体外预应力混凝土桥梁设计方法相关探讨

顾晓勇

【摘要】我国的桥梁建设不断发展，为体外混凝土技术的发展提供了一个良好的契机。文章主要分析了体外预应力混凝土桥梁设计，针对目前体外预应力混凝土桥梁结构构造特点、设计方法等方面进行研究，提出一些加强体外预应力混凝土桥梁设计方法，以提高预应力混凝土桥梁设计工作水平和质量。

【关键词】体外预应力混凝土；桥梁；设计

随着桥梁事业的不断发展，体外预应力结构以其方便的施工工艺，优良的工作效果越来越受到人们的重视，同时，也为桥梁技术的发展和巩固创造了良好的基础。因此，需要加强对体外预应力混凝土桥梁设计的研究，以更好的帮助施工单位提高桥梁的施工质量和工作水平，使桥梁技术能够得到更多的应用和发展。

1、体外预应力混凝土结构的特点

体外预应力混凝土结构的优点表现在：体外预应力筋在转向时呈折现，因此与混凝土接触面少，降低了预应力摩擦损失，促进预应力效益的提高。预应力筋主要布置在腹板的外面，提高了腹板振实效果，缩短了施工工期，提高了施工工作效率，提高了施工的准确性等。但是体外预应力混凝土结构也有一定的缺陷，主要表现在：体外预应力混凝土结构中，由于钢绞线在端部锚固，导致混凝土施工中浇筑振捣比较困难，容易损坏和着火，体外束的应力计算较为复杂，预应力加工费用较高等。

2、体外预应力混凝土桥梁设计方法

在对体外预应力混凝土桥梁的设计过程中，要充分考虑到不同因素对其造成的影响。比如，桥梁结构自身的重量，施工过程中所能承载的负载情况，以及桥梁的初始受力及受力路径等都会对其造成影响，一定要多方面的对工程进行分析和考虑。在工程的施工过程中，受力状态和受力路径都经过了一段非常复杂的变化过程，在此期间桥梁结构非常脆弱，容易受到外界环境的影响，有可能会造成结构的变形。为此，要特别注意每个施工步骤，严格按照规定进行，保证桥梁的设计结构。另外，在桥梁施工完成之后，由于受到不同负载的影响，会对桥梁的结构造成一定的影响，并且随着时间的积累以及不良因素的影响，桥梁的整体结构就会遭到破坏。此时，准确的确定桥梁体外预应力混凝土的受力状况就显的尤为重要。现在，主要用三种方法对其进行分析和研究：

2.1借助计算机程序实现整个受力过程的状态分析。这个是以外预应力桥梁截面的受力平衡以及整个桥梁的变形最小为依据，结合桥梁筋的转向形式、摩擦阻力的滑动状况以及结构的最大形变作为约束条件建立联立方程进行分析。另外，采用该种方法计算体外预应力还需要考虑二次效应的非线性因素对其产生的影响。总体来说该种方法比较复杂，适用范围小，不过精度较高。

2.2借助有限元进行技术分析。该分析方法主要以桥梁试验数据及混凝土钢筋的非线性几何分析原理为依据，对桥梁进行单元划分，借助有限元技术进行桥梁整个过程的受力分析。此种方法不但具有较高的计算精度，同时还能将受力情况详细的描述出来。

2.3利用有限元和计算机程序进行模拟受力。该分析方法也主要以桥梁试数据及混凝土钢筋的非线性几何分析原理为依据，利用有限元方法和空间非线性技术结合计算机进行体外预应力桥梁的受力分析。这种计算方法可以很好的模拟出体外预应力混凝土结构的受力情况，很大程度上提高了分析效率。

3、体外预应力混凝土桥梁锚固横梁设计方法

体外预应力混凝土桥梁锚固横梁配筋设计方法，采用的是有限元实体单元分析与拉压杆法相结合算法。在对锚固横梁配筋设计方法进行分析时，可以直接采用ANSYS应力分析。体外预应力锚固横梁的形状、位置变化等都不相同，其配筋设计可以采用两种形式： 一是横梁内侧配筋设计，二是局部承压设计。在相应的规范中对局部承压设计有明确的规定，在设计时，可以直接使用规范方法。在体外预应力混凝土桥梁锚固横梁配筋设计中，对横梁内侧受拉钢筋的设计方法主要采用拉压杆模型法。拉压杆模型分析步骤主要有以下几步：一是，首先进行结构的形状、支撑以及荷载等方面实现整体确定。为了方便分析，我们通常将立体的空间三维结构划分为不同的平面进行独立分析。二是，对结构的整体的静力进行分析，由此确定结构支撑反力。三是，对结构进行划分，划分依据为圣维南原理，主要分为B区和D区。B区能够建立起标准桁架模型，可以直接采用拉压杆模型法。区则需要结合自身实际情况分别建立拉压杆模型对其进行设计。四是，将B区和D区相结合形成完整的拉压杆模型，并计算出该模型中每个拉杆和压杆的轴力。校正每个杆件的承载能力并对拉杆进行配筋设计。五是，实现对每个节点区以及钢筋的细节设计。混凝土结构的配筋设计方法主要采用的是拉压杆模型法，主要是由于其计算结算结果比较安全，但是针对锚固横梁的配筋拉杆模型的构建过程相当复杂。

4、体外预应力混凝土桥梁设计要点

4.1荷载作用时的分析。转换结构中的预应力筋在按照曲线布置时会产生一定的附加应力，因此，体外预应力筋的张拉应力的取值应该符合实际的设计需要。同时，该桥的荷载设计主要是由极限荷载作用进行控制的，体外预应力筋的数量也由此决定。

4.2极限荷载作用时的分析。极限荷载作用时的抗弯计算，主要依据《体外力筋PC桥梁设计手册》进行，对抵抗破坏的弯矩进行计算时，将体外力筋作为抗拉构件考虑。同时，结合结构变形时产生的体外预应力筋应力增量，对该桥的极限荷载值进行确定。

4.3锚固端。在体外力筋预施应力方式中，高强预应力筋与体内预应力方式不同，其主要锚固在横梁上，而不是在腹板或是顶底板上，将会产生剪应力和弯曲应力。在对锚固横梁的弯矩和剪力计算时，主要依据《体外力筋PC 桥梁设计手册》将其作为格构模式或者是四边固定板进行计算，同时还要配备抗拉和抗剪钢筋。

4.4非线性分析。对体外预应力桥梁进行非线性分析，主要是为了确定其结构的破坏安全度。在对其进行分析计算时，主要采用复合非线性框架分析。对材料非线性评价时，为了将混凝土、钢筋等应力的应变关系能够用合适的模型反映出来，可以将主梁构件按照纤维模型进行处理。当主梁构件任意一个纤维达到极限应变值时，将其作为主梁达到极限状态的判定条件。除了上述分析之外，還要考虑以下几个方面：在体外预应力混凝土桥梁设计中还要加强对斜截面的抗剪设计的研究。为了推动体外预应力结构的应用，应该在无粘结预应力规程中增加体外预应力。加强对桥梁在体外预应力桥梁在往复荷载下产生的疲劳问题的研究。

5、结语

综上所述，在桥梁建设中，体外预应力结构与传统的体内预应力结构相比，具有明显的优势。上文主要分析了体外预应力混凝土桥梁设计分析方法以及锚固横梁设计方法，需要对其进行准确的分析，才能够保证预应力结构的安全性和可靠性。在对其进行分析时，还结合相应的工程实例进行分析。对更多的专业人士能投入到该课题研究中，提出指正建议，为提高我国体外预应力混凝土桥梁设计工作做出重要的贡献。

参考文献：

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