目前在預(yù)應(yīng)力混凝土梁的制造中使用高性能混凝土（HPC），可以實(shí)現(xiàn)更大的跨越。通過(guò)增加梁間距，使上部結(jié)構(gòu)變得更薄，提高經(jīng)濟(jì)效益。HPC還可以提高混凝土的耐久性和抗開裂能力，同時(shí)降低滲透性，減少由于收縮、徐變帶來(lái)的影響。當(dāng)然，預(yù)應(yīng)力高性能混凝土梁在設(shè)計(jì)方面仍然面臨不少新的挑戰(zhàn)，包括制造、運(yùn)輸和架設(shè)過(guò)程。
最近，得益于大跨度預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土梁的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展，美國(guó)華盛頓州交通廳和其他橋梁的業(yè)主們，能夠使用他們喜歡的建筑材料來(lái)提高橋梁的跨越能力。大跨度預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土梁不再需要支架施工，減少了現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)和調(diào)度的困難，以及對(duì)水道環(huán)境的影響，并最大限度地減少了對(duì)公眾出行造成的危害、延誤和不便。
高性能/高強(qiáng)度混凝土最近已成為華盛頓州大跨度預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋使用的標(biāo)準(zhǔn)材料。目前，預(yù)應(yīng)力混凝土的抗壓強(qiáng)度值為47.88MPa，達(dá)到28天齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度值為61.56MPa。
現(xiàn)行的主梁標(biāo)準(zhǔn)類型
在華盛頓州，預(yù)應(yīng)力工字梁的使用始于20世紀(jì)50年代初。當(dāng)時(shí)實(shí)施的州際高速公路項(xiàng)目（Interstate Highway Program）極大地加快了高速公路的建設(shè)。然而所面臨的挑戰(zhàn)是如何快速、經(jīng)濟(jì)、高效地在道路交叉口實(shí)施分級(jí)隔離。預(yù)應(yīng)力工字梁橋的經(jīng)濟(jì)性、制造質(zhì)量和施工便利性都受到了挑戰(zhàn)。
如今，華盛頓州80%以上的新建公路橋梁都是預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋。目前華盛頓州交通廳規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力工字梁型號(hào)為WF36G、WF42G、WF50G、WF58G、WF66G、WF74G、WF83G、WF95G、WF100G。
由于截面尺寸和運(yùn)輸重量的限制，華盛頓州交通廳新制定了標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力寬翼緣DBT型梁，其跨度最大可達(dá)64m。DBT型梁的截面寬度和高度均可變化，以適應(yīng)所需的跨度和橋梁寬度。如圖2所示，頂部翼緣寬度的變化范圍為1.22m-2.44m，高度的變化范圍為0.9m-2.54m。
通常來(lái)說(shuō)，具有較寬翼緣的DBT型梁，比目前標(biāo)準(zhǔn)工字形梁的跨度能力提高了20%。未來(lái)可能會(huì)逐步淘汰現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)DBT型梁，以支持新的寬翼緣DBT型梁。
設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與施工方案
設(shè)計(jì)依據(jù)
預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的設(shè)計(jì)，華盛頓州交通廳采用了現(xiàn)行的美國(guó)聯(lián)邦州公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（AASHTO LRFD），詳細(xì)內(nèi)容可參見《華盛頓州交通廳橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》。
目前的設(shè)計(jì)原則是在正常使用極限狀態(tài)下，構(gòu)件預(yù)壓時(shí)受拉區(qū)混凝土不允許產(chǎn)生拉應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉控制應(yīng)力為0.75fpu，極限值為0.8fpy。此時(shí)需要按全截面消壓考慮，且單跨預(yù)應(yīng)力梁不考慮中間墩的連續(xù)性，精確計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失，以及考慮之后的鋪裝層影響。
華盛頓州交通廳對(duì)預(yù)應(yīng)力梁和橋面系的設(shè)計(jì)原則使得結(jié)構(gòu)更加耐用。而采取一些保守設(shè)計(jì)的原因是——
