加拿大6m預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土行人自行車橋的設(shè)計(jì)與施工

加拿大6m預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土行人自行車橋的設(shè)計(jì)與施工

州首府市議會(huì)通過了一項(xiàng)法案，并于1997年7月完成了由舍爾伯格爾的行人和自行車橋（圖1）。這是世界上第一座采用活動(dòng)混凝土的大型結(jié)構(gòu)。除了使用這種新型的超高強(qiáng)度材料外,舍布魯克人行橋還采用了其他幾項(xiàng)新技術(shù):混凝土的側(cè)向約束、完全取消普通鋼筋以及首創(chuàng)采用活性粉混凝土的預(yù)制/預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的方案設(shè)計(jì)和施工詳圖設(shè)計(jì)。該橋的上部結(jié)構(gòu)為后張空腹空間桁架,由6塊匹配預(yù)制的節(jié)段組成。節(jié)段在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配,并用體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力索張拉成橋。橋面板和上、下弦桿均由活性粉混凝土制成,其抗壓強(qiáng)度達(dá)到了200MPa。斜腹桿是由內(nèi)填活性粉混凝土的不銹鋼管組成的,管內(nèi)混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了350MPa。這座位于舍布魯克區(qū)、跨越梅戈格河的人行橋的斜腹桿的節(jié)間長度為3m,橋梁的跨度為60m,豎曲線半徑為326m,橋上可通行自行車和行人。舍布魯克市政府想用一座前所未有的新型的橋梁來展示其景觀,事實(shí)上這座鄰近市政廳的橋梁成了舍布魯克市對(duì)外展示科學(xué)技術(shù)的窗口。修建這座橋梁還有其它目的:(1)將魁北克—圣勞倫斯南海岸自行車道系統(tǒng)與美國自行車道系統(tǒng)連接起來;(2)將該橋與其相鄰的老式鋼桁梁橋形成對(duì)比,突出該橋預(yù)制空間桁架優(yōu)雅的美學(xué)效果(圖2);(3)由于采用了新結(jié)構(gòu)和新材料,使該結(jié)構(gòu)具有良好的耐久性,因此該橋維護(hù)費(fèi)用將會(huì)很低;(4)證明活性粉混凝土既可用來修建市政基礎(chǔ)設(shè)施又可作為修復(fù)結(jié)構(gòu)之用;(5)為舍布魯克大學(xué)研究小組和加拿大混凝土協(xié)會(huì)提供進(jìn)行國際學(xué)術(shù)研究的機(jī)會(huì)。舍布魯克人行橋的總造價(jià)為425000美元,對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)施監(jiān)測(cè)和費(fèi)用為70000美元。本文介紹了舍布魯克人行橋的結(jié)構(gòu)原理、設(shè)計(jì)特點(diǎn)、新材料技術(shù)、節(jié)段預(yù)制工藝和架設(shè)方法,還介紹了監(jiān)測(cè)儀器和監(jiān)測(cè)計(jì)劃及活性粉混凝土在預(yù)制件和預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展前景。1應(yīng)用程序一般設(shè)計(jì)出預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)舍布魯克人行橋的設(shè)計(jì)利用了活性粉混凝土優(yōu)異的力學(xué)性能。為了獲得最小的高跨比(3m/60m),設(shè)計(jì)人員將活性粉混凝土新技術(shù)與預(yù)制后張法結(jié)合起來,用填充活性粉混凝土的空腹空間桁架取代了腹板,這樣就在不影響剛度的情況下減少了混凝土的用量。由于活性粉混凝土具有很高的抗壓強(qiáng)度,因此用它可以設(shè)計(jì)出相當(dāng)輕巧的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),使其能夠在工廠預(yù)制和在現(xiàn)場(chǎng)安裝。該橋的低頻振動(dòng)使橋上和行人感到舒適。由于空間桁架重量輕,且橋梁有很高的整體剛度,該橋結(jié)構(gòu)在活載不大于恒載的范圍內(nèi)的第一階本征頻率為2.5Hz。