折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

1、折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用1.概述預(yù)應(yīng)力砼分先張和后張兩種工藝，就工藝對比可知先張預(yù)應(yīng)力混凝土便于工廠化預(yù)制，具有施工周期短、工序簡潔、節(jié)省材料、維修養(yǎng)護(hù)工程量少、耐久性好等特點(diǎn)，因而在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。先張梁與后張梁相比，雖然增加了預(yù)制場張拉臺座的工作量，卻可以省去成孔、穿束、壓漿工藝。更為重要的是，它完全避免了后張法中可能出現(xiàn)的堵孔、壓漿不密實(shí)、預(yù)應(yīng)力失控等影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量與耐久性的問題。很多預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的裂縫和持續(xù)下?lián)?，均與預(yù)應(yīng)力鋼材的后期銹蝕有關(guān)，而采用不正確的壓漿工藝和潮濕空氣的侵蝕是其中的主要原因。很明顯，如果采用先張法則可以很好地避免這些問題的出現(xiàn)，然因工

2、程習(xí)慣所限，傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土先張工藝一般均采用直線配筋，因而限制了其應(yīng)用范圍，導(dǎo)致20m跨以上的鐵路橋梁、30m跨以上的公路橋梁一般均采用后張法施工。為在較大跨度橋梁工程中應(yīng)用先張法，工程界開始關(guān)注折線配筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁的應(yīng)用研究，在這方面某些發(fā)達(dá)國家的研究應(yīng)用走到了我們的前面。為解決高原嚴(yán)寒地區(qū)橋梁耐久性問題我國鐵路部門在本世紀(jì)初于青藏鐵路建設(shè)中開始了折線配筋先張預(yù)應(yīng)力混凝土梁的研究與應(yīng)用，跨度為24米，繼而在合寧高速鐵路中得到了應(yīng)用，而在公路橋梁領(lǐng)域中，這項(xiàng)研究尚屬空白。為此河南省高速公路建設(shè)發(fā)展有限公司按王用中大師的建議，結(jié)合河南省高速公路建設(shè)的實(shí)際情況以“公路工程折線配筋先張法

3、預(yù)應(yīng)力混凝土梁的研究與應(yīng)用”為題開展了這項(xiàng)研究，經(jīng)近二年的努力基本解決了在公路工程中應(yīng)用折線配筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁的關(guān)鍵技術(shù)問題，并在河南驛宛高速公路淮河橋、嶺南高速公路黃鴨河大橋工程成功地應(yīng)用了該項(xiàng)研究成果。2.折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁的受力性能研究（1）7.5m先張、后張預(yù)應(yīng)力混凝土矩形梁受力性能對比試驗(yàn)試驗(yàn)梁梁高40cm，梁長7.5m，計(jì)算跨徑7.2m，按同一配筋情況作了先張梁4根，后張梁3根，試驗(yàn)時(shí)量了測施工階段的預(yù)應(yīng)力損失，進(jìn)行了先、后張法預(yù)應(yīng)力混凝土矩形梁在豎向荷載作用下的彎曲試驗(yàn)，以檢驗(yàn)梁在正常使用荷載下的變形和抗裂性能，測定梁的最大承載力，試驗(yàn)情況如圖1： (a)試驗(yàn)中量測變形

4、 (b)臨近破壞時(shí) (c)破壞情況 (d)彎剪區(qū)段裂縫圖1 先張法折線形預(yù)應(yīng)力筋7.5m跨矩形梁試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果如下表1表3。表1 折線先張梁和后張梁承載力比較梁編號實(shí)測極限彎矩Mu (kN.m)計(jì)算極限彎矩Muc (kN.m)Mu/Muc說 明XPB-1249.43180.731.380折線先張梁XPB-2225.43170.121.325折線先張梁XPB-3296.23219.801.348折線先張梁XPB-4255.43191.471.334折線先張梁HPB-1213.40182.501.169曲線后張梁HPB-2200.20170.301.176曲線后張梁HPB-3300.40233.10