1.橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的定期修改補(bǔ)充。AASHTO設(shè)計(jì)規(guī)范經(jīng)歷了從最初的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法（ASD）、荷載系數(shù)設(shè)計(jì)方法（LFD），到現(xiàn)在的荷載和抗力系數(shù)設(shè)計(jì)方法（LRFD）。
2.為超高車輛碰撞而損壞的主梁儲(chǔ)備能力。超高車輛碰撞預(yù)應(yīng)力梁橋經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致鋼絞線斷絲或錯(cuò)股。
3.預(yù)應(yīng)力梁的零張拉力設(shè)計(jì)，可確保主梁在使用狀態(tài)下不開裂，從而延長(zhǎng)使用壽命。
4.增加預(yù)應(yīng)力束可提高混凝土梁的抗剪能力。
5.保守的設(shè)計(jì)假設(shè)可以提高橋梁的使用壽命，并降低橋梁在整個(gè)生命周期內(nèi)的成本。
6.考慮澆筑鋪裝層的影響。
預(yù)應(yīng)力梁的撓度和拱度
預(yù)應(yīng)力梁的最終撓度是各施工階段的彈性撓度與各時(shí)變參數(shù)的長(zhǎng)期效應(yīng)的總和。
實(shí)際上，對(duì)上部結(jié)構(gòu)撓度的許多測(cè)量結(jié)果表明，一旦澆筑了橋面板，與梁形成整體后，其長(zhǎng)期效應(yīng)撓度值將降至最低。不管是單跨還是多跨梁橋，橋面板在橫向上設(shè)置加強(qiáng)筋，都會(huì)出現(xiàn)這種情況。原因在于，當(dāng)橋面板與梁結(jié)合形成橋面系時(shí)，剛度得到了較大的提升。對(duì)于連續(xù)梁橋的上部結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，連續(xù)性進(jìn)一步加強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)的剛度。同樣，梁的徐變效應(yīng)被自重與橋面板混凝土的收縮抵消。
提高連續(xù)性的設(shè)計(jì)方法
華盛頓州交通廳依據(jù)連續(xù)梁的內(nèi)力包絡(luò)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。預(yù)應(yīng)力梁在正常使用極限狀態(tài)下，應(yīng)承受靜載和活載產(chǎn)生的正彎矩，同單梁的受力特點(diǎn)。連續(xù)梁橋在中間墩處的橋面板上需設(shè)置加強(qiáng)筋，承受活載和自重疊加在一起的負(fù)彎矩。
預(yù)應(yīng)力梁由于收縮徐變產(chǎn)生的正彎矩會(huì)導(dǎo)致橫隔板處的混凝土開裂，為了不讓這些裂紋消弱連接件抵抗負(fù)彎矩的能力，目前有幾種方法正在用于提高連續(xù)梁橋的連續(xù)性。
其中一種方法是，將梁下翼緣處的約束鋼筋布置在隔板中，以抵抗正彎矩。而所需的鋼筋量取決于梁的設(shè)計(jì)使用壽命。但該方法的缺點(diǎn)是可能會(huì)增加預(yù)制拼接時(shí)的成本，以及待內(nèi)隔板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，影響橋面板的施工作業(yè)進(jìn)度。
雖然單梁的設(shè)計(jì)成本略高于這種設(shè)計(jì)有減少正彎矩的梁，但整體施工方法具有經(jīng)濟(jì)效益。此外，經(jīng)驗(yàn)表明，保守的設(shè)計(jì)性質(zhì)導(dǎo)致非常持久的結(jié)構(gòu)與改善超載能力。
在承受橫向荷載時(shí)，中間墩處的橫向連接與橋梁所處的地震帶有關(guān)。華盛頓州西部的橋梁都位于地震帶3和4，而華盛頓州東部的橋梁則位于地震帶2。
上、下部結(jié)構(gòu)之間的連接是預(yù)制混凝土梁橋進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。特別是在中高度地震區(qū)的橋梁，如果上下部結(jié)構(gòu)缺少整體連接，會(huì)使柱頂表現(xiàn)為銷連接，從而對(duì)多排樁的基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的力。在上、下部結(jié)構(gòu)之間考慮用可以減少基礎(chǔ)所受到的彎矩。
連續(xù)梁橋中間隔板的現(xiàn)澆混凝土分兩個(gè)階段完成，以保證預(yù)制梁安裝后的穩(wěn)定性，并預(yù)防徐變效應(yīng)的影響。張拉的鋼絞線、鋼筋可以確保地震發(fā)生時(shí)橋梁能夠擁有足夠的連接性能。固定隔板的設(shè)計(jì)假設(shè)為：所有相鄰橋跨的主梁寬度、間距均相同，且最好為同類型的截面形式；主梁為既能承受活載，又能承受恒載的單跨形式；為承受負(fù)彎矩處的橋面板進(jìn)行加固；確定上部結(jié)構(gòu)質(zhì)心處的塑性鉸合力；確定鋼絞線張拉的數(shù)量，以抵抗地震正力矩；隔板設(shè)置加強(qiáng)筋以抵抗質(zhì)心處的合力；在梁端截面內(nèi)配置抗剪縱筋。
