1、第41卷第9 期2023年9 月文章编号:10 0 9-7 7 6 7(2 0 2 3)0 9-0 2 35-0 8市放技术Journal of Municipal TechnologyVol.41,No.9Sep.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.09.235钢绞线切断回缩对拆除预应力梁桥的影响研究王慧慧(广州市市政工程设计研究总院有限公司,广东广州510 0 9 5)摘要:采用SPMT(Self-PropelledModule Transporters)拆除某预应力梁桥过程中,钢绞线切断后产生了回缩现象。因此,为保证施工安全顺利进行,采用MidasFEA软
2、件建立全桥实体模型,研究了钢绞线切断后回缩对该梁桥拆除过程的影响;确定了切割后钢绞线“先张十后张”的理论预应力分布;在模型中输入锯齿状钢束简单模拟了理论预应力分布。计算结果表明,切割后在简支状态下结构变形和应变随钢绞线回缩量的增大而增大;对预估梁桥预应力损失和实际预应力损失进行了对比,其结果印证了梁桥拆除施工方案的安全性。关键词:预应力;连续梁;钢绞线回缩;SPMT;快速拆除PrestressedBeamWang Huihui中图分类号:U448.21Research on Influence of Steel Strand Cutting Retraction on Demolition o
3、f(Guangzhou Municipal Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510095,China)Abstract:During the process of dismantling a prestressed concrete beam bridge with self-propelled module trans-porters(SPMT),the retraction phenomenon happened after the steel strand was cut.In order to ensur
4、e the safe andsmooth construction,a solid unit was established by Midas FEA software to study the influence of steel strand re-tracting after cutting on the dismantling process of the girder bridge;The theoretical prestress distribution of“pretensioning+post tensioning has been determined,which was
5、simply simulated by inputting serrated steel beams in-to the model.The calculation results show that the deformation and strain of the structure increase with the increaseof the shrinkage of the steel strand in the simply supported state after cutting;The estimated prestress loss of thegirder bridge
6、 is compared with the actual prestress loss,and the results confirm the safety of the demolition construc-tion scheme of the girder bridge.Key words:prestress;continuous beam;strand retraction;self-propelled module transporters(SPMT);rapid de-molition文献标志码:A除工法应运而生。SPMT工法的应用源于欧洲,近年1工程概况来在国内应用越来越广泛。2