對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式,在恒載和活載作用下結(jié)構(gòu)的上弦桿(包括上弦縱梁和橋面板)中產(chǎn)生壓力,在下弦桿中產(chǎn)生的拉力被預(yù)應(yīng)力所抵消。剪力將在腹桿中產(chǎn)生拉力或壓力,其中受拉腹桿中的拉力被腹桿中的預(yù)應(yīng)力所抵消,其它所有的次拉力全部由活性粉混凝土直接承受。由于這是第一座用活性粉混凝土修建的大型結(jié)構(gòu),出于安全和工程實(shí)施的考慮,材料的潛力并未被全部發(fā)揮出來。這是為了防止在運(yùn)營極限狀態(tài)下和極限狀態(tài)下腹桿中出現(xiàn)拉力,以及在運(yùn)營極限狀態(tài)下下弦桿中出現(xiàn)拉力。上下弦桿的尺寸取決于布置預(yù)應(yīng)力索錨頭所需的空間。所選的下弦梁的尺寸應(yīng)能容納預(yù)應(yīng)力索轉(zhuǎn)向器,還應(yīng)有足夠的尺寸連接斜桿。今后的工程可從舍布魯克人行橋的實(shí)踐中獲取經(jīng)驗(yàn),使較小尺寸的活性粉混凝土構(gòu)件發(fā)揮更大的作用。2橋橋橫1.2mm圖3為舍布魯克人行橋的立面圖。空間預(yù)應(yīng)力桁架分成6個(gè)預(yù)制塊件,每塊長10m,全橋的豎曲線半徑為326m,跨度為60m。橋兩端有厚381mm的端橫隔板。由于桁架高度為3.3m,預(yù)制塊件可用普通的大型平板車運(yùn)輸。圖4為該橋橫截面,圖中示出斜腹桿的布置和構(gòu)件的主要尺寸及相互連接情況,圖5表示體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力索的布置狀況。2.1橫向單根預(yù)應(yīng)力索及橫向加勁肋安裝上弦桿(見圖4)包括橋面板和預(yù)埋在兩條200mm×300mm的縱肋內(nèi)的橫向加勁件組成。橋面板可承受的活載為3.9kN/m2,這是由重為26kN的除雪設(shè)備確定的。橋面板與上弦桿設(shè)計(jì)成一個(gè)整體,在極限狀態(tài)下可承受12MPa的撓曲拉應(yīng)力。該值可定義為上弦桿需施加的橫向預(yù)應(yīng)力的數(shù)值,即每隔1.25m需布置1根直徑12mm的油封單根預(yù)應(yīng)力。剪力和沖擊力由活性粉混凝土直接承受。橋面板厚30mm、寬3.3m。橫向單根預(yù)應(yīng)力索布置在高度為70mm的橫向加勁肋中。埋在上弦縱梁中的體內(nèi)縱向預(yù)應(yīng)力索不需要承受荷載,它是用來拉緊整個(gè)結(jié)構(gòu)的。橫向加勁肋寬100mm,肋間中心距為1.25m。橋面板的兩側(cè)各有一條同樣高度的縱向加勁肋貫穿全橋。桁架有2根320mm×380mm的下弦桿(圖4),每隔5m有一個(gè)連接柱將斜腹桿與下弦桿連接起來。這些連接柱不但連接兩根平行的下弦桿,而且是體外預(yù)應(yīng)力索的轉(zhuǎn)向點(diǎn)。下弦桿中也布置了縱向體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索將節(jié)段連接在一起,并使下弦桿在運(yùn)營極限狀態(tài)下不出現(xiàn)拉應(yīng)力。2.2體外預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)桁架腹桿長3.2m,為直徑150mm、壁厚2mm的不銹鋼管,管內(nèi)填充活性粉混凝土。腹桿為雙方向傾斜,縱向夾角為41°,橫向夾角為14°。每個(gè)預(yù)制節(jié)段的每一側(cè)上有4根斜腹桿?？臻g條件限制了每根斜桿內(nèi)的預(yù)應(yīng)力索數(shù)只能有2根,所能提供的計(jì)入損失后的預(yù)應(yīng)力為2×117.4kN=235.4kN。由于在極限狀態(tài)下的活載和恒載引起的橋兩端的頭4根斜桿中的剪力超過此值,因此必須使預(yù)應(yīng)力索折轉(zhuǎn)以減少剪力的影響。因而又設(shè)置了2×3根體外預(yù)應(yīng)力索(圖5中帶*號(hào)的3根)來達(dá)到這一目的。每根斜桿中都有2根油封的單根預(yù)應(yīng)力索,采用專門設(shè)計(jì)的小型錨具。這些錨具是為本橋特制的,錨具完全密封,既不設(shè)錨板也不開局部螺口。錨頭直接與活性粉混凝土接觸,活性粉混凝土能夠承受很高的錨下壓應(yīng)力。