在地震高發(fā)區(qū)的預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋中間墩上采用固定整體式隔板(抗彎矩)。這種情況下，從梁的下翼緣伸出的預(yù)應(yīng)力鋼絞線被錨固在隔板上，形成柱頂塑性鉸所需的正彎矩。圖3顯示了華盛頓州交通廳采用的固定整體式隔板的細(xì)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)。
整體式和鉸接式橫隔板均為半挑高結(jié)構(gòu)，加腋梁、隔板和模板的自重由下橫梁承擔(dān)，而活載和附加的靜力荷載則由全部橫梁承擔(dān)。此類結(jié)構(gòu)的施工消除了對(duì)臨時(shí)支撐的依賴。半挑高的橫梁分為兩部分進(jìn)行澆筑，下部為預(yù)制梁提供支撐，上部為橋面系提供連續(xù)性。
預(yù)制蓋梁
預(yù)制蓋梁的設(shè)計(jì)，節(jié)約了現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土等待成型、硬化的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。圖4展示了華盛頓州正在施工的預(yù)制蓋梁。墩柱中的豎筋延伸出來(lái)，穿過(guò)預(yù)留在蓋梁中的套管，套管由直徑4英寸（100毫米）的波紋鍍鋅金屬導(dǎo)管制成，并留有足夠的施工公差和灌漿空間。安裝完蓋梁后，蓋梁與現(xiàn)澆的混凝土墩柱一起發(fā)揮作用，鋼筋再通過(guò)預(yù)制蓋梁延伸到隔板的頂部。
預(yù)制梁的運(yùn)輸與架設(shè)
較長(zhǎng)的預(yù)應(yīng)力混凝土梁在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)受到許多因素的影響，例如梁的重量、長(zhǎng)度、高度、橫向穩(wěn)定性，以及不同的運(yùn)輸方式。多年來(lái)，華盛頓州交通廳對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的處理和運(yùn)輸都有明確的規(guī)定。但這些規(guī)定并沒有考慮到，由于使用高性能混凝土而可能出現(xiàn)的新情況。筆者根據(jù)高性能混凝土在最初的幾座橋梁項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)華盛頓州交通廳的運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一些修改，以供參考。
混凝土抗壓強(qiáng)度要求
在運(yùn)輸預(yù)制梁時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度要求通常決定了預(yù)應(yīng)力梁的設(shè)計(jì)，因?yàn)榇藭r(shí)的要求已經(jīng)不再是正常使用狀態(tài)和強(qiáng)度極限狀態(tài)下的混凝土抗壓強(qiáng)度值。
計(jì)算表明，此時(shí)的強(qiáng)度水平也完全滿足正常使用極限狀態(tài)下的壓應(yīng)力要求。由于按照單跨的梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，在正常使用極限狀態(tài)下預(yù)壓受拉區(qū)不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，因此混凝土強(qiáng)度要求與該標(biāo)準(zhǔn)無(wú)關(guān)。
根據(jù)橫向穩(wěn)定性的要求，在沒有臨時(shí)的頂部鋼絞線的情況下，將梁從模板上剝離需要混凝土強(qiáng)度降低到約54.47MPa，如果有6個(gè)臨時(shí)的頂部鋼絞線，那么這個(gè)值可以降低到約51.02MPa。如果是臨時(shí)頂部鋼絞線就地運(yùn)輸所要求的混凝土強(qiáng)度約為59.29MPa。所有這些強(qiáng)度值都超過(guò)了現(xiàn)澆混凝土所需達(dá)到的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。
對(duì)于使用長(zhǎng)而重的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋項(xiàng)目，華盛頓州交通廳在初步設(shè)計(jì)階段就對(duì)梁的運(yùn)輸和架設(shè)進(jìn)行了研究，以確保能夠合理的建造橋梁。在某些限制通行的工程中，梁的長(zhǎng)度受到制約，需要采取預(yù)制拼接的設(shè)計(jì)。高度的限制問題通常以替代的路線或繞行路線來(lái)解決。華盛頓州交通廳將初步調(diào)查的結(jié)果，以特殊條款的形式加入到了規(guī)范中。條款中規(guī)定了運(yùn)輸路線、預(yù)估的通行許可證審批時(shí)間及費(fèi)用、護(hù)送車輛的要求，以及對(duì)華盛頓州巡邏隊(duì)的要求。
橫向穩(wěn)定性