7、 0 11年,北京市政路桥随着经济的快速发展,对桥梁扩建的需求也越来越大,许多旧桥都需要拆除重建,由此以Self-Pro-pelled Module Transporters(SPMT)为核心设备的拆管理养护集团有限公司自主创新研发的SPMT工法成功应用于北京市昌平区西关环岛桥梁改造工程,开创了SPMT工法在我国自主研发及应用的先河。收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 7作者简介:王慧慧,女,助理工程师,硕士,主要研究方向为桥梁工程。引文格式:王慧慧.钢绞线切断回缩对拆除预应力梁桥的影响研究 .市政技术,2 0 2 3,41(9):2 35-2 41,2 48.(WANGHH.Researc
8、honinfluenceof steel strand cutting retraction on demolition of prestressed beam J.Journal of municipal technology,2023,41(9):235-241,248.)2362015年,北京市三元桥大修工程中采用SPMT工法取得了极大的经济效益和社会影响 2 ,而笔者研究的沈阳一海口高速公路改扩建工程,水口一白沙段T2标段上跨天桥因旧桥桥墩位于拓宽路基上,需全部拆除重建,所以为尽量减少对桥下交通的影响,保证桥梁拆除期间交通正常安全运营,也采用了SPMT工法对桥梁上部结构进行整体切割移运
9、。拆除的桥梁为(2 4+34.4+2 4)m的3跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥,桥宽8 m,中支点支座处梁高2 m,跨中梁高1m。箱梁截面顶板宽8 m,翼缘板A2B1C1D1C2D2B2D3 C3 D4,C4中+.455050 50.452010040Fig.1 Layout of prestressed steel tendon切割后发现钢绞线质量情况良好,基本未锈蚀,顶板束灌浆大多十分密实,腹板束灌浆质量参差不一,部分腹板束切割面出现了空洞或缺失。可见,顶板束锚固质量较好,腹板束锚固质量略差。旧桥拆除施工顺序为:架设边跨和跨中临时支架,切割旧桥,采用SPMT工法将切割后的中孔梁段移运至存梁
10、场地后凿除,剩余边跨部分设置安全防护网后就地凿除。施工过程中发现梁体切割后钢绞线发生了回缩,回缩量2 4cm。钢绞线回缩是否会对梁体承载能力造成影响未知,因此为保证施工过程的安全,需对其进行专门的研究和评估。2梁体分段方案旧桥拆除时梁体切割方案和移运方案见图2。Journal of Municipal Technology2.400a)1/2钢束立面布置图3.200300030003200b)1/2 顶板钢束平面图A1240图1预应力钢束布置图(cm)为简支体系。由于边跨梁段就地凿除,所以基本上不存在安全问题,而跨中梁段切割后需移运至存梁场地凿除,存在多次结构体系转换,即原桥连续体系一切割后简
11、支体系一SPMT移运简支悬臂体系,因此笔者主要研究切割后的跨中梁段。采用MidasFEA软件建立全桥实体模型,模型网格尺寸为0.15m,得到跨中梁段在原桥连续体系、切割后简支状态和SPMT移运工况下梁体结构的变形和应变,见图3。此时切割后的体系从偏安全角度考虑预应力全损失,钢绞线可作为普通钢筋进行分析。由图3可知,在原桥连续状态下,跨中截面挠度为14.5mm,最大压应变为2.49 10 4,最大拉应变为1.471041.0104,全桥约2%的单元被拉裂,说明第41卷宽1m,底板宽6 m;顶板厚2 0 cm,底板厚15cm,腹板厚40 cm;倒角尺寸均为15cmx20cm;在支座处为实心截面。箱
12、梁采用C40混凝土,普通钢筋采用HRB335和R235。钢绞线公称直径为15.2 4mm,标准强度为f=1860MPa,张拉控制应力为0.7 5f=1395MPa,其预应力钢束布置见图1。其中A、B型钢束每束由19 根钢绞线组成,C、D、F、G 型钢束每束由5根钢绞线组成。钢束管道采用金属波纹管成孔,每条管道曲线顶点处设置了排水孔以便于灌浆时排气和冲洗管道时排水。管道压浆混凝土强度不低于C30。1720一A1-A3钢束B1-B3钢束桥墩中心线1C1,92钢束D1,D2钢束桥轴中心线D3,D4钢束NC3.c4钢束A3B340240c)1-1剖面切割后边跨梁段和跨中梁段均由连续体系变40第9 期王
13、慧慧:钢绞线切断回缩对拆除预应力梁桥的影响研究2.400切割线临时支撑区12520Fig.2 Schematic diagram of the different segmentation schemes23734402.400切割线临时支撑临时支撑a)切割方案M36903440300m1800高速公路路面5332.800b)移运方案图2 不同分段方案示意图(cm)125300山图53320梁体挠度梁体主压应变a)原桥连续体系梁体主拉应变梁体挠度梁体主压应变b)切割后简支体系梁体主拉应变梁体挠度Fig.3 Structural response of mid-span beam section