在設(shè)計(jì)過程中另一個(gè)重要的方面是如何在沒有普通鋼筋(即低碳鋼筋)的情況下將預(yù)制好的斜桿構(gòu)件與上下弦構(gòu)件相連。它需將斜桿中預(yù)應(yīng)力索交叉安裝在上弦桿中(圖6),這樣剪力可以從1根斜桿直接傳到另1根斜桿中去。由于在下弦桿中,節(jié)段端部斜桿中的預(yù)應(yīng)力索無法與相鄰節(jié)段的斜桿中的預(yù)應(yīng)力索交叉相遇,因此,兩個(gè)預(yù)制節(jié)段間的連接是通過縱向預(yù)應(yīng)力索施加壓應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)的(圖7)。2.3架梁預(yù)應(yīng)力半跨穩(wěn)定性縱向預(yù)應(yīng)力索(圖5)為下弦桿中的2×2根體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索、上弦桿中的2根體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索以及2×3根體外預(yù)應(yīng)力折轉(zhuǎn)索。架梁時(shí)其半跨的臨時(shí)預(yù)應(yīng)力是由1根體外預(yù)應(yīng)力索來實(shí)現(xiàn)的?？v向預(yù)應(yīng)力索錨固在端橫隔板上。端橫隔板用2根U形預(yù)應(yīng)力索抵消由于橋梁撓曲引起的彎矩。3活性粉混凝土應(yīng)用舍布魯克人行橋各部件都是采用含有細(xì)鋼纖維活性粉混凝土澆注的?；钚苑刍炷潦且环N新型的水泥基材料,它由直徑為0.0001～0.6mm的各種微粒組成。微粒的種類很多,如:波特蘭水泥、活性粉、石英粉和砂,對(duì)各種微粒的比例進(jìn)行了優(yōu)化,使混凝土達(dá)到最大的密實(shí)度。波特蘭水泥、硅灰、石英粉和少許砂子在形成混凝土的各個(gè)階段中起著化學(xué)反應(yīng)。活性粉混凝土一旦發(fā)生凝固,可將其在飽和蒸汽(90℃)中養(yǎng)護(hù)2d,以加速活性粉的硬化反應(yīng)和改變水化物的結(jié)構(gòu),加熱養(yǎng)護(hù)還可增加混凝土的強(qiáng)度。我們?cè)诿枋龌钚苑刍炷習(xí)r使用了“混凝土”一詞而不是“砂漿”一詞。這是因?yàn)榛钚苑刍炷良尤肓思?xì)鋼纖維后提高了韌性。尺度比例效應(yīng)可幫助我們理解鋼纖維的重要性。若將最大顆粒直徑為0.6mm的活性粉混凝土與最大粗骨料直徑為25mm的普通混凝土相比,其尺度比例為25mm∶0.6mm(即42∶1)。加入長0.2mm×25mm的鋼纖維的活性粉混凝土與加入8mm×1mm鋼筋、粗骨料直徑為25mm的普通鋼筋混凝土相當(dāng)。由于活性粉混凝土被約束在薄壁不銹鋼圓管中,其側(cè)限抗壓強(qiáng)度能夠顯著地提高。以本橋?yàn)槔?斜腹桿中的活性粉混凝土的抗壓強(qiáng)度從200MPa提高到了350MPa。對(duì)活性粉混凝土的約束還能增加其耐久性,其應(yīng)力—應(yīng)變曲線見圖8。本橋采用不銹鋼圓管作斜桿是由于其外觀可吸引人們的注意力,且不易銹蝕。褪光處理后的不銹鋼管的顏色與活性粉混凝土在經(jīng)過90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)后的顏色很接近。預(yù)應(yīng)力索的直徑為25mm,其極限抗拉強(qiáng)度高達(dá)1860MPa,每根索的極限荷載為182kN。4橋梁節(jié)段的生產(chǎn)活性粉混凝土可在預(yù)制廠的普通反向強(qiáng)迫式式拌和機(jī)中進(jìn)行攪拌,其配合比見表1在向斜桿中灌注混凝土?xí)r用一個(gè)金屬架固定其中的預(yù)應(yīng)力索,活性粉混凝土垂直注入后立即施加2MPa的平均壓力,使活性粉混凝土壓縮75mm,待混凝土硬化后,將斜桿裝入橋梁節(jié)段的模板中(圖9)。由于本橋沒有鋼筋來固定預(yù)應(yīng)力管道的位置,所以在模板上特別設(shè)置了管道的支點(diǎn),使其能夠固定在模板上。絕大多數(shù)模板是木制的,但為了保證橋梁豎向曲率的精度,縱梁模板的底部是鋼制的。節(jié)段的生產(chǎn)工藝流程包括清理模板、放置預(yù)應(yīng)力索、安裝斜桿、澆注混凝土。生產(chǎn)頭3個(gè)節(jié)段每個(gè)用了2d;生產(chǎn)后3個(gè)節(jié)段每個(gè)只用了1d。首先澆注包括下弦桿的2根梁,用振動(dòng)棒振搗密實(shí)。