的 现 状, 研 究 了 预 应 力 箱 梁 桥 计 算 方 法 合 理 布 束 形 式 及 结 构 合 理 构 造, 并 编 制 了 箱 形 截 面 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 设 计 技 1

术 指 南 和 相 应 的 计 算 程 序 ; 最 后, 从 设 计 施 工 等 环 节 提 出 了 相 应 的 减 小 主 梁 下 挠 的 对 策, 并 形 成 了 解 决 方 案 除 此 之 外, 本 项 目 还 提 出 了 克 服 主 梁 下 挠 的 设 计 施 工 对 策, 已 发 生 下 挠 的 梁 桥 结 构 处 治 方 法 的 成 套 技 术, 为 实 现 下 挠 控 制 提 供 了 有 力 的 技 术 支 撑 这 些 研 究 的 成 果 不 仅 能 为 此 类 梁 桥 下 挠 控 制 的 设 计 计 算 合 理 施 工 方 法 和 工 艺 的 制 定 提 供 理 论 支 撑 及 技 术 支 持, 同 时 也 可 为 已 发 生 下 挠 的 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 桥 梁 结 构 的 加 固 提 供 了 处 治 手 段 这 对 于 促 进 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 结 构 的 应 用 范 围 的 进 一 步 扩 大, 使 其 经 济 性 结 构 性 能 等 方 面 优 势 的 发 挥 有 着 重 要 的 实 际 意 义 2 研 究 目 标 本 项 目 拟 通 过 调 查 试 验 理 论 分 析 和 实 桥 验 证, 研 究 分 析 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 主 梁 下 挠 原 因, 完 善 下 挠 计 算 理 论 和 方 法, 提 出 控 制 大 跨 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 主 梁 下 挠 的 设 计 和 施 工 对 策 措 施, 探 求 已 发 生 下 挠 的 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 的 处 治 方 法, 形 成 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 主 梁 下 挠 成 因 分 析 试 验 研 究 与 加 固 改 造 应 用 技 术, 制 订 出 解 决 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 下 挠 的 设 计 施 工 技 术 指 南 3 主 要 研 究 内 容 及 实 施 方 案 3.1 主 要 研 究 内 容 本 项 目 共 分 7 个 专 题, 各 专 题 包 括 若 干 分 项, 具 体 如 下 : 3.1.1 专 题 1 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 主 梁 下 挠 现 状 及 成 因 调 查 (1) 一 般 调 查 (2) 重 点 调 查 3.1.2 专 题 2 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 高 强 混 凝 土 材 料 特 性 研 究 (1) 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 高 强 混 凝 土 的 收 缩 徐 变 特 性 试 验 研 究 (2) 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 高 强 混 凝 土 的 收 缩 徐 变 特 性 理 论 分 析 (3) 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 典 型 早 强 混 凝 土 的 强 度 与 弹 模 增 长 相 关 性 试 验 研 究 2

3.1.3 专 题 3 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 反 复 移 动 荷 载 的 作 用 效 应 研 究 (1) 反 复 荷 载 作 用 下 高 强 混 凝 土 弹 性 模 量 变 化 规 律 试 验 研 究 (2) 反 复 移 动 荷 载 对 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 主 梁 的 长 期 挠 度 影 响 研 究 (3) 反 复 移 动 荷 载 对 预 应 力 长 期 损 失 的 影 响 研 究 3.1.4 专 题 4 箱 形 截 面 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 结 构 计 算 与 设 计 方 法 的 研 究 (1) 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 