5、1.289直線后張梁表2 折線先張梁和后張梁開裂彎矩比較梁編號實(shí)測開裂彎矩Mcr (kN.m)計(jì)算開裂彎矩Mcrc (kN.m)Mcr/Mcrc說 明XPB-167.95630.927折線先張梁XPB-271.267.20.943折線先張梁XPB-366.6764.80.971折線先張梁XPB-463.5367.21.05折線先張梁HPB-187.489.90.972曲線后張梁HPB-282.690.70.911曲線后張梁HPB-395.294.91.003直線后張梁表3 折線先張梁和后張梁破壞前撓度比較梁編號實(shí)測破壞前撓度f (mm)計(jì)算破壞前撓度f c (mm)f/f c說 明XPB-18

6、0.6594.030.858折線先張梁XPB-278.9888.070.897折線先張梁XPB-372.3086.700.834折線先張梁XPB-472.1980.000.902折線先張梁HPB-169.9875.460.927曲線后張梁HPB-265.3574.770.874曲線后張梁HPB-368.7388.530.776直線后張梁由對比試驗(yàn)可得出如下結(jié)論：1）折線先張預(yù)應(yīng)力梁彎起器處的摩擦損失可按課題組建議公式計(jì)算，計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果符合良好，且有一定的保證率。其余各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失可按公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D62-2004或混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2002

7、建議的公式計(jì)算；2）折線先張預(yù)應(yīng)力梁有足夠的承載力安全儲(chǔ)備，在達(dá)到設(shè)計(jì)破壞荷載的130%以上時(shí)才發(fā)生破壞，而曲線后張預(yù)應(yīng)力梁承載力的安全儲(chǔ)備較折線先張預(yù)應(yīng)力梁略低；3）折線先張預(yù)應(yīng)力梁的抗裂性略好于后張預(yù)應(yīng)力梁；4）在彎矩增大到開裂彎矩Mcr時(shí)（試驗(yàn)梁跨中截面已出現(xiàn)裂縫），彎起器上方混凝土的拉應(yīng)力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk，折線先張預(yù)應(yīng)力梁臨近破壞時(shí)彎起器鋼板與混凝土接觸面以及彎起器上面的混凝土并未出現(xiàn)裂縫，說明彎起能夠很好的與混凝土共同工作，不會(huì)造成彎起器處混凝土的提早開裂。（2）折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁鋼絞線應(yīng)力傳遞長度及錨固區(qū)砼應(yīng)力狀態(tài)研究先張法預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在切斷鋼絞線放張后，混凝土中

8、的有效預(yù)壓應(yīng)力是依靠鋼絞線和混凝土之間的粘結(jié)力逐漸建立起來的。在構(gòu)件的端頭，鋼絞線的拉應(yīng)力和混凝土的壓應(yīng)力均為零，隨著距構(gòu)件端頭距離的增大，從先張法構(gòu)件切斷鋼絞線的端部到構(gòu)件中鋼絞線的拉應(yīng)力達(dá)到最大有效拉應(yīng)力spe的距離稱為鋼絞線的預(yù)應(yīng)力傳遞長度ltr，在ltr范圍內(nèi)鋼絞線和混凝土的應(yīng)力分別從零逐漸增大到有效預(yù)拉應(yīng)力spe和有效預(yù)壓應(yīng)力spc，在先張法預(yù)應(yīng)力構(gòu)件端部區(qū)段的抗裂驗(yàn)算中應(yīng)考慮混凝土預(yù)壓應(yīng)力的變化。(a) TPB-1西端 (b) TPB-2西端圖2 鋼絞線預(yù)應(yīng)力傳遞長度計(jì)算圖2為本試驗(yàn)構(gòu)件端部區(qū)段實(shí)測的混凝土壓應(yīng)力分布和按JTG D62-2004、GB50010-2002規(guī)范計(jì)算的混