14、s with different boundaries该桥为带裂缝工作状态,但整体结构状态良好;切割后简支状态下,跨中挠度达到了111.1mm,最大压应变为1.2 410-31.010-4,全桥有32.9%的单元会被拉裂,但理论上结构仍然处于安全状态,只是结构安全富余度偏小。在SPMT移运状态下梁体跨中挠度为2.7 6 mm,梁端挠度为2.9 2 mm,最大压应变为1.7 10 4,最大拉应变为7.8 7 10-5,均远小于混凝土极限应变,因此移运阶段梁体是安全的。由上述分析可知,拆除旧桥施工过程中切割后简支状态为施工安全控制工况,而该工况未考虑切割后残余预应力的影响,结构开裂较多,安全富余梁
15、体主压应变c)SPMT移运简支悬臂体系图3不同边界中跨梁段结构响应不足,因此有必要考虑切割后钢绞线残余预应力对结构的影响。3不同回缩量对梁体分段方案的影响3.1切割后钢绞线预应力分析国内外学者针对钢绞线与混凝土间粘结性能做过许多研究。如:Kasan等 3 认为,对于后张构件,钢绞线束断裂后,可通过钢绞线束与混凝土间的粘结行为实现应力的传递与二次锚固;李富民等 4 指出钢绞线发生锈断时,其端部回缩直径增大形成楔形,与混凝土间产生挤压变形,进而影响应力的传递和锚固;马亚飞等 5 指出随应力释放速度的增加,试梁体主拉应变238件粘结性能退化更为严重;周凌宇等 6 证明了切除锚具后梁体承载能力略下降,
16、预应力损失从梁端到跨中递减。但是,目前钢绞线束整体切断后的粘结机理尚未明确,故笔者在前人研究的基础上总结钢绞线切断后的预应力分布规律,以探究钢绞线切割后回缩对拆除旧桥的影响。旧桥拆除施工期间梁体内预应力钢束处于拉紧受力状态,当梁体被金刚绳锯切割后,断面处钢束也被切断,梁端钢束突然由受力状态变为自由端,此时钢束预应力骤降为0,但由于钢束与梁体之间有黏性连接,预应力并不会完全损失,而会随着钢束向梁体内部的深入逐渐增大。此时钢束预应力传递方式类似于先张法,因此梁体端部预应力可以按先张法考虑。梁体中部预应力受到切割影响较小,钢束预应力分布规律应仍符合后张法。参考JTG3362一2018公路钢筋混凝土及
17、预应力混凝土桥涵设计规范7 中关于先张法钢束预应力处理方法,取锚固长度作为先张法和后张法的临界,即在锚固长度以内按照先张法考虑,锚固长度以外按后张法考虑。根据文献 7 可知,对先张法预应力混凝土构件端部区段进行正截面和斜截面抗裂验算时,预应力锚固长度范围内预应力钢束的实际应力值在构件端部取为0,在预应力锚固长度末端取有效预应力值,两点之间按直线变化取值pe。由于梁体切割属于骤然放松工艺,故l应从离构件末端0.2 5l处开始计算,即:lu=x%mxd。(1)fk式中:lu为锚固长度,mm。为预应力钢筋外形系数,7股钢绞线,=0.16螺旋肋钢丝,=0.14。为预应力钢束有效预应力值,MPa。fik
18、 为混凝土轴心抗拉强度标准值。d为预应力钢绞线公称直径,mm。预应力钢筋传递长度内有效预应力见图4。Journal of Municipal Technology第41卷钢绞线预应力损失主要有:预应力钢筋与管道壁之间的摩擦损失1,锚具变形、钢筋回缩和解封压缩损失12,预应力钢筋与台座之间的温差损失13,混凝土的弹性压缩损失14,预应力钢筋的应力松弛损失15以及混凝土的收缩和徐变损失16。在桥梁建成运营一段时间后钢绞线的预应力损失会全部完成,此时钢绞线有效预应力为pe,在切割旧桥时,钢绞线也被切断,端部回缩会产生新的钢筋回缩损失i2,此时梁体内钢绞线有效预应力为:1)两端对称切割钢绞线:0(gm
19、-i)2%-(x 0.21.0.251l,x 1.251.);Ope=(2)2单端切割钢绞线:0pepe-O12式中:x为切割后钢束某一位置相对切割端部的距离,mm;l为切割后钢束投影长度,mm。对称结构两端对称切割钢绞线的预应力也是对称的,故式(2)仅给出了两端切割钢绞线一半的预应力。式(3)给出了单端切割钢绞线全束的预应力。周凌宇等 6 做过锚具失效后后张法预应力简支梁试验,即通过2 根切除锚具试验梁和1根对照梁的静载试验,研究了拆除锚具后预应力梁的受力性能,试验装置见图5,预应力钢束荷载-应变曲线见图6。(0 x0.25l)Ope-12(1.25lx0.5l)(0 x0.25lt)(1.