桥 结 构 计 算 方 法 研 究 (2) 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 钢 束 合 理 布 置 形 式 研 究 (3) 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 合 理 构 造 与 布 置 形 式 研 究 (4) 箱 形 截 面 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 结 构 计 算 分 析 专 用 软 件 的 开 发 3.1.5 专 题 5 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 施 工 方 法 与 施 工 工 艺 研 究 (1) 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 悬 臂 施 工 合 龙 方 式 顺 序 时 间 锁 定 形 式 及 配 重 对 主 梁 挠 度 的 影 响 分 析 (2) 悬 臂 浇 注 施 工 梁 段 接 缝 混 凝 土 强 度 试 验 研 究 (3) 减 小 长 束 预 应 力 损 失 的 施 工 工 艺 研 究 3.1.6 专 题 6 克 服 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 下 挠 的 设 计 施 工 对 策 及 控 制 措 施 研 究 (1) 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 合 理 成 桥 应 力 状 态 的 研 究 (2) 减 小 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 初 始 弹 性 挠 度 的 施 工 措 施 研 究 (3) 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 桥 轻 质 混 凝 土 钢 箱 梁 主 梁 梁 段 合 理 布 置 研 究 (4) 防 下 挠 钢 束 设 置 合 理 性 的 研 究 3.1.7 专 题 7 已 发 生 下 挠 的 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 的 处 治 方 法 研 究 (1) 用 体 外 预 应 力 加 固 大 跨 径 预 应 力 梁 桥 技 术 研 究 (2) 预 应 力 管 道 补 压 浆 技 术 研 究 (3) 轻 质 混 凝 土 在 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 下 挠 处 治 中 的 应 用 (4) 劲 性 骨 架 加 固 技 术 研 究 3

3.2 具 体 的 实 施 方 案 3.2.1 专 题 1 的 研 究 实 施 方 案 1 一 般 调 查 大 范 围 进 行 一 般 调 查, 收 集 桥 梁 的 基 础 资 料 ( 设 计 施 工 监 理 监 控 检 测 及 运 营 ), 了 解 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 的 下 挠 总 体 情 况, 确 定 典 型 桥 梁 ( 含 未 出 现 或 下 挠 量 很 小 的 桥 梁 ) 2 重 点 调 查 对 典 型 桥 梁 进 行 重 点 调 查, 调 查 内 容 包 括 主 梁 下 挠 及 变 化 规 律, 主 梁 混 凝 土 材 料 和 强 度 开 裂 状 况 及 活 动 性, 预 应 力 状 况 交 通 状 况 ( 重 点 调 查 车 流 量 和 超 载 现 象 ), 混 凝 土 超 方 情 况 预 应 力 管 道 灌 浆 情 况 等 根 据 调 查 资 料, 运 用 本 项 研 究 成 果 和 其 它 西 部 交 通 项 目 成 果, 分 析 我 国 公 路 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 下 挠 成 因 3.2.2 专 题 2 的 研 究 实 施 方 案 1 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 高 强 混 凝 土 的 收 缩 徐 变 特 性 试 验 研 究 ⑴ 对 国 内 外 混 凝 土 收 缩 徐 变 研 究 资 料 进 行 收 集 和 调 研, 结 合 专 题 1 的 调 查 结 果, 制 定 试 验 方 案 ; ⑵ 分 析 国 内 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 使 用 的 混 凝 土 组 分, 选 择 典 型 强 度 配 合 比 外 掺 剂 的 若 干 种 混 凝 土 作 为 研 究 对 象 ; ⑶ 制 作 不 同 试 件 ( 包 括 不 同 尺 寸 试 件 ), 按 不 同 加 载 龄 期 进 行 室 内 混 凝 土 收 缩 徐 变 试 验 ; ⑷ 对 试 验 数 据 进 行 分 析, 分 析 外 掺 剂 尺 寸 效 应 等 因 素 的 影 响, 并 与 已 有 的 收 缩 徐 变 模 型 进 行 比 较, 给 出 高 强 混 凝 土 收 缩 徐 变 建 议 计 算 模 型 和 减 小 收 缩 徐 变 混 凝 土 建 议 组 分 ; ⑸ 根 据 实 测 结 果 和 对 文 献 资 料 的 分 析, 提 出 收 缩 徐 变 测 试 值 的 变 异 系 数, 据 此 进 行 结 构 长 期 变 形 的 可 靠 性 分 析 4