9、凝土壓應(yīng)力分布的比較，從圖中可以看出在構(gòu)件端部區(qū)段實(shí)測的混凝土壓應(yīng)力要大于按規(guī)范計(jì)算的壓應(yīng)力，說明先張法折線形預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力傳遞長度仍可按公路鋼筋混凝及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D62-2004或混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2002的規(guī)定計(jì)算，并有一定抗裂儲(chǔ)備。本項(xiàng)研究的初期，在驛宛高速公路淮河橋的第一片中梁和第一片邊梁的試制過程中由于35m箱梁端頭腹板的厚度原設(shè)計(jì)為30cm，而每側(cè)腹板錨固區(qū)的鋼絞線多達(dá)1214根，切斷鋼絞線后在錨固區(qū)的混凝土出現(xiàn)了裂縫。為此課題組對鋼絞線錨固區(qū)混凝土的局部應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析，采取了增大錨固區(qū)腹板的厚度、設(shè)置鋼絞線錨固失效段以及增設(shè)鋼筋網(wǎng)片

10、等措施，較好地解決了鋼絞線錨固區(qū)的混凝土出現(xiàn)裂縫的問題，保證了試點(diǎn)工程的成功。在此過程中曾對梁端局應(yīng)力作了有限元分析，有限元分析采用ANSYS軟件，共分4種工況進(jìn)行分析：其中工況1的箱梁腹板厚度為30cm，錨固區(qū)鋼絞線未設(shè)置錨固失效段（分析結(jié)果如圖3）；工況2的箱梁腹板厚度為30cm，錨固區(qū)鋼絞線設(shè)置錨固失效段；工況3的箱梁腹板厚度增大為40cm，錨固區(qū)鋼絞線未設(shè)置錨固失效段；工況4的箱梁腹板厚度增大為40cm，錨固區(qū)鋼絞線設(shè)置錨固失效段（分析結(jié)果如圖4）。圖3 工況1箱梁腹板鋼絞線錨固區(qū)混凝土拉應(yīng)力圖4 工況4箱梁腹板鋼絞線錨固區(qū)混凝土拉應(yīng)力根據(jù)有限元分析的結(jié)果，說明防止箱梁腹板鋼絞線錨固區(qū)

11、混凝土因局部應(yīng)力過大而開裂的有效措施是：增大錨固區(qū)腹板的厚度、并設(shè)置鋼絞線錨固失效段。早在50年代我國鐵道部門曾試制過跨度為31.7m折線配筋先張梁，采用置于梁體內(nèi)部的棗核形暗錨加強(qiáng)鋼絲錨固，由于錨固處的局部應(yīng)力，產(chǎn)生了許多放射狀裂縫，導(dǎo)致折線配筋先張預(yù)應(yīng)力梁的研究和生產(chǎn)被擱置。我們這次在折線先張預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的研究較好的解決了此問題。3.折線配筋預(yù)應(yīng)力混凝土先張梁的設(shè)計(jì)與荷載試驗(yàn)研究作為傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力砼施工工藝的一種，先張預(yù)應(yīng)力砼的設(shè)計(jì)理論是成熟的，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)已納入了現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，唯因折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁的實(shí)際應(yīng)用在我國尚在探索中，故與之相關(guān)的預(yù)應(yīng)力損失，折線筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，自錨段應(yīng)力分析，

12、折線段局部應(yīng)力等問題都有待深入；同時(shí)，設(shè)計(jì)中普遍使用的公路橋梁平面計(jì)算程序?qū)ο葟埛ㄔO(shè)計(jì)使用不多，故程序功能不如后張法完善，為此作為研究，本課題包括了如何使用通常的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁計(jì)算程序計(jì)算折線配筋預(yù)應(yīng)力混凝土先張梁的建議。通過7.5m小梁受力性能試驗(yàn)、12m跨折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁極限荷載試驗(yàn)、35m跨折線配筋預(yù)應(yīng)力砼小箱梁設(shè)計(jì)荷載試驗(yàn)與理論分析證明：公路折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁總體可按現(xiàn)行預(yù)應(yīng)力砼橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行，唯需注意以下幾點(diǎn)：（1）預(yù)應(yīng)力損失因折線配筋先張梁無管道摩擦損失，但是折線鋼束與彎起器之間卻存在摩擦，設(shè)計(jì)中應(yīng)注意用彎起器損失取代規(guī)范中的。根據(jù)摩擦力等于正壓力乘以摩擦系數(shù)的概念，

