預應力新技術在連續(xù)梁橋的應用
2012-02-08 來源：中國百科網(wǎng)
1、引言
預應力砼結構較普通鋼筋筋結構不僅用料省，且使用性能好，但其施工工藝復雜，技術要求甚高，在一定程度上阻礙了預應力的進一步發(fā)展和推廣應用。為簡化預應力砼的施工工藝人們曾進行多方面的努力，預彎復合梁 即是其中之一，該梁既具有預應力梁良好的使用性能，又省去了常規(guī)預應力所必須的留孔、穿索、張拉、錨固、壓漿、封錨等一整套工序，施工工充得到簡化，但其用鋼量卻急刪增加，以致在大多數(shù)國家和地區(qū)難以推廣應用?？梢姡F(xiàn)有的預應力砼結構左良好的使用性能、用料的經(jīng)濟性及施工的簡易性三方面并未達到完美的統(tǒng)一，尚需我們做出不斷的努力，為此周志詳副教授提出預彎預應力鋼筋砼（以下簡記為PFRC）梁的設想，并在三跨連續(xù)梁橋上進行應用研究，以期求得一種更合理和經(jīng)濟的結構及預應力施工工藝。
2、PFRC梁的工藝及原理
現(xiàn)以簡支梁為例，說明PFRC梁的施工工藝及預應力原理：
（1）按鋼筋砼梁方式制作，具有適當預拱度的梁體，與鋼筋砼梁所不同的是PFRC梁受拉主筋宜采用冷拉粗鋼筋，并需在梁的受拉邊可能出現(xiàn)裂縫兇區(qū)域設置預留槽口該區(qū)段內(nèi)的主筋凈保護層厚度取為箍筋的直徑。
（2）對許梁施加預定的豎向荷載p，此時，在預留槽口的頂端會出現(xiàn)裂縫。
?。?）綁扎受拉邊翼緣的構造鋼筋（注意插入式馬蹄箍筋應通過預留槽口插入先澆梁體內(nèi)澆注該翼緣的砼）。
?。?）待后澆受拉邊翼緣砼達到強度后，卸除預加荷載P.
現(xiàn)依據(jù)容許應力法理論對梁在上述預加載和卸載過程中跨中截面應力的變化分析如下。
對設有預留糟口的鋼筋砼梁作預加載時的計算截面及應力分布，此時梁的受拉力已開裂（預留槽口的存在即人為地規(guī)定了裂縫出現(xiàn)的位置及間距），受拉區(qū)僅計入主筋的作用。若換算截面對其重心軸的慣性距為I01，則在預加荷載彎矩MY的作用下上緣砼的壓應力σh1和受拉鋼筋的應力σg1分別為：
σh1=MYX1/I01（壓）
σg1=nMY（h-X1）/I01（拉）
式中n表示鋼筋彈性模量與砼彈性模量之比，X1為上緣至中性軸的距離。
在后澆下翼緣砼到強度后，卸除預加荷載p相當于梁施加了反向的預加載p，因此跨中截面受到了負彎矩MY的作用，此時梁的下半部分后澆下罷緣砼將參與受力，其計算載面及應力分布，設換算截面對其重心軸的性矩這I02，則梁緣上下邊緣砼的應力σh2、σh3和鋼筋的應力σg2分別為：
h2=MYX2/I02（拉）
σh3=nMY（h-X2）/I02（壓）
σg2=nMY（h0-X2）/I02（壓）
式中X2為上緣到中性軸的距離。
梁截面的實際應力分布為單獨考慮預加載和卸除預加載兩種情況載面應力的迭加，幫梁的上、下邊緣砼應力σhs和σhx及主筋應力σg分別為：