2 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 高 强 混 凝 土 的 收 缩 徐 变 特 性 理 论 分 析 ⑴ 调 研 国 内 外 混 凝 土 收 缩 徐 变 模 型, 对 其 类 型 和 适 用 性 进 行 分 析, 并 与 本 项 目 建 议 计 算 模 型 进 行 比 较, 分 析 差 异 原 因 ; ⑵ 取 用 不 同 参 数 计 算 结 构 挠 度, 分 析 各 参 数 对 结 构 挠 度 的 敏 感 性 ; ⑶ 与 桥 梁 实 测 挠 度 比 较, 结 合 上 述 分 析, 调 整 收 缩 徐 变 参 数, 给 出 收 缩 徐 变 计 算 的 建 议 3 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 高 强 混 凝 土 的 强 度 与 弹 模 增 长 相 关 性 试 验 研 究 ⑴ 对 国 内 外 混 凝 土 强 度 与 弹 模 增 长 相 关 性 的 研 究 资 料 进 行 收 集 和 分 析, 制 定 试 验 方 案 ; ⑵ 和 前 项 研 究 结 合 制 作 试 块 ; ⑶ 测 试 各 龄 期 的 混 凝 土 试 块 强 度 和 弹 模 ; ⑷ 对 试 验 数 据 进 行 整 理 分 析, 研 究 混 凝 土 强 度 和 弹 模 的 相 关 性 及 主 要 影 响 因 素, 并 绘 制 曲 线 并 结 合 前 项 研 究, 提 出 加 载 龄 期 建 议 3.2.3 专 题 3 的 研 究 实 施 方 案 1 反 复 荷 载 作 用 下 高 强 混 凝 土 弹 性 模 量 变 化 规 律 试 验 研 究 ⑴ 根 据 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 主 梁 下 挠 现 状 调 查 结 果, 确 定 我 国 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 常 用 的 混 凝 土 强 度 等 级 及 其 应 力 变 化 范 围 ⑵ 在 上 述 混 凝 土 强 度 等 级 范 围 内, 选 取 不 同 强 度 的 混 凝 土 制 作 试 件 ; ⑶ 制 定 试 验 方 案, 加 载 应 反 映 桥 梁 结 构 的 实 际 受 力 状 态 ; ⑷ 对 弹 性 模 量 进 行 测 试, 对 比 静 载 与 反 复 荷 载 作 用 下 混 凝 土 的 弹 性 模 量, 了 解 弹 性 模 量 在 反 复 荷 载 作 用 下 的 变 化 规 律 2 反 复 移 动 荷 载 对 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 主 梁 的 长 期 挠 度 影 响 研 究 ⑴ 调 查 国 内 典 型 的 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 交 通 构 成, 包 括 交 通 量 车 重 大 吨 位 车 辆 混 入 率 轴 载 分 布, 并 对 典 型 的 车 流 分 布 进 行 数 理 统 计 分 析, 获 得 车 辆 荷 载 作 用 于 主 梁 的 分 布 规 律 ; ⑵ 根 据 交 通 量 调 查 结 果, 制 定 加 载 制 度 ; ⑶ 制 作 预 应 力 梁 试 验 模 型, 按 加 载 制 度 对 试 验 模 型 加 载, 测 试 反 复 荷 移 动 载 作 用 5

下 的 结 构 变 形 及 混 凝 土 和 预 应 力 钢 筋 的 应 力 ; ⑷ 分 析 试 验 结 果, 并 与 静 态 或 当 量 荷 载 挠 度 比 较, 评 价 反 复 移 动 荷 载 下 对 结 构 长 期 挠 度 的 影 响 ; ⑸ 提 出 车 辆 荷 载 作 用 下 主 梁 长 期 挠 度 的 计 算 方 法 及 相 关 的 实 用 经 验 公 式 或 曲 线 3 反 复 移 动 荷 载 对 预 应 力 长 期 损 失 的 影 响 研 究 ⑴ 对 国 内 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 预 应 力 失 效 状 况 进 行 调 查, 分 析 失 效 原 因 特 征 ; ⑵ 结 合 前 项 模 型 试 验, 研 究 预 应 力 筋 在 复 反 移 动 荷 载 作 用 下 的 损 失 情 况 ; ⑶ 提 出 防 止 或 减 小 预 应 力 损 失 的 措 施 3.2.4 专 题 4 的 研 究 实 施 方 案 1 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 