現(xiàn)代橋梁結構2-雙預應力混凝土結構

1、雙預應力混凝土結構n第一節(jié) 概述n雙預應力混凝土結構體系（或稱混合預應力）是國外對預應力混凝土結構使用多年后，新發(fā)展起來的一種新型預應力混凝土結構，它的原理簡單，然而對于實用，確需要對一系列的問題加以研究和試驗。雙預應力混凝土結構n對于特殊地區(qū)有特殊要求的橋梁及其他結構，如要求跨越能力大，承載能力高，而斷面又受到建筑高度限制的結構，使用這種結構就顯出其無比的優(yōu)越性。n對于建成的結構要求進行一些特殊的加固，也可以采用雙預應力體系。n國外對這種體系從50年代開始進行研究，直到1977年才應用于實際工程中，80年代后，又有少量的工程應用，至今雖然建成的工程不多，但從未停止過這方面的研究和實踐探討。本

2、章對其基本原理、有關試驗、工程應用、設計特點及經濟性作一些介紹。雙預應力混凝土結構n一、基本構思n眾所周知，由于混凝土的抗拉性能很差，則傳統(tǒng)的預應力混凝土結構是在構件的受拉區(qū)采用預先張拉預應力鋼筋（以下簡稱“預拉力筋”）。依靠預拉力筋端部的錨具或力筋與混凝土之間的粘結力來阻止被張拉力筋的回縮，而給結構構件的受拉區(qū)以預壓應力，以期提高構件的抗裂性，改善構件的使用性能，這就是通常的預應力混凝土結構。雙預應力混凝土結構n在這種原理的啟發(fā)下，人們探討對于受壓構件或受彎構件受壓區(qū)能否施加預拉應力，以改善受壓構件及受彎構件受壓區(qū)過高壓應力的應力狀態(tài)，以期改善整個構件的受力狀態(tài)，從而達到進一步減小構件截面尺

3、寸，而增大跨越能力的目的。n在混凝土構件的受拉區(qū)施加預壓應力，同時在受壓區(qū)施加預拉應力的雙重預應力體系(BiPrestressing System) ，將其稱之為“雙預應力體系”（或稱混合預應力體系）。雙預應力混凝土結構n在構件中施加預壓應力的方法早已解決，而在受壓構件或受彎構件的受壓區(qū)施加預拉應力的方法是研究的一個新課題。同施加預壓應力相類似，在受壓區(qū)采用預先壓縮粗綱筋（以下簡稱“預壓力筋”）的方法來造成預拉應力，這在50年代初期已成為歐洲技術專家和學者所議論的重要課題之一。雙預應力混凝土結構n1950年英國的貝林格（K.Bllig）提出了名為“預拉的混凝土”(Prestensined Co

4、ncrete)的專利申請。他為了加強混凝土柱，在被連接的鋼管中插入鋼束，張拉鋼束以壓縮鋼管，將被壓縮的鋼管與鋼筋同樣配置，灌筑混凝土，待混凝土結硬后，放松已張拉的鋼束，于是被壓縮的鋼管伸長給構件混凝土以預拉應力，如圖111所示。雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構n1952年德國的曼德爾（F.W.Mader) 提出稱之為“有預應力鋼材的鋼筋混凝土體” (Stahlbenka permiteiner Vogespanten Stahleilage)，除在梁的受拉區(qū)及主拉應力方向放置預拉力筋施加預壓應力外，還在梁的受壓區(qū)及主壓應力方向設置預壓力筋以獲得預拉應力，如圖11一2所示。雙預應力混凝土結構

5、雙預應力混凝土結構n1 9 5 6 年 奧 地 利 的 雷 芬 斯 特 教 授 （ H . Reiffenstuhl）提出了使用壓縮粗鋼筋將粗鋼筋插入梁中預先埋好的套管里，然后灌筑混凝土，混凝土結硬后，用壓力頂壓粗鋼筋，并發(fā)明了端部錨固方法。受壓鋼筋錨固后，在套管中壓入灰漿，如圖113所示。雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構n二、工程應用n經過20余年，直到1977年，根據雷芬斯特教授的設計，在奧地利建成了世界上第一座使用雙預應力體系的預應力混凝土箱形截面阿爾姆（Alm）公路簡支梁橋。該橋跨度達76m, 而梁高僅2.5m，其高跨比為1/30.4，而一般同跨度的預應力混凝土箱梁其高跨比在1/1

