[文章]：预应力新技术在连续梁桥的应用研究

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预应力新技术在连续梁桥的应用研究




摘　要：作者依据预弯复合梁原理研制出一种新的预应力砼梁——预弯应务钢筋砼梁（以下简记为PFRC梁，中国专利号Z942272220103），该桥基于普通钢筋砼梁的施工方式，经过预加载条件下，二次优做受拉边砼的技术处理来达到预应力效果。本文简述了PFRC梁的制作工艺及原理，介绍了实验研究结果及其在三跨连续桥（四川省各山县民生桥）的应用情况及效益分析。
关键词：预应力新技术　连续梁桥　试验研究　应用　效益

１　引言

　　预应力砼结构较普通钢筋筋结构不仅用料省，且使用性能好，但其施瓜工艺复杂，技术要求甚高，在一定程度上阻碍了预应力的进一步发展和推广应用。为简化预应力砼的施工工艺人们曾进行多方面的努力，预弯复合梁[1]即是其中之一，该梁既具有预应力梁良好的使用性能，又省去了常规预应力所必须的留孔、穿索、张拉、锚固、压浆、封锚等一整套工序，施工工充得到简化，但其用钢量却急删增加，以致在大多数国家和地区难以推广应用。可见，现有的预应力砼结构左良好的使用性能、用料的经济性及施工的简易性三方面并未达到完美的统一，尚需我们做出不断的努力，为此周志详副教授提出预弯预应力钢筋砼（以下简记为PFRC）梁的设想，并在三跨连续梁桥上进行应用研究，以期求得一种更合理和经济的结构及预应力施工工艺。

２　PFRC梁的工艺及原理

　　现以简支梁为例，说明PFRC梁的施工工艺及预应力原理：

　　（1）按钢筋砼梁方式制作，具有适当预拱度的梁体，与钢筋砼梁所不同的是PFRC梁受拉主筋宜采用冷拉粗钢筋，并需在梁的受拉边可能出现裂缝凶区域设置预留槽口该区段内的主筋净保护层厚度取为箍筋的直径。

　　（2）对许梁施加预定的竖向荷载ｐ，此时，在预留槽口的顶端会出现裂缝。

　　（3）绑扎受拉边翼缘的构造钢筋（注意插入式马蹄箍筋应通过预留槽口插
入先浇梁体内浇注该翼缘的砼。

　　（4）待后浇受拉边翼缘砼达到强度后，卸除预加荷载Ｐ。
a.制作预留槽口钢筋砼梁
b.预加荷载
c.后浇下翼缘砼

　　现依据容许应力法理论对梁在上述预加载和卸载过程中跨中截面应力的变化分析如下。
　　对设有预留糟口的钢筋砼梁作预加载时的计算截面及应力分布，此时梁的受拉力已开裂（预留槽口的存在即人为地规定了裂缝出现的位置及间距），受拉区仅计入主筋的作用。若换算截面对其重心轴的惯性距为I01，则在预加荷载弯矩MY的作用下上缘砼的压应力σh1和受拉钢筋的应力σg1分别为：

σh1=MYX1/I01　　　　　　　（压）

σg1=nMY(h-X1)/I01　　　　（拉）

　　式中n表示钢筋弹性模量与砼弹性模量之比，X1为上缘至中性轴的距离。

　　在后浇下翼缘砼到强度后，卸除预加荷载ｐ相当于梁施加了反向的预加载
ｐ，因此跨中截面受到了负弯矩MY的作用，此时梁的下半部分后浇下罢缘砼将参与受力，其计算载面及应力分布如图2(b)所示，设换算截面对其重心轴的性矩这I02，则梁缘上下边缘砼的应力σh2、σh3和钢筋的应力σg2分别为：

h2=MYX2/I02　　　　　　　　　　（拉）

σh3=nMY(h-X2)/I02　　　　　　　（压）

σg2=nMY(h0-X2)/I02　　　　　　（压）

　　式中X2为图2(b)中上缘到中性轴的距离。

　　梁截面的实际应力分布为单独考虑预加载和卸除预加载两种情况载面应力的迭加（图２（C）），帮梁的上、下边缘砼应力σhs和σhx及主筋应力σg分别为：

σhs=σh1-σh2=MY(X1/I01-X2/I02)　　　　　　　（压）　　　　　（１）

σhs=σh3=MY(h-X2)/I02　　　　　　　　　　　（压）　　　　　（２）

σg=σg1-σg2=nMY[(h0-X1)/I01-(h0-X2)/I02]　　（拉）　　　　　（３）

　　若梁在使用荷载作用下所受到的弯矩为Ｍ，则梁上、下边缘硷的应力分别为：

σhs=MY(X1/I01-X2/I02)+MX2/I02　　　　　　　　　　　　　　　　（４）

σhs=(MY-M)(h-X2)/I02　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）

　　由（5）式可见梁在不大于预０加荷载弯上MY，的作用下，其后浇下翼缘砼内不出现拉应，（暂不计砼收缩，徐变及钢筋松驰的影响），即该梁的下翼缘右以具有足够大的抗裂度，故梁，主筋得到可靠的保护，在使用荷载作用下梁截面的抗弯刚度因下翼缘砼参与工作而得到显著提高，其计算刚度与同截面的常规预应力砼梁相差元几，该梁的梁腹虽然尚存裂缝，但这些，缝并不穿过梁内受力钢筋（受拉主筋和箍筋）且不影响结构的受力状况，从钢筋砼的观点看，念些裂缝是允许存在的。