桥 结 构 计 算 方 法 研 究 ⑴ 对 国 内 外 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 桥 结 构 计 算 方 法 进 行 调 研, 分 析 确 定 适 合 混 凝 土 箱 梁 的 三 维 实 体 单 元 类 型 和 预 应 力 筋 单 元 类 型 ; ⑵ 建 立 预 应 力 节 点 与 混 凝 土 节 点 耦 合 关 系 ; ⑶ 研 究 施 工 过 程 的 模 拟 处 理 方 法 ; ⑷ 空 间 温 度 场 汽 车 荷 载 收 缩 徐 变 等 荷 载 的 计 算 处 理 ; ⑸ 材 料 特 性 有 效 预 应 力 等 时 变 特 性 修 正 算 法 研 究 2 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 钢 束 合 理 布 置 形 式 研 究 ⑴ 通 过 调 研, 了 解 现 有 的 钢 束 布 置 形 式, 分 析 其 优 缺 点, 并 尽 可 能 结 合 对 应 桥 梁 的 现 状, 分 析 其 效 用 ; ⑵ 对 典 型 桥 梁 进 行 结 构 分 析, 比 较 不 同 布 束 形 式 的 结 构 效 应, 重 点 分 析 纵 向 直 束 下 弯 束 长 连 续 束 布 束 方 案 的 合 理 性 ; ⑶ 比 较 不 同 布 束 方 式 对 施 工 的 影 响 ; ⑷ 根 据 上 述 比 较 分 析, 提 出 箱 梁 预 应 力 束 合 理 布 置 的 指 导 原 则 3 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 合 理 构 造 与 布 置 形 式 研 究 ⑴ 对 国 内 外 混 凝 土 箱 梁 构 造 和 布 置 进 行 调 研 和 统 计 分 析, 比 较 优 缺 点 ; ⑵ 分 析 常 用 箱 梁 构 造 和 布 置 形 式 的 受 力 特 征, 提 出 合 理 构 造 的 设 计 原 则 6

4 箱 形 截 面 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 结 构 计 算 分 析 专 用 软 件 的 开 发 ⑴ 以 现 有 的 空 间 三 维 三 向 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 分 析 软 件 为 基 础, 采 用 本 项 目 相 关 研 究 成 果, 开 发 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 结 构 计 算 分 析 专 用 软 件 ; ⑵ 利 用 本 项 目 的 模 型 试 验 和 依 托 工 程 进 行 验 证 ; ⑶ 编 写 软 件 开 发 报 告 3.2.5 专 题 5 的 研 究 实 施 方 案 1 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 悬 臂 施 工 合 龙 方 式 顺 序 时 间 锁 定 形 式 及 配 重 对 主 梁 挠 度 的 影 响 分 析 ⑴ 调 查 有 哪 些 常 用 的 合 龙 方 式 顺 序 时 间 锁 定 形 式 ; ⑵ 对 典 型 桥 梁 按 不 同 的 合 龙 方 式 顺 序 时 间 锁 定 形 式 及 配 重 进 行 理 论 计 算, 比 较 各 种 情 况 下 的 挠 度 值 ; ⑶ 进 行 模 型 试 验, 模 拟 上 述 合 龙 方 式 顺 序 时 间 锁 定 方 式 及 配 重, 观 测 挠 度 变 化 情 况 ; ⑷ 根 据 理 论 分 析 和 试 验 结 果, 提 出 合 理 的 合 龙 技 术 ; ⑸ 依 托 工 程 应 用 2 悬 臂 浇 注 施 工 梁 段 接 缝 混 凝 土 强 度 试 验 研 究 ⑴ 广 泛 收 集 梁 段 接 缝 混 凝 土 强 度 资 料, 并 进 行 分 析 ; ⑵ 进 行 模 型 试 验, 对 比 分 析 整 体 浇 注 模 型 和 分 段 浇 注 模 型 的 开 裂 弯 矩, 确 定 接 缝 强 度 降 低 系 数 ; ⑶ 分 析 接 缝 强 度 影 响 因 素, 提 出 改 进 措 施 3 减 小 长 束 预 应 力 损 失 的 施 工 工 艺 研 究 ⑴ 收 集 长 束 预 应 力 损 失 资 料, 对 各 项 影 响 因 素 进 行 分 析 ; ⑵ 制 定 试 验 方 案, 在 桥 梁 现 场 测 量 长 束 预 应 力 损 失 ; ⑶ 对 比 分 析 重 复 张 拉 超 张 拉 改 变 管 道 等 情 况 下 预 应 力 损 失 结 果, 提 出 改 进 建 议 7