13、與7.5m小梁試驗(yàn)、35m小箱梁施工監(jiān)測可求得彎起器摩擦損失，式中為張拉控制應(yīng)力，為折線筋通過彎起器的折角。至于其它項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失則均可按規(guī)范計(jì)算。（2）彎折鋼束的強(qiáng)度折減應(yīng)用彎起器帶來的另一個(gè)問題應(yīng)是彎起預(yù)應(yīng)力束因折彎導(dǎo)致的強(qiáng)度折減，由試驗(yàn)研究知，其折減系數(shù)為（a 為角度，單位：度），于承力計(jì)算中應(yīng)用到此系數(shù)。（3）計(jì)算程序的使用折線配筋預(yù)應(yīng)力混凝土先張梁的設(shè)計(jì)計(jì)算，可采用一般公路橋梁通用計(jì)算軟件完成，由于程序?qū)φ劬€配筋先張梁的預(yù)應(yīng)力損失、彎起筋強(qiáng)度折減等因素沒有考慮，需要設(shè)計(jì)時(shí)有針對性地進(jìn)行調(diào)整，具體調(diào)整項(xiàng)目如下：折線先張梁的預(yù)應(yīng)力損失: 程序只能自動(dòng)計(jì)算（預(yù)應(yīng)力鋼筋的松馳損失）及（砼收縮和

14、徐變損失），為此應(yīng)先計(jì)算出各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失，輸入數(shù)據(jù)時(shí)，把折線鋼束和直線鋼束的設(shè)計(jì)張拉應(yīng)力扣除這部分損失值，作為計(jì)算張拉應(yīng)力輸入；先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋傳力長度：對先張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件端部區(qū)段進(jìn)行正截面，斜截面抗裂驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋傳力長度的影響，程序計(jì)算中為體現(xiàn)鋼筋的傳力長度，可采用按三個(gè)點(diǎn)分三次輸入鋼絞線數(shù)量的方法進(jìn)行模擬；折線鋼束的輸入：可采用小曲率半徑彎束來模擬折線鋼束；折線鋼絞線的靜力破斷強(qiáng)度折減：在進(jìn)行持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)，應(yīng)對折線預(yù)應(yīng)力鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度予以折減。依據(jù)上述設(shè)計(jì)方法，我們?yōu)楹幽象A宛高速公路設(shè)計(jì)了桐柏淮河橋（35m跨小箱梁）、為山東德商高速設(shè)計(jì)了鄄城黃河橋（引橋

15、50m折線先張T梁），取得了很好的效益，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性于施工現(xiàn)場作了35m跨折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁的設(shè)計(jì)荷試驗(yàn)（如圖5）。圖535m跨小箱梁荷載試驗(yàn)實(shí)景試驗(yàn)結(jié)果表明35m折線先張預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁跨中截面彎矩增加到正常使用極限狀態(tài)彎矩時(shí)，跨中截面處未扣除反拱的最大撓度僅為22.79mm，為計(jì)算跨度的1/1535；當(dāng)荷載彎矩增加到作用短期效應(yīng)彎矩時(shí)，梁底未出現(xiàn)裂縫，說明試驗(yàn)箱梁在正常使用極限狀態(tài)下的抗裂性能符合要求，當(dāng)荷載彎矩增加到設(shè)計(jì)極限彎矩（理論破壞彎矩）時(shí)，梁底仍未出現(xiàn)裂縫，說明試驗(yàn)箱梁的抗裂性有較大的儲(chǔ)備，完全符合全預(yù)應(yīng)力梁抗裂性能的要求。試驗(yàn)過程中箱彎剪段自始至終未出現(xiàn)斜裂縫。說明由