華盛頓州交通廳對(duì)在運(yùn)輸和架設(shè)細(xì)長(zhǎng)梁時(shí)使用臨時(shí)頂部鋼絞線來(lái)提高穩(wěn)定性做了詳細(xì)的規(guī)定。這些鋼絞線要么先張拉，要么在梁被拆模后的某個(gè)時(shí)刻再進(jìn)行張拉。不管是先張還是后張，都取決于制造商所采用的方案。
張拉的臨時(shí)鋼絞線僅在梁端約3m處粘結(jié)，而在梁的其余長(zhǎng)度范圍內(nèi)不粘結(jié)。后張臨時(shí)鋼絞線在梁的一端錨定，另一端在3m處粘結(jié)，其余位置不粘結(jié)。
用于臨時(shí)鋼絞線的導(dǎo)管需要較大的尺寸且密封，以防止鋼絞線在切割時(shí)被束縛或粘結(jié)。切割后對(duì)鋼絞線的回縮進(jìn)行測(cè)量表明，該方法允許鋼絞線在釋放后完全松弛。
在上翼緣引入臨時(shí)鋼絞線，對(duì)預(yù)應(yīng)力梁的設(shè)計(jì)也有益處。臨時(shí)的頂部鋼絞線可以減少瞬時(shí)的撓度和長(zhǎng)期彎曲變形，從而減少現(xiàn)澆橋面加腋處所需的混凝土量。這也意味著需要更少的橋面板混凝土，以及減小了恒載產(chǎn)生的力矩。同時(shí)，臨時(shí)減小了的預(yù)應(yīng)力偏心距也降低了梁在釋放時(shí)的壓應(yīng)力，從而降低了所需的混凝土釋放強(qiáng)度。
不管采用先張法還是后張法，在張拉臨時(shí)鋼絞線時(shí)，都應(yīng)考慮其對(duì)長(zhǎng)期撓度的影響。大多數(shù)高性能混凝土梁可以在沒有臨時(shí)鋼束的情況下從模板上剝離，但這是以較高的混凝土釋放強(qiáng)度為代價(jià)的。然而，許多高性能混凝土梁需要臨時(shí)鋼束運(yùn)輸。如果在設(shè)計(jì)中未考慮臨時(shí)頂部鋼束，其對(duì)長(zhǎng)期撓度的影響將不利于施工，可以在運(yùn)輸前對(duì)這些臨時(shí)的頂部鋼束進(jìn)行后張拉，將其對(duì)拱度的影響降至最低。
接縫連接
預(yù)制混凝土構(gòu)件之間的縱向連接，最常見的是在剪力鍵處灌漿和在以一定的間隔橫向焊接連接的組合。這種連接旨在傳遞剪力和防止縱向伸縮縫發(fā)生相對(duì)的豎向位移。然而，為了減少可能發(fā)生的裂縫和滲漏，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。華盛頓州交通廳要求在不小于12.7cm厚的現(xiàn)澆橋面板的橫向和縱向上各加一層鋼筋。這樣的現(xiàn)澆橋面板可以減少對(duì)密封灌漿的需要，并在中間墩處提供更好的連續(xù)性。
現(xiàn)澆混凝土選用4000D級(jí)混凝土，在橫向和縱向上均應(yīng)留有一層4號(hào)環(huán)氧涂層鋼筋，12.7cm厚的現(xiàn)澆混凝土橋面板在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可以將其看作是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)。
可參考的快速設(shè)計(jì)圖表
為促進(jìn)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的快速設(shè)計(jì)，符合AASHTO LRFD和華盛頓州交通廳的標(biāo)準(zhǔn)，華盛頓州交通廳橋梁和結(jié)構(gòu)辦公室開發(fā)了設(shè)計(jì)輔助工具和計(jì)算機(jī)軟件，可以在WSDOT網(wǎng)站（http://www.wsdot.wa.gov/eesc/bridge）下載。
對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，設(shè)計(jì)的第一步是確定跨徑、主梁尺寸、梁間距和預(yù)應(yīng)力鋼束。由于可行的設(shè)計(jì)方案眾多，為了幫助工程師高效地進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)，華盛頓州交通廳在其橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)中發(fā)布了橋梁跨徑布置圖表，利用該圖表，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的快速比選，從而確定最優(yōu)的橋梁設(shè)計(jì)方案。
高強(qiáng)度混凝土和新型寬翼緣預(yù)制梁的使用，讓華盛頓州交通廳的工程師們能夠根據(jù)特定項(xiàng)目的參數(shù)，設(shè)計(jì)跨徑更大、上部結(jié)構(gòu)更薄的橋梁。更大的跨徑減少了橋墩數(shù)量，也減少了對(duì)交叉路口的通行影響，提高了交通安全性，特別是在交通擁堵嚴(yán)重的地區(qū)。梁間距的增加也使得單片梁的數(shù)量減少，從而降低了制造、運(yùn)輸和安裝成本。較薄的主梁可使用高強(qiáng)度混凝土制造，在靠近河堤和橋臺(tái)處，提高垂直凈空。
采用預(yù)制的預(yù)應(yīng)力混凝土梁，經(jīng)濟(jì)高效，可快速進(jìn)行橋梁施工。預(yù)制構(gòu)件在施工期間不需要中斷交通，同時(shí)還保證了施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期性能。