　　由此可见PFRC梁是通过在钢筋砼梁受载条件下二次浇注受拉边翼缘砼来代替常规预应力砼中的张拉钢盘，使后浇翼缘砼借助卸载时梁内主筋的弹性恢复获得所需要的预应力。为此，在先浇梁体的受拉边设看预留槽口是十分必要的，它具有如下凡个作用：①充当新、旧砼结合界面的剪力槽；②人为地控制荷载下裂缝出现的位置及间距，③便于后浇翼缘的插入式马蹄箍伸人先浇梁体内，进一步保证新、旧砼结合的整体性；④确保受控边翼缘范围内封无原发裂纹存在，使整个翼缘都受到应力的作用。

３　试验研究简况

３.１　试验梁的制作

　　第一批试验梁共５片，用于短期静载试验，其中４片为PFRC梁，余下的一片为与之比较，钢筋砼梁（一次浇成，不作预加载处理），编号为RCL10-00.0。在PFRC先浇粱体中，以高5cm，厚２-３cm的楔形木板形成预留槽口，在预加载条件下４片PF梁的纯弯段及其附近区域内每一个预留槽口的顶端都对应有一条裂缝（其宽度＜0.04cm），在两相邻预留槽口之间未发现新的裂缝产生，表明预留槽口达到了人为控制裂缝出现的位置及间距的目的，对梁下缘砼表面进行打毛后邦扎受拉翼缘构造钢筋（纵筋和插入式马蹄箍箭），用高流动性普通水泥砼（坍度为10cm）灌注受拉翼缘砼，并对此砼加强养护、直到卸除预加载时均未发现后浇砼表面有收缩裂缝产生。

３．２　试验方法

　　本次试验的目的在于考查琅梁通过预加载条件下二次浇注受校边翼缘砼的处理，是否能够达到推迟开裂和提高粱的抗弯刚度效果，为此开裂荷载和梁的变形成为试验观测的重要内容。同时考虑到工程实践中多数结构都承受循环荷载的作用，故首先对每梧梁进行三次静力循环加载试验，借以获取一些梁在多次重复荷载下的试验数据，之后即对梁继续加载至破坏。

３.３　梁的开裂

　　５片试验梁的第一条裂缝均为弯曲裂缝。PCL10-0.0在第一静载的第２.５级荷载下即在跨中下缘位置产生第一条裂缝。其宽度为0.01mm，高度为３cm，其余各梁（PFRC梁）的下翼缘在前二次静力加载、卸载的过程中均未发现裂缝，第一条裂缝均在第三次加载下产生，其宽度为0.02-0.03mm，高度２-３cm，试验表明，PF梁下翼缘第一条裂缝出现的位置与先浇梁体预留槽口的位置并无必然的联系。不难得到PFRC梁的抗裂弯Mf为：

Mf=My+rR1Wox　　　　　　　　　　　　　　　　（６）

　　其中：My为预加载产生的弯矩；r为塑性影响系数；Wox为扣除梁腹已裂部分的换算截面（参见图2）对受控边缘的抵抗矩；R1为下缘硷的抗拉强度。

　　试验表明，梁的实测抗裂变矩与按（6）式得到的计算相吻合，从而在理论和试验两方面都证实了：通过预加载条件下二次浇注受拉边翼缘砼的处理后的梁，可以推迟受控翼缘砼的开裂至希望程度。

３．４　粱的挠度

　　PCL梁在第一次静力加载后的残余挠度数值因故未获得，在第二次静载后测得残余挠度为0.18cm（不包含第一次静载后残余挠度），据结构承受静力循环荷载的一般规律可以推知，其第—次静载后的残余挠度将大于0.18cm，该梁在第二次静载时各级荷载的挠度较第一次静载时对应的挠度值有大幅度的增加，第三次静载的挠度亦大于第一次挠度，说明该梁的弹性恢复能力较差，此为RC梁的一大缺点，而４根PF粱在第一次静载后的残余挠度均在0.10-0.08cm，第二次卸载至0后几乎未发现新的残余挠度产生。且三次静载下各级荷载对应的挠度无明显差异，表明PF梁在下翼缘开裂前具有较强的弹性恢复能力，即具有常规预应力砼梁的特点。

　　综上所述，PFRC不仅具有较强的弹性恢复能力，而且具有足够大的刚度，保持了常规预应力硷梁的优越性，且避免了常规预应力砼粱因预应力度过大而引起的一些矛盾。

３.５　长期受载情况

　　在静载试验的同期，还做了２片梁的室外长期加载试验，梁的截面同静载试验梁，主筋为　冷拔钢丝，所受荷载为该梁预计使用荷载的75％（相当于桥梁恒载），经长达—年的长期观测表明，梁的挠度和腹部裂缝宽度元明显变化，梁的下翼缘未发现裂缝。