σhs=σh1-σh2=MY（X1/I01-X2/I02）（壓）（1）
σhs=σh3=MY（h-X2）/I02（壓）（2）
σg=σg1-σg2=nMY[（h0-X1）/I01-（h0-X2）/I02]（拉）（3）
若梁在使用荷載作用下所受到的彎矩為M，則梁上、下邊緣鹼的應力分別為：
σhs=MY（X1/I01-X2/I02） MX2/I02（4）
σhs=（MY-M）（h-X2）/I02（5）
由（5）式可見梁在不大于預0加荷載彎上MY，的作用下，其后澆下翼緣砼內(nèi)不出現(xiàn)拉應，（暫不計砼收縮，徐變及鋼筋松馳的影響），即該梁的下翼緣右以具有足夠大的抗裂度，故梁，主筋得到可靠的保護，在使用荷載作用下梁截面的抗彎剛度因下翼緣砼參與工作而得到顯著提高，其計算剛度與同截面的常規(guī)預應力砼梁相差元幾，該梁的梁腹雖然尚存裂縫，但這些，縫并不穿過梁內(nèi)受力鋼筋（受拉主筋和箍筋）且不影響結構的受力狀況，從鋼筋砼的觀點看，念些裂縫是允許存在的。
由此可見PFRC 梁是通過在鋼筋砼梁受載條件下二次澆注受拉邊翼緣砼來代替常規(guī)預應力砼中的張拉鋼盤，使后澆翼緣砼借助卸載時梁內(nèi)主筋的彈性恢復獲得所需要的預應力。為此，在先澆梁體的受拉邊設看預留槽口是十分必要的，它具有如下凡個作用：①充當新、舊砼結合界面的剪力槽；②人為地控制荷載下裂縫出現(xiàn)的位置及間距，③便于后澆翼緣的插入式馬蹄箍伸人先澆梁體內(nèi)，進一步保證新、舊砼結合的整體性；④確保受控邊翼緣范圍內(nèi)封無原發(fā)裂紋存在，使整個翼緣都受到應力的作用。
3、試驗研究簡況
3.1試驗梁的制作
第一批試驗梁共5片，用于短期靜載試驗，其中4片為
PFRC梁，余下的一片為與之比較，鋼筋砼梁（一次澆成，不作預加載處理），編號為RCL10-00.0.在 PFRC先澆粱體中，以高5cm，厚2-3cm的楔形木板形成預留槽口，在預加載條件下4片PF梁的純彎段及其附近區(qū)域內(nèi)每一個預留槽口的頂端都對應有一條裂縫（其寬度＜0.04cm），在兩相鄰預留槽口之間未發(fā)現(xiàn)新的裂縫產(chǎn)生，表明預留槽口達到了人為控制裂縫出現(xiàn)的位置及間距的目的，對梁下緣砼表面進行打毛后邦扎受拉翼緣構造鋼筋（縱筋和插入式馬蹄箍箭），用高流動性普通水泥砼（坍度為10cm）灌注受拉翼緣砼，并對此砼加強養(yǎng)護、直到卸除預加載時均未發(fā)現(xiàn)后澆砼表面有收縮裂縫產(chǎn)生。
3．2試驗方法
本次試驗的目的在于考查瑯梁通過預加載條件下二次澆注受校邊翼緣砼的處理，是否能夠達到推遲開裂和提高粱的抗彎剛度效果，為此開裂荷載和梁的變形成為試驗觀測的重要內(nèi)容。同時考慮到工程實踐中多數(shù)結構都承受循環(huán)荷載的作用，故首先對每梧梁進行三次靜力循環(huán)加載試驗，借以獲取一些梁在多次重復荷載下的試驗數(shù)據(jù)，之后即對梁繼續(xù)加載至破壞。
3.3梁的開裂