3.2.6 专 题 6 的 研 究 实 施 方 案 1 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 合 理 成 桥 应 力 状 态 的 研 究 ⑴ 选 取 典 型 箱 梁 作 为 分 析 研 究 对 象 ; ⑵ 考 虑 运 营 荷 载 作 用, 按 小 弯 矩 法 设 计 布 束 梁 高 预 应 力 度, 计 算 成 桥 应 力 状 态 ; ⑶ 以 下 挠 量 为 目 标, 建 立 确 定 合 理 成 桥 应 力 状 态 的 指 导 原 则 ; ⑷ 依 托 工 程 应 用 2 减 小 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 初 始 弹 性 挠 度 的 施 工 措 施 研 究 ⑴ 以 典 型 桥 梁 为 分 析 研 究 对 象 ; ⑵ 通 过 结 构 计 算, 分 析 按 零 弯 矩 法 设 置 的 临 时 斜 拉 索 对 顶 体 外 束 或 延 迟 张 拉 等 对 减 小 初 始 弹 性 挠 度 的 效 用 ; ⑶ 提 出 实 施 上 述 措 施 的 指 导 原 则 ; ⑷ 依 托 工 程 应 用 3 大 跨 度 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 桥 轻 质 混 凝 土 钢 箱 梁 主 梁 梁 段 合 理 布 置 研 究 ⑴ 对 已 有 的 轻 质 混 凝 土 钢 箱 梁 梁 段 的 布 置 进 行 调 研, 总 结 分 析 其 合 理 之 处 ; ⑵ 通 过 结 构 计 算, 分 析 不 同 轻 质 混 凝 土 钢 箱 梁 梁 段 长 度 和 布 置 对 总 体 结 构 的 影 响 ; ⑶ 分 析 轻 质 混 凝 土 钢 箱 梁 梁 段 合 理 连 接 构 造 4 防 下 挠 钢 束 设 置 合 理 性 的 研 究 ⑴ 以 典 型 桥 梁 为 研 究 对 象, 通 过 结 构 计 算, 分 析 防 下 挠 钢 束 布 置 形 式 ; ⑵ 考 虑 时 效 影 响, 分 析 防 下 挠 钢 束 张 拉 时 间 ; ⑶ 结 合 合 理 成 桥 应 力 状 态 的 研 究, 提 出 防 下 挠 钢 束 的 设 计 计 算 原 则 3.2.7 专 题 7 的 研 究 实 施 方 案 1 体 外 预 应 力 加 固 技 术 研 究 ⑴ 对 国 内 外 体 外 预 应 力 加 固 法 的 研 究 和 应 用 资 料 进 行 收 集 和 调 研, 总 结 其 成 功 和 不 足 之 处 ; 8

⑵ 重 点 对 体 外 预 应 力 束 的 布 束 方 式 锚 固 及 转 向 块 的 布 置 和 构 造 措 施 进 行 研 究, 提 出 设 计 计 算 方 法 ; ⑶ 依 托 工 程 应 用 2 预 应 力 管 道 补 压 浆 技 术 研 究 ⑴ 对 国 内 外 预 应 力 管 道 检 测 和 补 压 浆 技 术 资 料 进 行 收 集 和 调 研, 对 现 有 技 术 成 果 进 行 总 结 ; ⑵ 通 过 实 桥 测 试, 研 究 雷 达 定 位 仪 等 对 预 应 力 管 道 快 速 准 确 定 位 的 技 术 ; ⑶ 研 究 采 用 半 破 损 或 无 破 损 的 方 法 对 预 应 力 管 道 脱 空 进 行 检 测 的 技 术 ; ⑷ 通 过 模 型 试 验, 研 究 压 浆 工 艺, 确 定 灌 浆 材 料 性 能 工 具 设 备 要 求 质 量 标 准 等 ; ⑸ 依 托 工 程 应 用 3 轻 质 混 凝 土 在 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 下 挠 处 治 中 的 应 用 ⑴ 对 国 内 外 轻 质 混 凝 土 在 桥 梁 加 固 上 的 应 用 成 果 进 行 分 析 总 结 ; ⑵ 研 究 其 合 理 使 用 方 式 ; ⑶ 分 析 评 价 用 轻 质 混 凝 土 对 改 善 结 构 下 挠 的 效 果 4 劲 性 骨 架 加 固 技 术 研 究 ⑴ 调 研 收 集 国 内 外 劲 性 能 架 加 固 技 术 的 研 究 和 应 用 资 料, 总 结 其 成 功 和 不 足 之 处 ; ⑵ 研 究 劲 性 骨 架 与 原 结 构 共 同 承 载 机 理, 提 出 设 计 计 算 方 法 ; ⑶ 对 劲 性 骨 架 加 固 技 术 的 设 置 构 造 施 工 工 艺 进 行 研 究 ; ⑷ 依 托 工 程 应 用 4 主 要 成 果 与 评 价 本 项 目 分 7 个 专 题 对 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 下 挠 问 题 进 行 系 统 研 究, 其 主 要 研 究 成 果 如 下 : 1 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 主 梁 下 挠 现 状 及 成 因 调 查 (1) 明 确 了 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 连 续 梁 桥 主 梁 下 挠 特 征, 包 括 不 同 结 构 形 式 下 的 9

