體外預應力混凝土橋梁設計方法相關探討

顧曉勇

【摘要】我國的橋梁建設不斷發展，為體外混凝土技術的發展提供了一個良好的契機。文章主要分析了體外預應力混凝土橋梁設計，針對目前體外預應力混凝土橋梁結構構造特點、設計方法等方面進行研究，提出一些加強體外預應力混凝土橋梁設計方法，以提高預應力混凝土橋梁設計工作水平和質量。

【關鍵詞】體外預應力混凝土；橋梁；設計

隨著橋梁事業的不斷發展，體外預應力結構以其方便的施工工藝，優良的工作效果越來越受到人們的重視，同時，也為橋梁技術的發展和鞏固創造了良好的基礎。因此，需要加強對體外預應力混凝土橋梁設計的研究，以更好的幫助施工單位提高橋梁的施工質量和工作水平，使橋梁技術能夠得到更多的應用和發展。

1、體外預應力混凝土結構的特點

體外預應力混凝土結構的優點表現在：體外預應力筋在轉向時呈折現，因此與混凝土接觸面少，降低了預應力摩擦損失，促進預應力效益的提高。預應力筋主要布置在腹板的外面，提高了腹板振實效果，縮短了施工工期，提高了施工工作效率，提高了施工的準確性等。但是體外預應力混凝土結構也有一定的缺陷，主要表現在：體外預應力混凝土結構中，由于鋼絞線在端部錨固，導致混凝土施工中澆筑振搗比較困難，容易損壞和著火，體外束的應力計算較為復雜，預應力加工費用較高等。

2、體外預應力混凝土橋梁設計方法

在對體外預應力混凝土橋梁的設計過程中，要充分考慮到不同因素對其造成的影響。比如，橋梁結構自身的重量，施工過程中所能承載的負載情況，以及橋梁的初始受力及受力路徑等都會對其造成影響，一定要多方面的對工程進行分析和考慮。在工程的施工過程中，受力狀態和受力路徑都經過了一段非常復雜的變化過程，在此期間橋梁結構非常脆弱，容易受到外界環境的影響，有可能會造成結構的變形。為此，要特別注意每個施工步驟，嚴格按照規定進行，保證橋梁的設計結構。另外，在橋梁施工完成之后，由于受到不同負載的影響，會對橋梁的結構造成一定的影響，并且隨著時間的積累以及不良因素的影響，橋梁的整體結構就會遭到破壞。此時，準確的確定橋梁體外預應力混凝土的受力狀況就顯的尤為重要。現在，主要用三種方法對其進行分析和研究：

2.1借助計算機程序實現整個受力過程的狀態分析。這個是以外預應力橋梁截面的受力平衡以及整個橋梁的變形最小為依據，結合橋梁筋的轉向形式、摩擦阻力的滑動狀況以及結構的最大形變作為約束條件建立聯立方程進行分析。另外，采用該種方法計算體外預應力還需要考慮二次效應的非線性因素對其產生的影響。總體來說該種方法比較復雜，適用范圍小，不過精度較高。

2.2借助有限元進行技術分析。該分析方法主要以橋梁試驗數據及混凝土鋼筋的非線性幾何分析原理為依據，對橋梁進行單元劃分，借助有限元技術進行橋梁整個過程的受力分析。此種方法不但具有較高的計算精度，同時還能將受力情況詳細的描述出來。

2.3利用有限元和計算機程序進行模擬受力。該分析方法也主要以橋梁試數據及混凝土鋼筋的非線性幾何分析原理為依據，利用有限元方法和空間非線性技術結合計算機進行體外預應力橋梁的受力分析。這種計算方法可以很好的模擬出體外預應力混凝土結構的受力情況，很大程度上提高了分析效率。