5片試驗梁的第一條裂縫均為彎曲裂縫。PCL10 -0.0在第一靜載的第2.5級荷載下即在跨中下緣位置產(chǎn)生第一條裂縫。其寬度為0.01mm，高度為3cm，其余各梁（PFRC梁）的下翼緣在前二次靜力加載、卸載的過程中均未發(fā)現(xiàn)裂縫，第一條裂縫均在第三次加載下產(chǎn)生，其寬度為0.02-0.03mm，高度2-3cm，試驗表明，PF梁下翼緣第一條裂縫出現(xiàn)的位置與先澆梁體預留槽口的位置并無必然的聯(lián)系。不難得到PFRC梁的抗裂彎Mf為：
Mf=My rR1Wox（6）
其中：My為預加載產(chǎn)生的彎矩；r為塑性影響系數(shù)；Wox為扣除梁腹已裂部分的換算截面對受控邊緣的抵抗矩；R1為下緣鹼的抗拉強度。試驗表明，梁的實測抗裂變矩與按（6）式得到的計算相吻合，從而在理論和試驗兩方面都證實了：通過預加載條件下二次澆注受拉邊翼緣砼的處理后的梁，可以推遲受控翼緣砼的開裂至希望程度。
3．4粱的撓度
PCL 梁在第一次靜力加載后的殘余撓度數(shù)值因故未獲得，在第二次靜載后測得殘余撓度為0.18cm（不包含第一次靜載后殘余撓度），據(jù)結構承受靜力循環(huán)荷載的一般規(guī)律可以推知，其第—次靜載后的殘余撓度將大于0.18cm，該梁在第二次靜載時各級荷載的撓度較第一次靜載時對應的撓度值有大幅度的增加，第三次靜載的撓度亦大于第一次撓度，說明該梁的彈性恢復能力較差，此為RC梁的一大缺點，而4根PF粱在第一次靜載后的殘余撓度均在0.10-0.08cm，第二次卸載至0后幾乎未發(fā)現(xiàn)新的殘余撓度產(chǎn)生。且三次靜載下各級荷載對應的撓度無明顯差異，表明PF梁在下翼緣開裂前具有較強的彈性恢復能力，即具有常規(guī)預應力砼梁的特點。
綜上所述，PFRC不僅具有較強的彈性恢復能力，而且具有足夠大的剛度，保持了常規(guī)預應力鹼梁的優(yōu)越性，且避免了常規(guī)預應力砼粱因預應力度過大而引起的一些矛盾。
3.5長期受載情況
在靜載試驗的同期，還做了2片梁的室外長期加載試驗，梁的截面同靜載試驗梁，主筋為冷拔鋼絲，所受荷載為該梁預計使用荷載的75％（相當于橋梁恒載），經(jīng)長達—年的長期觀測表明，梁的撓度和腹部裂縫寬度元明顯變化，梁的下翼緣未發(fā)現(xiàn)裂縫。
4、PFRC在連續(xù)梁橋中的應用
4.1橋梁概況
民生橋位于四川省名山縣城中心，為跨越名山河連接兩岸主街道的城市橋梁，橋寬
20m，橋軸線與河床軸線的交角為45°，主梁全長61m，設計荷載為-20，掛-100，人群400km/m2.原設計上部結構為3跨20m跨徑的后張預應力砼簡支斜梁嬌，橋梁橫斷面由12片T形梁構成，下部構造為重力式墩臺。
4.2結構設計
經(jīng)綜合考慮用材的經(jīng)濟性，施工的簡易性及良好的使用性，本橋更改為三跨連續(xù)斜粱橋，橋梁橫斷面由4片現(xiàn)澆砼T型梁構成，主梁間距380cm，高130cm.