全 桥 挠 度 分 布 特 征 主 跨 中 下 挠 与 各 设 计 施 工 与 管 理 养 护 因 素 的 关 系 特 征 (2) 从 设 计 施 工 与 管 养 的 角 度 对 形 成 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 连 续 梁 桥 超 出 预 期 的 下 挠 变 形 的 机 理 进 行 了 剖 析, 提 出 了 导 致 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 连 续 梁 桥 主 梁 下 挠 的 主 要 成 因 2 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 高 强 混 凝 土 材 料 特 性 研 究 (1) 在 试 验 室 标 准 湿 度 (65%±5%) 条 件 下, 等 效 厚 度 小 于 60cm 时, 等 效 厚 度 越 小, 尺 寸 效 应 越 大, 试 件 的 截 面 边 长 达 到 或 大 于 60cm 的 徐 变 和 收 缩 分 别 接 近 于 基 本 徐 变 和 自 生 变 形 应 变 值 试 件 的 表 面 积 和 介 质 湿 度 仅 影 响 混 凝 土 的 干 缩 和 干 徐 变, 而 与 基 本 徐 变 及 自 生 变 形 无 关, 据 此 而 给 出 了 一 个 平 移 尺 寸 系 数 曲 线 的 湿 度 修 正 法 和 尺 寸 效 应 修 正 方 法 (2) 由 不 同 配 比 混 凝 土 的 徐 变 收 缩 试 验 抗 压 强 度 试 验 和 弹 性 模 量 试 验 结 果, 外 加 剂 对 混 凝 土 徐 变 收 缩 有 影 响, 掺 加 聚 羧 酸 PC-2 的 混 凝 土 徐 变 低 于 掺 加 萘 系 FDN 的 徐 变 掺 加 早 强 剂 对 早 期 抗 压 强 度 相 对 值 f cut f cu 影 响 大, 对 早 期 弹 性 模 量 相 对 值 E t E28 影 响 不 明 显 (3) 与 荷 载 直 接 加 至 设 定 值 或 经 预 压 后 加 至 设 定 值 相 比, 荷 载 分 级 缓 慢 施 加 能 使 弹 性 模 量 提 高, 徐 变 变 形 增 加 ; 缓 慢 张 拉 施 工 出 现 的 徐 变 特 性 变 化 不 影 响 预 应 力 衰 减 的 原 来 推 算 结 果, 在 变 形 估 计 时 应 依 实 际 情 况 进 行 调 整 与 轴 压 徐 变 相 比, 弯 曲 徐 变 系 数 有 偏 高 倾 向, 也 容 易 因 ( 拉 ) 应 力 偏 高 而 出 现 变 形 过 大 (4) 用 一 年 或 一 年 以 上 的 测 试 结 果 估 算 多 年 的 徐 变 度 或 徐 变 系 数, 有 一 定 的 可 信 性, 外 延 时 间 不 宜 过 长 各 种 长 期 徐 变 估 算 方 法 的 预 期 结 果 差 别 较 大, 宜 采 用 实 际 工 程 的 试 验 资 料 作 为 外 延 推 算 的 依 据 (5) 对 ACI209 CEB-FIP78 CEB-FIP90 B3 等 4 个 收 缩 徐 变 模 型 进 行 了 计 算 对 比 分 析, 指 出 了 其 缺 陷 并 根 据 室 内 徐 变 试 验 结 果 提 出 了 指 数 型 函 数 徐 变 模 型 和 实 桥 徐 变 的 修 正 算 法, 依 托 工 程 应 用 效 果 较 好 (6) 随 着 龄 期 的 增 长, 强 度 和 弹 模 的 增 长 速 率 逐 渐 变 小 在 2d~28d, 抗 压 强 度 相 对 值 f cut f cu 小 于 弹 性 模 量 相 对 值 E t E28, 弹 性 模 量 增 长 速 率 小 于 压 强 度 相 对 值 增 长 速 率 就 悬 臂 浇 筑 而 言, 确 定 加 载 龄 期 应 以 考 虑 混 凝 土 的 收 缩 徐 变 和 强 度 为 主 (7) 模 型 试 验 表 明 : 大 跨 径 预 应 力 钢 筋 混 凝 土 连 续 箱 梁 徐 变 计 算 应 进 行 变 载 修 正, 10

实 际 桥 梁 设 计 中 未 计 汽 车 温 度 等 变 载 产 生 的 徐 变 变 形, 导 致 计 算 变 形 偏 小 3 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 反 复 移 动 荷 载 的 作 用 效 应 研 究 (1) 用 C50 混 凝 土 试 件 测 试, 反 复 荷 载 作 用 下 高 强 混 凝 土 弹 性 模 量 衰 减 现 象 不 显 著, 割 线 模 量 呈 现 一 定 的 软 化 特 征 (2) 反 映 大 跨 预 应 力 混 凝 土 梁 实 际 受 力 状 态 的 模 型 梁 试 验 结 果 表 明, 梁 的 残 余 挠 度 与 反 复 荷 载 作 用 次 数 呈 现 明 显 的 相 关 性 随 着 反 复 荷 载 等 级 的 提 高, 残 余 挠 度 增 大 速 率 也 呈 现 明 显 增 大 的 趋 势 试 验 梁 经 200 万 次 不 同 工 况 反 复 荷 载 作 用 下, 挠 度 增 大 系 数 α 约 在 1.05~1.10 之 间 (3) 在 反 复 荷 载 作 用 下, 预 应 力 度 λ 对 预 应 力 钢 筋 荷 载 应 变 和 梁 的 荷 载 挠 度 影 响 比 较 大, 随 着 λ 的 减 小, 荷 载 应 变 荷 载 挠 度 与 反 复 作 用 