然后澆注上層的橋面板,橋面用可變頻率的平板振動(dòng)器進(jìn)行振搗、收光。操作人員應(yīng)事先對(duì)操作過程進(jìn)行研究,對(duì)可能遇到的困難有所預(yù)計(jì),才能用這種粘稠的、纖維增強(qiáng)的拌和物生產(chǎn)出光潔的產(chǎn)品來。活性粉混凝土的上表面應(yīng)有一薄層水膜,并覆蓋塑料薄膜以防止干燥和產(chǎn)生收縮裂紋。混凝土澆注24h后即可拆模,此時(shí)活性粉混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到50MPa,可對(duì)斜桿中的預(yù)應(yīng)力索進(jìn)行張拉,并起吊節(jié)段。與該節(jié)段相鄰的另一節(jié)段采用匹配法澆注,以保證與前一節(jié)段連接密貼,并保證橋梁的曲率。節(jié)段應(yīng)在90℃下進(jìn)行濕養(yǎng)護(hù),故在節(jié)段外面用雙層聚乙烯薄膜罩住,噴入高溫蒸汽進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。在48h過程中用熱電偶控制溫度。橋梁節(jié)段拆模后的狀況見圖10,從圖中可以看到縱向和橫向加勁肋的外形。節(jié)段在預(yù)制工廠的生產(chǎn)過程進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制,并在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)活性粉混凝土強(qiáng)度的增長情況,調(diào)整養(yǎng)護(hù)溫度。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,若能仔細(xì)地選擇配料,制造和安裝高質(zhì)量的活性粉混凝土構(gòu)件是并不困難的。獲得本項(xiàng)目所需的活性粉混凝土中的配料(尤其是水泥和硅灰),以及確定使混凝土滿足非常嚴(yán)格的力學(xué)性能的最佳配合比是相當(dāng)容易的。質(zhì)量控制計(jì)劃也表明若能為生產(chǎn)工藝制定具體的參數(shù),生產(chǎn)活性粉混凝土構(gòu)件是可行的。在工廠預(yù)制建筑構(gòu)件能保證其質(zhì)量和產(chǎn)量。此外,這也保證了在冬天也能生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件,一旦氣候條件允許,構(gòu)件可立即運(yùn)輸出廠和安裝。5采用臨時(shí)預(yù)防機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)安裝步驟由于舍布魯克橋設(shè)計(jì)得很輕巧,3個(gè)預(yù)制節(jié)段連在一起組成的半跨橋梁也只有50t,可以用普通的900kN或1500kN吊機(jī)進(jìn)行安裝,這樣可將現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間縮短至不到4d。上部結(jié)構(gòu)的安裝包括下列步驟:(1)在河床的中部修建一座堅(jiān)固的平臺(tái);(2)在上述平臺(tái)上搭設(shè)臨時(shí)膺架;(3)將3個(gè)節(jié)段(即半跨橋梁)放在支架上,張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力索將其連在一起;(4)將連在一起的3個(gè)節(jié)段,即半跨橋梁的一端吊放在北側(cè)橋墩上,另一端放在河床中部的臨時(shí)膺架上。(5)用同樣的方法將另3個(gè)節(jié)段如上述方法連接起來,一端吊放在南側(cè)橋墩上,加一端放在河床中部的臨時(shí)膺架上;(6)安裝永久預(yù)應(yīng)力索,并逐步進(jìn)行張拉;(7)拆除臨時(shí)膺架;(8)安裝欄桿和路燈燈柱,在橋面上澆注鋼纖維混凝土面層。6活性粉混凝土檢測(cè)計(jì)劃舍布魯克人行橋在預(yù)制和安裝過程中由舍布魯克大學(xué)的研究小組和加拿大混凝土協(xié)會(huì)在Pierre-ClaudeAitcin教授的指導(dǎo)下安裝了許多檢測(cè)裝置。安裝在橋上進(jìn)行短期和長期監(jiān)測(cè)的傳感器使這座橋成了新技術(shù)重要的試驗(yàn)地點(diǎn)。