20、25lxl)(3)反力架横梁0000.25lf液压千斤顶压力传感器垫块一000000分配梁试验模型TTTTTTTTT图4预应力钢筋传递长度内有效预应力Fig.4 Effective prestress within the transfer length of prestressedreinforcementT1号墩图5试验装置图Fig.5Test device diagramTTTTTTTTTTT2号墩第9 期200160804000.0研究结果表明:切除锚具会导致预应力损失、降低消压荷载;预应力损失从梁端到跨中递减;切除锚具后梁体承载能力略下降;与对照梁相比,试验梁屈服荷载降低3.6%,极
21、限荷载降低10.4%。由于屈服荷载降低较小,在达到屈服荷载之前仍然可按正常状态考虑预应力钢束对结构的影响,因此建议在实际拆桥工程中,当拆除锚具后,在达到结构屈服荷载之前可按正常状态考虑预应力钢束对结构的作用。125B桥墩中心线800600600800王慧慧:钢绞线切断回缩对拆除预应力梁桥的影响研究320.51.0应变/(10-3)a)1/4跨1720DAD1,D21C1.C2A2,B2D3,D4C3,C42392001601208040011.52.0注:1为试验梁A;2 为试验梁B;3为对照梁C。图6 预应力钢束荷载-应变曲线Fig.6 Load-strain curves of prest
22、ressed tendons小主要取决于钢束的粘结性能,钢束的粘结性能则与施工时预应力管道压浆质量密切相关。通常情况下,试验室压浆十分密实,质量较好,而现场施工压浆质量不能保证,因此梁体切割后残余的有效预应力比试验结果更小。切割现场钢绞线回缩不一的现象也印证了这一点。切割梁段实际预应力钢束布置见图7。1720125B桥跨中心线800A1,B1A1,B1梁体中心线A3,B3A3,B322.53.03102应变/(10-3)b)跨中后张法预应力钢束被切断后其残余预应力大G1,G2F1.F21A2,B2G3,G4F3,F4/48006桥墩中心线6006008图7 切割后实际预应力钢束布置图(cm)F
23、ig.7 Layout of actual prestressed steel tendon after being cutted以预应力钢束A1为例,考虑收缩徐变17 年后切割端部有效预应力为8 9 9.352 MPa,切割后A1钢束预应力传递长度为:899.352l=0.16V19 15.24=3.983 m。2.4根据上述分析,切割后连续梁桥A1钢束预应力理论分布见图8。由图8 可知,钢束中段仍属于后张法预应力范畴,在切割端部其表现为类似于先张法预应力,后文简称为“先张十后张”预应力。3.2钢绞线回缩预应力模拟为探究钢绞线回缩对梁体受力性能的影响,假定所有钢绞线回缩量一致,在MidasF
24、EA软件中采用后张法模拟钢束中间段预应力,并通过钢束长度变化模拟钢束端部预应力。因此,在模型中输人锯齿状钢束简单模拟钢束切断后“先张十后张”预应24010008006004002000-5051015 2025303540钢束长度/m图8 A1钢束预应力理论分布图Fig.8 Theoretical distribution of A1 steel bundle prestressOA3B3A2,B20ALB1a)输人模型钢束Journal of Municipal Technology+切割前-切割后。C 1oD1C2D2oD3oC3。D 4oC4第41卷力。边跨切割后连续梁模拟预应力分布钢束
25、布置见图9。切割后的A、B钢束规格相同,预应力和长度均接近,故可以看作为相同的部分。A、B钢束共有6 根,因此分为3组,简要模拟锚固长度内梁体预应力的直线变化段,即:A1和A3为1组设置同一个起始坐标,在1/3l处开始施加预应力;B1和B3为1组,在2/3l处开始施加预应力;A2和B2为1组,在处开始施加预应力。同理,输人C、D 钢束。所有钢束的起始点预应力设为张拉控制应力,通过后张法施加预应力。切割后中跨梁体的模型边界条件和预应力钢束布置见图10。A2B2B1B3梁体中心线A1A30.25lb)A、B钢束分段图9 模拟预应力分布钢束布置图Fig.9 Layout of simulated p