次 数 呈 现 增 加 的 趋 势 (4) 反 复 荷 载 作 用 下 预 应 力 梁 的 残 余 挠 度 与 预 应 力 钢 筋 的 残 余 变 形 有 着 密 切 的 关 系, 反 复 荷 载 作 用 下 预 应 力 钢 筋 应 变 增 量 的 增 加 是 预 应 力 梁 下 挠 的 重 要 影 响 因 素 (5) 预 应 力 钢 束 有 效 预 应 力 降 低 的 主 要 原 因 是 钢 束 的 残 余 变 形 引 起 的, 即 钢 束 随 时 间 和 荷 载 作 用 次 数 而 产 生 的 松 弛 现 象 图 1 试 验 梁 及 有 效 预 应 力 测 试 4 箱 形 截 面 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 结 构 计 算 与 设 计 方 法 的 研 究 (1) 根 据 悬 臂 浇 筑 箱 梁 桥 施 工 的 特 点, 提 出 了 考 虑 箱 梁 环 境 结 构 与 材 料 耦 合 的 结 构 长 期 下 挠 机 理, 并 根 据 此 机 理 提 出 了 采 用 复 合 断 面 考 虑 收 缩 徐 变 特 性 断 面 非 一 致 性 的 长 期 挠 度 计 算 方 法 (2) 基 于 挠 度 控 制 的 机 理, 提 出 了 预 应 力 配 束 布 置 原 则 (3) 从 变 形 和 应 力 控 制 的 角 度, 对 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 桥 主 要 设 计 参 数 取 值 进 行 了 实 桥 参 数 分 析, 在 此 基 础 上 提 出 了 高 跨 比 梁 高 变 化 曲 线 边 中 跨 比 腹 板 与 底 板 厚 度 11

变 化 横 隔 板 设 置 等 设 计 布 置 的 建 议 (4) 以 相 关 研 究 成 果 为 基 础, 用 VC++.NET 编 制 了 箱 形 截 面 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 结 构 计 算 分 析 软 件 5 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 施 工 方 法 与 施 工 工 艺 研 究 (1) 参 考 斜 拉 桥 索 力 优 化 的 影 响 矩 阵 法, 提 出 了 适 用 于 大 跨 连 续 梁 连 续 刚 构 桥 合 龙 段 施 工 时 预 顶 力 优 化 计 算 法 和 减 少 主 梁 下 挠 的 合 龙 工 序 及 施 工 措 施 (2) 通 过 模 型 试 验 和 有 限 元 模 型 模 拟, 研 究 了 梁 段 接 缝 处 在 不 同 粗 糙 度 下 的 力 学 性 能, 在 一 般 施 工 水 平 下 大 部 分 接 缝 处 混 凝 土 强 度 与 非 接 缝 位 置 相 比 存 在 一 定 降 低, 降 幅 在 14% 以 内 ; 存 在 接 缝 与 整 体 浇 筑 梁 相 比 的 模 型 梁, 刚 度 降 低 3%~9%; 增 加 配 筋 率 和 预 应 力 二 次 张 拉 后 的 模 型 梁 刚 度 为 整 体 浇 筑 梁 刚 度 的 104%~107%; 就 开 裂 荷 载 而 言, 整 体 浇 筑 梁 的 开 裂 荷 载 最 大, 粗 糙 度 和 配 筋 率 增 加 的 模 型 梁 其 次, 一 般 质 量 接 缝 模 型 梁 最 小 图 2 接 缝 强 度 测 试 试 验 梁 养 生 及 加 载 测 试 (3) 用 直 接 测 试 预 应 力 筋 应 变 的 方 法 对 长 束 预 应 力 损 失 的 规 律 进 行 了 研 究, 重 点 探 讨 了 管 道 偏 差 系 数 k 的 取 值 问 题, 试 验 结 果 表 明,04 规 范 中 k 的 取 值 在 特 定 的 施 工 条 件 下 偏 小, 并 提 出 了 减 小 长 束 预 应 力 损 失 的 施 工 措 施 12

图 3 长 束 预 应 力 损 失 测 试 测 点 布 设 及 测 试 仪 器 (4) 通 过 结 构 计 算 分 析, 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 桥 主 梁 长 期 挠 度 随 着 支 点 梁 高 的 增 大 而 减 小 ; 与 支 点 相 比, 跨 中 梁 高 对 主 梁 的 长 期 挠 度 变 形 影 响 较 小 ; 底 板 厚 度 的 增 大 或 者 跨 中 梁 段 局 部 区 域 腹 板 厚 度 的 减 薄 也 在 一 定 程 度 上 可 以 减 小 长 期 挠 度 ; (5) 用 零 弯 矩 理 论 来 设 计 布 束, 不 仅 应 体 现 在 双 悬 臂 施 工 阶 段, 还 应 包 括 合 龙 并 施 加 二 期 恒 载 后 ; 其 布 束 的 合 理 性 可 用 关 键 截 面 应 力 斜 度 来 评 价, 应 力 斜 度 越 小, 主 梁 长 期 挠 度 也 随 之 减 小 (6) 采 用 临 时 斜 拉 索 辅 助 施 工 和 设 置 临 时 体 外 束, 能 够 有 效 地 调 整 