從現(xiàn)場(chǎng)獲得的數(shù)據(jù)使人們更多地了解結(jié)構(gòu)在實(shí)際環(huán)境和荷載作用下的工作狀態(tài),更詳細(xì)地分析材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合非常嚴(yán)格的加拿大環(huán)境保護(hù)的要求。根據(jù)所得到的知識(shí),人們今后可在尚未制定此類結(jié)構(gòu)國家規(guī)范的條件下改進(jìn)活性粉混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。監(jiān)測(cè)計(jì)劃分為兩個(gè)性質(zhì)完全不同的部分。第一部分包括下列測(cè)量項(xiàng)目:(1)橋面豎向變形的監(jiān)測(cè);(2)上部結(jié)構(gòu)的靜載試驗(yàn);(3)上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)載試驗(yàn)。監(jiān)測(cè)計(jì)劃的第二部分是利用埋入結(jié)構(gòu)中的永久性檢測(cè)裝置檢測(cè)節(jié)段在安裝時(shí)的受力狀況以及橋梁在長期運(yùn)營中的工作狀態(tài)。其檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)完成如下任務(wù):(1)通過埋在活性粉混凝土構(gòu)件各個(gè)部位中的熱電偶記錄溫度變化,同時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度。(2)用鋼弦應(yīng)變儀測(cè)量活性粉混凝土上、下弦桿和斜桿(鋼管及其內(nèi)部的活性粉混凝土)的應(yīng)變。之所以選用鋼弦應(yīng)變儀是由于它的長期穩(wěn)定性和可靠性。測(cè)量應(yīng)變還使用了預(yù)埋在構(gòu)件中的光纖傳感器。(3)監(jiān)測(cè)上部結(jié)構(gòu)的變位。由于無法直接測(cè)量變位,只能通過測(cè)量節(jié)段的扭轉(zhuǎn)或側(cè)傾推導(dǎo)出上部結(jié)構(gòu)的變位。出于這個(gè)目的,人們?cè)诠?jié)段的下弦桿上安裝了一組傾斜儀。(4)測(cè)量腹桿內(nèi)的荷載。鋼弦荷載測(cè)量儀能直接測(cè)出腹桿內(nèi)預(yù)應(yīng)力索的受力。(5)記錄預(yù)應(yīng)力。安裝在預(yù)應(yīng)力索外面的傳感器能定時(shí)記錄預(yù)應(yīng)力的變化。(6)測(cè)量振動(dòng)。在動(dòng)載試驗(yàn)中用加速度計(jì)測(cè)量桁架的振動(dòng)。檢測(cè)計(jì)劃要求在長期的檢測(cè)過程中定期讀取數(shù)據(jù),因此要求預(yù)埋在結(jié)構(gòu)中的傳感器能通過現(xiàn)代化手段自動(dòng)收集數(shù)據(jù)并通過電話線進(jìn)行傳輸。7活性粉混凝土的優(yōu)點(diǎn)混凝土預(yù)制件行業(yè)能從第一座活性粉混凝土人行橋的修建獲得經(jīng)驗(yàn)并能在今后的項(xiàng)目中開發(fā)出新工藝和新方法。評(píng)審委員會(huì)的Jurors肯定了這種結(jié)構(gòu)的潛力,Jurors評(píng)論道:“該橋優(yōu)美的、輕巧的桁架與周圍的環(huán)境融為一體,而且值得注意的是該橋采用了體外預(yù)應(yīng)力索。”其他有關(guān)該橋獨(dú)特的空間桁架和采用活性摻合料混凝土的評(píng)論說“這既是一座正在使用中的橋梁,也是一個(gè)研究項(xiàng)目,它為今后活性摻合料混凝土未來的改進(jìn)開辟了道路”。舍布魯克人行橋因此獲得了1998年混凝土協(xié)會(huì)授予的非機(jī)動(dòng)車橋設(shè)計(jì)獎(jiǎng)。由于活性粉混凝土具有以下突出性能,因而大大增強(qiáng)了預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的地位:(1)由于活性粉混凝土的抗壓強(qiáng)度很高(200MPa),這能大大減少結(jié)構(gòu)的恒載?；钚苑刍炷两Y(jié)構(gòu)的重量只有普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)重量的1/2～1/3,與鋼結(jié)構(gòu)的重量相差無幾;(2)活性粉混凝土優(yōu)良的韌性使其在超載情況下具有更高的可靠性;(3)優(yōu)良的抗凍融循壞破壞、抗融冰鹽腐蝕、抗碳