26、restressed distributionD2D3C2C3D1D4C1C40.25lmc)C、D 钢束分段110图10 模型边界和预应力钢束布置图Fig.10 Model boundary and layout of prestressed steel tendon3.3不同回缩量对梁体受力性能的影响不同钢绞线回缩工况下梁体挠度见图11,应变见图12。由图11、12 可知,随着钢绞线回缩量的增大,梁体在简支状态下挠度逐渐增大,最大拉、压应变也逐渐增大。可见,钢绞线回缩对结构是不利的,若钢绞线无回缩,则结构变形和应变都会较小,对结构更有利。拆除前收集了旧桥的设计图纸和施工记录,得知现场钢绞线
27、张拉、灌浆等均严格按设计图纸施工。切割后发现钢绞线位置准确,锈蚀轻微,灌浆质量良好,但存在少数空洞,初步判断钢绞线预应力损失约2 0%,按照预应力损失为2 0%计算梁体变形和应变,其结果见图13。10090图11不同钢绞线回缩工况下梁体挠度图Fig.11 Deflection diagram of the beam under different retractionconditions由图13可知,简支状态下跨中挠度为9 4.1mm,最大压应变为1.1110-3,最大拉应变为9.0 410-4,跨中压应变为4.8 10 4,拉应变为1.0 10-4。综合以上分析可知,当预应力损失为2 0%时
28、,结构在切割后简支状态是安全的。010钢绞线回缩量/mm20304050第9 期1.510-31.010-35.010-4图12 不同钢绞线回缩工况下梁体应变图Fig.12 Strain diagram of the beam under dfferent retractionconditions王慧慧:钢绞线切断回缩对拆除预应力梁桥的影响研究+主拉应变-主压应变010钢绞线回缩量/mm2414实际收缩量与结构安全性验证根据前述分析,设切割面某根钢绞线初始预应力为pe,在锚固长度l末端钢绞线预应力为pel,该段钢绞线长度近似取为水平长度1.2 5l,则锚固长度末端为切割前后预应力变化结束点。切
29、割前切割面至锚固末端钢绞线伸长量为l1,切割后切割面至锚固末端钢绞线伸长量为l2,可得到钢绞线理论回缩量l:L=m=gml 1.25le;(4)20304050E0-0ml1.25lr;12=EA/=li-l-=m=-0m-(0-0ml)x2 1.25l=-r1.25lt(6)E(5)Ea)梁体挠度Fig.13 Structural response of mid-span beam section under simply supported condition when prestress loss is 20%以A1钢束为例,代入公式可得:A/=_899.3521.253.9831 00
30、0=23mm。1.95105A1钢束理论回缩量为2 3mm,与现场观测到的回缩量2 4cm是一致的,说明现场灌浆质量良好,钢绞线额外回缩较小,预应力损失较少。当钢绞线回缩量达到50 mm时,钢绞线预应力损失超过8 0%,因此可以认为钢绞线回缩超过50 mm时预应力已全部失效,应按普通钢筋考虑。为预估钢绞线回缩对梁体的影响,可通过现场观察测量到的钢绞线回缩量预估预应力损失度S。设现场测量钢绞线回缩量为l,则单根钢绞线预应力损失度为:100%;50结构整体预应力损失度为:(S:xA.)nS=EI式中l为第i根钢绞线现场实测回缩量,mm;l;为第i根钢绞线理论计算回缩量,mm;S,为第i根钢绞线预应
31、力损失度;A,为第i根钢绞线截面面积,mm;S为结构整体预应力损失度。b)梁体主压应变图13预应力损失2 0%时跨中梁段在简支状态下结构响应均值为30 mm,顶板束位置由于缺少测量数据,且顶板束较短,不起控制作用,因此用腹板束预应力损失度作为全桥预应力损失度,计算得到全桥预应力损失度约为S=30-23100%=14%。该结果侧面说明50了该桥现场预应力管道压浆质量良好,但旧桥拆除施工时,结构预应力损失不可忽略,可按14%考虑,比初步估计预应力损失要小一些。综合以上分析可知,梁体在施工各阶段均是安全的。笔者关于钢绞线回缩的分析都是基于所有钢绞线同时回缩一定数值考虑的,但实际上现场存在部分顶板束灌