3、體外預應力混凝土橋梁錨固橫梁設計方法

體外預應力混凝土橋梁錨固橫梁配筋設計方法，采用的是有限元實體單元分析與拉壓桿法相結合算法。在對錨固橫梁配筋設計方法進行分析時，可以直接采用ANSYS應力分析。體外預應力錨固橫梁的形狀、位置變化等都不相同，其配筋設計可以采用兩種形式： 一是橫梁內側配筋設計，二是局部承壓設計。在相應的規范中對局部承壓設計有明確的規定，在設計時，可以直接使用規范方法。在體外預應力混凝土橋梁錨固橫梁配筋設計中，對橫梁內側受拉鋼筋的設計方法主要采用拉壓桿模型法。拉壓桿模型分析步驟主要有以下幾步：一是，首先進行結構的形狀、支撐以及荷載等方面實現整體確定。為了方便分析，我們通常將立體的空間三維結構劃分為不同的平面進行獨立分析。二是，對結構的整體的靜力進行分析，由此確定結構支撐反力。三是，對結構進行劃分，劃分依據為圣維南原理，主要分為B區和D區。B區能夠建立起標準桁架模型，可以直接采用拉壓桿模型法。區則需要結合自身實際情況分別建立拉壓桿模型對其進行設計。四是，將B區和D區相結合形成完整的拉壓桿模型，并計算出該模型中每個拉桿和壓桿的軸力。校正每個桿件的承載能力并對拉桿進行配筋設計。五是，實現對每個節點區以及鋼筋的細節設計。混凝土結構的配筋設計方法主要采用的是拉壓桿模型法，主要是由于其計算結算結果比較安全，但是針對錨固橫梁的配筋拉桿模型的構建過程相當復雜。

4、體外預應力混凝土橋梁設計要點

4.1荷載作用時的分析。轉換結構中的預應力筋在按照曲線布置時會產生一定的附加應力，因此，體外預應力筋的張拉應力的取值應該符合實際的設計需要。同時，該橋的荷載設計主要是由極限荷載作用進行控制的，體外預應力筋的數量也由此決定。

4.2極限荷載作用時的分析。極限荷載作用時的抗彎計算，主要依據《體外力筋PC橋梁設計手冊》進行，對抵抗破壞的彎矩進行計算時，將體外力筋作為抗拉構件考慮。同時，結合結構變形時產生的體外預應力筋應力增量，對該橋的極限荷載值進行確定。

4.3錨固端。在體外力筋預施應力方式中，高強預應力筋與體內預應力方式不同，其主要錨固在橫梁上，而不是在腹板或是頂底板上，將會產生剪應力和彎曲應力。在對錨固橫梁的彎矩和剪力計算時，主要依據《體外力筋PC 橋梁設計手冊》將其作為格構模式或者是四邊固定板進行計算，同時還要配備抗拉和抗剪鋼筋。

4.4非線性分析。對體外預應力橋梁進行非線性分析，主要是為了確定其結構的破壞安全度。在對其進行分析計算時，主要采用復合非線性框架分析。對材料非線性評價時，為了將混凝土、鋼筋等應力的應變關系能夠用合適的模型反映出來，可以將主梁構件按照纖維模型進行處理。當主梁構件任意一個纖維達到極限應變值時，將其作為主梁達到極限狀態的判定條件。除了上述分析之外，還要考慮以下幾個方面：在體外預應力混凝土橋梁設計中還要加強對斜截面的抗剪設計的研究。為了推動體外預應力結構的應用，應該在無粘結預應力規程中增加體外預應力。加強對橋梁在體外預應力橋梁在往復荷載下產生的疲勞問題的研究。

5、結語

綜上所述，在橋梁建設中，體外預應力結構與傳統的體內預應力結構相比，具有明顯的優勢。上文主要分析了體外預應力混凝土橋梁設計分析方法以及錨固橫梁設計方法，需要對其進行準確的分析，才能夠保證預應力結構的安全性和可靠性。在對其進行分析時，還結合相應的工程實例進行分析。對更多的專業人士能投入到該課題研究中，提出指正建議，為提高我國體外預應力混凝土橋梁設計工作做出重要的貢獻。

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