４　PFRC在连续梁桥中的应用

４.１　桥梁概况

　　民生桥位于四川省名山县城中心，为跨越名山河连接两岸主街道的城市桥梁，桥宽20m，桥轴线与河床轴线的交角为45°，主梁全长61m，设计荷载为-20，挂-100，人群400km/m2。原设计上部结构为３跨20m跨径的后张预应力砼简支斜梁娇，桥梁横断面由12片Ｔ形梁构成，下部构造为重力式墩台。

４.２　结构设计

　　经综合考虑用材的经济性，施工的简易性及良好的使用性，本桥更改为三跨连续斜粱桥，桥梁横断面由４片现浇砼Ｔ型梁构成，主梁间距380cm，高130cm。
　　设计中着意减小了主粱弯矩粱段的刚度，增大了负弯短梁的刚度，从而减小了正弯矩粱段的长度及弯矩峰值，增大了负弯矩粱段的长度及弯矩峰值，故在正弯矩梁段按普通钢筋砼粱设计，避免了在下翼缘进行二次浇注砼，在负弯矩梁段按PFRC粱设计，预应力钢筋采用冷拉Ⅳ级钢筋，预加载下需在主梁顶面进行的二次浇注砼可与桥面铺装同期进行，施工工序与普通钢筋砼相近，却节省了大量钢材并增加了桥梁的使用性能。

　　主梁内力分析采用桥粱专用程序计算，正弯矩梁段按普通钢筋砼梁（RC梁）设计，负弯矩梁按PFRC梁设计，其极限承载力满足规范的要求，梁在施工及使用阶段的应力验算满足《桥规》的要求，预加载阶段的计算截面为扣除受拉区砼面积的换算截面，卸除预加载及其以后的使用阶段的计算截面为扣除梁腹己裂部分砼面积（计人后浇砼面积）的换算截面。主梁斜截项按普通钢筋砼梁进行强度设计。

４.３　施工要点

　　为减少旋工费用，避免大型起吊设备的使用，本桥主梁拟定为就地支架立模现浇砼，其主要步骤如下：

　　（1）支架立模浇注主梁及RC梁段的桥道板砼；

　　（2）待主梁砼达到14d龄期和80％的设计强度后拆除支架；

　　（3）安装人行道板及浇注RC梁段的桥面铺装；

　　（4）对桥进行预加载；

　　（5）用微膨胀砼浇注PFRC梁段的桥道板和桥面料装砼，要求灌满全部预留槽口，

　　（6）待砼达14d龄期后，卸除预加荷载，该桥于1995年12月18日建成通车。

５　效益分析

　　目前国内外常用的预应力砼有两种，即常规预应力砼梁（简记为TPC；通过张拉纲筋使砼获得所需的预应力）和预弯复合梁（简记为PFRC；借助受载后的钢梁在卸载时的弹性恢复并获得砼所需的预应力）。

　　PFRC梁较TPC梁简化了施工工艺，省去了TPC所必须的留孔、穿索、锚固、灌浆、封锚等一系列复杂的工艺，且不用张拉机具，降低了施工技术要求，无需锚具及锚下垫板和局部加强钢筋，受拉主箭可根据强度要求在适当的位置切断，放可节省材料：PFRC中砼所获得的预应力与梁抵抗外荷载所需的预应力的分布及大小相吻合，其预加载方式与使用阶段梁受载情况一致，预加载过程即对梁进行一次质量检验，故受力合理，使用安全。

　　与PFSC相比PFRC用钢量显著减少，施工更为简便，适用性广。

　　在名山民生桥应用PFRC技术，与原设计常规预应力砼梁相，节省XM157-7型钢绞线群锚240套，φ65波纹管2500m，省去了张拉设备，简化了施工工艺，全桥所需人工减少2953个工日，因采用连续梁桥减小了支座数量，使桥梁墩台圬工数量减少约670m3，总计使桥梁造价降低38万元，占全桥总造价的21.6％。连续梁桥方案在梁高不变的条件下增大了主孔跨径，利于排洪和与环境的协调，具有明显的社会效益。

６　结论

　　（1）试验研究和理论分析表明：PFRC梁通过预加竖向荷载条件下后浇受拉力翼缘砼的工艺处理后、能够达提高梁的正截面抗裂度和抗弯刚度之目的，且较常规应力砼梁施工简便，受力合理，较预复合梁节省钢材，故PFRC技术是合理可行的。

　　（2）PFRC梁不仅在名山县民生桥三跨连续梁上得到成功应用，而且在四川德阳旌湖大桥和永川市通兴桥上也成功应用，表明其在工程实践中切实可行，并取得明显的技术经济效益。

　　（3）PFRC梁在设计理论和施工工艺方面尚有待于进一步的研究和完善。