32、浆质量好,基本无回缩,因此实际情况(7)会比上述分析更有利。5结 论笔者研究了某连续梁桥切割移运过程中钢绞线(8)回缩对拆除该预应力梁桥的影响,得到如下结论:1)通过MidasFEA模拟得出该梁体在切割后的简支状态下,最大压应变为1.2 410-3 1.0 10 4,全桥有32.9%的单元会被拉裂,结构安全富余度偏小,有必要考虑切割后(下转第2 48 页)c)梁体主拉应变该工程切割后梁体跨中段腹板束钢绞线回缩平市放技术248Journal of Municipal Technologyergyplus simulation programJ.Energy and buildings,2017,
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37、线残余预应力对结构的影响。2)确定了切割后连续梁桥的“先张十后张”理论预应力分布,并通过后张法施加预应力,采用锯齿状钢束模拟端部“先张”预应力,认为梁体在简支状态下的挠度和最大拉压应变随着钢绞线回缩量的增大而增大;根据现场情况预估的钢绞线预应力损失为2 0%,该情况下梁体在施工各阶段均安全。3)根据梁体切割后实际钢绞线回缩量计算得到全桥预应力损失度约为14%,印证了梁桥切割移运方案的安全性。参考文献1顾海东.陆地上的超级大力士SPMT模型赏析及实车揭秘 J.专用汽车,2 0 15,2 12(1):7 2-7 6.(GUHD.Superherculeson land:SPMT model app
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42、主要研究方向为可再生能源开发、利用和建筑节能。陈昊,男,教授,博士,主要研究方向为交通新能源开发与应用。吴巧兰,女,在读硕士研究生,主要研究方向为可再生能源开发与利用。曲华,女,在读硕士研究生,主要研究方向为可再生能源开发与利用。in severed prestressed strandsJ.Journal of bridge engineering,2011,16(3):431-437.【4李富民,袁迎曙.腐蚀钢绞线与混凝土的长期黏结变性能试验研究 J.工业建筑,2 0 12,42(2):7 0-7 3,18.(LIFM,YUANY S.Experimental study on behav
43、ior of long-term bond-creepbetween corroded steel strands and concrete J.Industrial con-struction,2012,42(2):70-73,18.)5马亚飞,李晶,苏小超,等.锚固区钢绞线锈断PC梁黏结性能退化试验研究 J.铁道科学与工程学报,2 0 2 1,18(4):9 6 6-9 7 5.(MA Y F,LI J,SU X C,et al.Experimental investigation onbond behavior of PC beams with strand corrosion in a
44、nchoragezoneJ.Journal of railway science and engineering,2021,18(4):966-975.)【6 周凌宇,薛宪鑫,尹国伟.锚具失效后后张法预应力简支梁试验研究 J.中南大学学报(自然科学版),2 0 19,50(1):10 0-10 7.(ZHOU L Y,XUE X X,YIN G W.Experimental study of post-tensioned prestressed simply-supported beam after anchoragefailureJ.Journal of Central South Univ
45、ersity(science and tech-nology),2019,50(1):100-107.)【7 中华人民共和国交通运输部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范:JTG33622018S.北京:人民交通出版社股份有限公司,2 0 18.(Ministry of Transportof the PeoplesRepublic of China.Specification for design of highway reinforcedconcrete and prestressed concrete bridges and culverts:JTG 3362-2018S.Beijing:China Communications Press Co.,Ltd.,2018.