16、于折線形預(yù)應(yīng)力筋的作用，有效提高了箱梁的抗剪承載力和斜截面抗裂性能，箱梁抗剪承載力也完全能夠滿足工程要求。4.折線配筋預(yù)應(yīng)力混凝土先張梁的施工工藝研究綜觀國內(nèi)外折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁的應(yīng)用成果與施工實(shí)例，我們于折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁的施工工藝研究課題中，重點(diǎn)作了以下三個(gè)方面的工作：（1）彎起的器的的選型與試驗(yàn)研究折線配筋的彎起器張拉需借施工時(shí)固定于臺座制作后埋置于混凝土中的彎起器來實(shí)現(xiàn)，青藏鐵路用的彎起器形式如圖6，這種彎起器通常稱為輥軸式彎起器，而如圖7所示臺灣高速鐵路所用的彎起器則稱為音叉式彎起器，不同之處僅在于彎起器與臺座底板的錨固裝置。圖8為我們用于35m跨小箱梁的彎起器，較之鐵路工程

17、常用的輥軸式彎起器這種拉板式彎起器具有以下優(yōu)點(diǎn)：圖8圖6圖71）構(gòu)造簡單、各部件受力明確；2）材料用量少，費(fèi)用較低；3）安裝、拆卸容易；4）能滿足彎起器作微量彎轉(zhuǎn)、縱移的要求；5）可用于直腹板亦可用于斜腹板。（2）預(yù)制臺座的研究與設(shè)計(jì)折線配筋先張預(yù)應(yīng)力砼張拉臺座的反力梁有固定和活動(dòng)的兩種，張拉橫梁亦有固定和活動(dòng)的兩種（見圖9、10）。圖9先張大箱梁的張拉橫梁及外模板圖10I型梁的先張臺座圖10為西班牙在I型梁的先張臺座，采用活動(dòng)反力梁和活動(dòng)橫梁，活動(dòng)模板反力梁可移動(dòng)至梁寬，帶模反力梁放張后可以移走，以讓出移梁空間。帶模反力梁固可節(jié)省部分費(fèi)用但如果遇梁體帶有橫隔梁則應(yīng)用問題較多。故我們于35m跨

18、小箱梁施工中未采用帶模反力梁形式而結(jié)合工地植被設(shè)備情況分別為淮河橋及黃鴨河橋設(shè)計(jì)了長、短線法兩套方案（見圖11），短線法采用長33m鋼箱梁作反力梁，鋼箱梁截面600×1200mm；長線法采用800×1200mm矩形截面的鋼筋混凝土梁作反力梁，全長72.54m；其中短線法臺座一次制梁一片，長線法可同時(shí)制梁兩片。長線法臺座的優(yōu)點(diǎn)：由于采用鋼筋混凝土反力梁，最大的優(yōu)點(diǎn)為一次性投入少，造價(jià)低、澆筑速度快，而且由于整體澆筑，穩(wěn)定性較好。缺點(diǎn)是只能一次性使用，不可重復(fù)利用，施工完還需要處理臨時(shí)構(gòu)造物；另一缺點(diǎn)是對于同時(shí)有兩片35m先張法預(yù)制預(yù)應(yīng)力小箱梁的長線臺座在進(jìn)行折線鋼鉸線張拉時(shí)，相當(dāng)於對單片35m先張法預(yù)制預(yù)應(yīng)力小箱梁進(jìn)行單端張拉，增大了彎起器處摩阻力，增大了折線鋼鉸線的預(yù)應(yīng)力損失。圖11a長線臺座圖11b 短線臺座短線法臺座優(yōu)點(diǎn)：反力梁采用鋼結(jié)構(gòu)，可以工廠加工，結(jié)構(gòu)精確，可以拆裝以重復(fù)利用，且受力性能較好，整體變形量較小。特別是可兩端張拉，彎起器處摩阻力減小。缺點(diǎn)為一次投入大，現(xiàn)場安裝精度要求高。先張施工中鋼絞線錨固在張拉臺座兩端的張拉橫梁上，張拉橫梁采用上下兩根。上張拉橫梁錨固彎起鋼絞線，下張拉橫梁錨固直線鋼絞線。上、下張拉橫梁通