悬 臂 施 工 阶 段 墩 顶 负 弯 矩 和 梁 的 应 力 状 态, 减 小 合 龙 后 成 桥 的 初 始 弹 性 挠 度, 但 对 克 服 其 长 期 下 挠 效 果 不 显 著 ; 对 顶 合 龙 施 工 可 有 效 地 改 善 桥 墩 的 受 力 状 态, 并 在 一 定 程 度 上 减 小 了 初 始 弹 性 挠 度, 而 对 主 梁 长 期 挠 度 的 减 小 作 用 不 大 6 克 服 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 下 挠 的 设 计 施 工 对 策 及 控 制 措 施 研 究 (1) 总 结 分 析 了 预 压 延 迟 合 龙 设 置 备 用 束 减 轻 主 梁 自 重 等 各 种 克 服 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 下 挠 的 设 计 施 工 方 法 和 措 施 以 长 期 挠 度 为 目 标, 重 点 结 合 依 托 工 程 采 用 不 同 长 度 轻 质 混 凝 土 梁 段 或 钢 箱 梁 梁 段 进 行 分 析, 得 出 主 梁 分 段 长 度 的 合 理 比 值, 轻 质 混 凝 土 为 0.383 左 右, 钢 箱 梁 段 在 0.2~0.3 之 间 (2) 研 究 了 后 期 张 拉 防 下 挠 的 体 外 束 的 效 用, 以 体 外 预 应 力 备 用 钢 束 作 为 防 下 挠 钢 束, 能 有 效 防 止 长 期 挠 度 的 发 展, 就 依 托 工 程 而 言, 成 桥 后 前 两 年 张 拉 防 下 挠 钢 束 比 较 合 理 13

图 4 克 服 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 下 挠 的 设 计 施 工 对 策 及 控 制 措 施 的 实 桥 应 用 7 已 发 生 下 挠 的 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 的 处 治 方 法 研 究 (1) 对 预 应 力 管 道 定 位 检 测 技 术 压 浆 状 况 检 测 技 术 和 预 应 力 管 道 补 压 浆 技 术 进 行 了 总 结 和 提 升, 补 充 了 管 道 定 位 和 压 浆 状 况 验 证 试 验 补 灌 浆 工 艺 试 验, 提 高 了 定 位 检 测 压 浆 状 况 检 测 结 果 的 准 确 性, 改 善 了 预 应 力 管 道 补 压 浆 工 程 质 量 (2) 系 统 总 结 分 析 了 下 挠 预 应 力 混 凝 土 箱 梁 加 固 方 法, 重 点 研 究 了 用 体 外 预 应 力 劲 性 骨 架 加 固 轻 质 混 凝 土 处 治 的 特 点 适 用 条 件 设 计 计 算 构 造 布 置 施 工 工 艺 材 料 性 能 和 质 量 要 求, 形 成 了 成 套 的 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 下 挠 处 治 技 术 14

5 项 目 的 经 济 社 会 效 益 及 推 广 应 用 前 景 我 国 很 大 数 量 的 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 在 运 营 过 程 中 存 在 主 梁 长 期 挠 度 变 形 过 大 的 问 题, 严 重 影 响 了 桥 梁 正 常 使 用 安 全 性 和 耐 久 性, 主 梁 下 挠 过 大 成 为 目 前 急 需 解 决 的 现 实 问 题 本 项 目 通 过 理 论 分 析 试 验 和 实 验 研 究 并 结 合 工 程 实 际, 明 确 了 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 主 梁 下 挠 的 原 因 及 机 理, 并 从 设 计 施 工 下 挠 处 治 等 环 节 提 出 了 相 应 的 减 小 下 挠 的 对 策, 对 于 推 进 我 国 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 设 计 施 工 加 固 处 治 技 术 等 方 面 的 发 展 都 具 有 重 大 的 指 导 意 义 应 用 本 项 目 的 研 究 成 果, 可 有 效 地 控 制 或 处 治 主 梁 下 挠, 为 桥 梁 的 使 用 性 能 和 安 全 性 提 供 理 论 分 析 和 应 用 上 的 支 撑, 进 而 控 制 病 害 的 发 生 保 障 此 类 结 构 的 安 全 性, 避 免 和 减 少 安 全 事 故, 提 高 了 此 类 桥 梁 的 投 资 效 益 和 降 低 养 护 管 理 成 本 鉴 于 大 跨 径 预 应 力 混 凝 土 梁 桥 下 挠 病 害 的 普 遍 性 和 严 重 性, 此 类 桥 梁 已 建 在 建 待 建 的 数 量 众 多, 遍 及 全 国 各 地 因 此, 本 项 目 的 研 究 成 果 应 用 范 围 大, 具 有 广 阔 的 推 广 应 用 前 景 15