設計中著意減小了主粱彎矩粱段的剛度，增大了負彎短梁的剛度，從而減小了正彎矩粱段的長度及彎矩峰值，增大了負彎矩粱段的長度及彎矩峰值，故在正彎矩梁段按普通鋼筋砼粱設計，避免了在下翼緣進行二次澆注砼，在負彎矩梁段按PFRC粱設計，預應力鋼筋采用冷拉Ⅳ級鋼筋，預加載下需在主梁頂面進行的二次澆注砼可與橋面鋪裝同期進行，施工工序與普通鋼筋砼相近，卻節(jié)省了大量鋼材并增加了橋梁的使用性能。
主梁內(nèi)力分析采用橋粱專用程序計算，正彎矩梁段按普通鋼筋砼梁（RC 梁）設計，負彎矩梁按PFRC梁設計，其極限承載力滿足規(guī)范的要求，梁在施工及使用階段的應力驗算滿足《橋規(guī)》的要求，預加載階段的計算截面為扣除受拉區(qū)砼面積的換算截面，卸除預加載及其以后的使用階段的計算截面為扣除梁腹己裂部分砼面積（計人后澆砼面積）的換算截面。主梁斜截項按普通鋼筋砼梁進行強度設計。
4.3施工要點
為減少旋工費用，避免大型起吊設備的使用，本橋主梁擬定為就地支架立?，F(xiàn)澆砼，其主要步驟如下：
?。?）支架立模澆注主梁及RC梁段的橋道板砼；
?。?）待主梁砼達到14d齡期和80％的設計強度后拆除支架；
?。?）安裝人行道板及澆注RC梁段的橋面鋪裝；
?。?）對橋進行預加載；
?。?）用微膨脹砼澆注PFRC梁段的橋道板和橋面料裝砼，要求灌滿全部預留槽口，
?。?）待砼達14d齡期后，卸除預加荷載，該橋于1995年12月18日建成通車。
5、效益分析
目前國內(nèi)外常用的預應力砼有兩種，即常規(guī)預應力砼梁（簡記為TPC；通過張拉綱筋使砼獲得所需的預應力）和預彎復合梁（簡記為PFRC；借助受載后的鋼梁在卸載時的彈性恢復并獲得砼所需的預應力）。
PFRC 梁較TPC梁簡化了施工工藝，省去了TPC所必須的留孔、穿索、錨固、灌漿、封錨等一系列復雜的工藝，且不用張拉機具，降低了施工技術要求，無需錨具及錨下墊板和局部加強鋼筋，受拉主箭可根據(jù)強度要求在適當?shù)奈恢们袛?，放可?jié)省材料：PFRC中砼所獲得的預應力與梁抵抗外荷載所需的預應力的分布及大小相吻合，其預加載方式與使用階段梁受載情況一致，預加載過程即對梁進行一次質(zhì)量檢驗，故受力合理，使用安全。
與PFSC相比PFRC用鋼量顯著減少，施工更為簡便，適用性廣。
在名山民生橋應用PFRC 技術，與原設計常規(guī)預應力砼梁相比，節(jié)省XM157-7型鋼絞線群錨240套，φ65波紋管2500m，省去了張拉設備，簡化了施工工藝，全橋所需人工減少2953個工日，因采用連續(xù)梁橋減小了支座數(shù)量，使橋梁墩臺圬工數(shù)量減少約670m3，總計使橋梁造價降低38萬元，占全橋總造價的21.6％。連續(xù)梁橋方案在梁高不變的條件下增大了主孔跨徑，利于排洪和與環(huán)境的協(xié)調(diào)，具有明顯的社會效益。
6、結論
（1）試驗研究和理論分析表明：PFRC梁通過預加豎向荷載條件下后澆受拉力翼緣砼的工藝處理后、能夠達提高梁的正截面抗裂度和抗彎剛度之目的，且較常規(guī)應力砼梁施工簡便，受力合理，較預復合梁節(jié)省鋼材，故PFRC技術是合理可行的。
?。?）PFRC梁不僅在名山縣民生橋三跨連續(xù)梁上得到成功應用，而且在四川德陽旌湖大橋和永川市通興橋上也成功應用，表明其在工程實踐中切實可行，并取得明顯的技術經(jīng)濟效益。
?。?）PFRC梁在設計理論和施工工藝方面尚有待于進一步的研究和完善。