6、7左右，故該橋在結構造型上表現(xiàn)出輕巧美觀。這使以往預應力混凝土梁橋所不能達到的低高度得以實現(xiàn)。圖114為阿爾姆橋的斷面及配筋情況。雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構n80年代日本曾在東海道本線掘川田丁線上建成的道路橋為單孔雙預應力簡支梁橋，全長31.0m，全橋采用16根工字型截面雙預應力混凝土簡支梁，梁長為30.90m ，跨度為30.00m , 梁截面如圖115所示。從1984年到1989年日本先后共建成約20座雙預應力混凝上簡支梁橋。雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構n1995年我國在上海市滬杭高速公路上成功進行了標準跨40m的雙預應力試驗梁的研究，并首次在滬杭高速公路上修建了兩座雙預應

7、力混凝土簡支梁橋，試驗梁高為1.30m，計算跨度為38.86m，其高跨比為1/30。預拉力筋采用6束15.24mm270K級高強低松弛鋼絞線 ， 每 束 9 根 鋼 絞 線 ， 預 壓 力 筋 采 用 30CrMnsi 規(guī)格為328mm的合金結構鋼管，圖11-6為梁的截面及力筋布置。雙預應力混凝土結構n預壓力筋是在梁體混凝土澆注之前，事先使預壓力筋受壓（鋼管），預壓力筋采用鋼號30CrMnsi規(guī)格為328mm的合金結構鋼管，兩端錨具采用由夾片與錨環(huán)組成的筒式錨具，中間穿過單根直徑為15.24mm270K級高強低弛鋼絞線，用穿心式千斤頂兩端同時張拉，然后將事先建立起來的預壓鋼管系統(tǒng)埋入梁體混凝土

8、受壓區(qū)。雙預應力混凝土結構n待梁體混凝土結硬后，放松并回收鋼絞線和錨具，于是鋼管伸長此拉力經與錨板焊接在一起的6根16mm螺紋鋼筋將拉力傳給混凝土，如圖11-7所示。雙預應力混凝土結構n對于已建成的結構，當荷載加大，又無法增大原有結構截面尺寸時，也可以在構件外部采用增加預壓力筋的辦法對已建成的結構進行加固，以滿足使用要求。如使用預壓力筋對某體育館屋頂梁的加固方案。該體育館的屋頂梁為 V 型截面，由于荷載的增大，需要加固，但為美觀起見，要求不改變 V 形的外貌，于是在 V 形內部采用壓縮拋物線形布置的36力筋，力筋被壓縮錨固之后，其外面灌注混凝土加以覆蓋，如圖11-8所示。該加固方案無需支架，施

9、工條件也不受限制。雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構n第二節(jié) 雙預應力的基本原理n現(xiàn)以簡支梁為例，來說明雙預應力的基本原理。n1若構件采用后張法，先張拉梁下緣的預拉力筋，若其拉力為Npt，由于預拉力偏心的作用于梁的下緣，其偏心距為ept則在構件截面上（跨中）產生軸向壓力和偏心的負彎矩，于是梁的下緣受較大的預壓應力，可用來抵消荷載引起的拉應力，其截面應力狀態(tài)如圖119（a）所示。雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構n2配置梁上緣的預壓力筋，其壓力為 Npc（與Npt比較通常較小），由于偏心預壓力作用于梁的上緣，其偏心距為epc，則在構件截面上（跨中）產生軸向拉力和偏心的負彎矩Mpc。于是梁上緣

10、受到較大的預拉應力，可用以抵消部分由荷載產生的壓應力，其截面應力狀態(tài)如圖11-9(b)所示。雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構n3雙預應力，張拉配置于構件拉區(qū)的預拉力筋，對構件受拉區(qū)產生預壓應力ptc；壓縮配置于構件受壓力區(qū)的預壓力筋，對構件受壓區(qū)產生預拉應力ptt，使兩種預加應力結合起來（即1與2迭加）并可調整張拉力和壓縮力，可使構件達到軸向預應力最小，彎曲預應力達到較大的預應力狀態(tài)，這種預應力不僅可以抵消由荷載產生的拉應力，且還可以減小構件受壓區(qū)的壓應力，如圖11-9(c)所示。雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構n上述應力狀態(tài)可用下式表達：雙預應力混凝土結構n由上述應力狀態(tài)我們可以明顯

11、的看出，通常的單一體系的預應力混凝土梁，預拉力筋對跨中截面混凝土產生軸向壓力和負彎矩，用以抵消由恒載和活截產生的正彎矩。當梁內使用預壓力筋時，對跨中截面將產生軸向拉力和負彎矩，其中軸向壓力與軸向拉力可以大部分抵消，而兩項負彎矩得以迭加，因此增加了梁的抗彎能力，故雙預應力體系梁的承載能力與同樣條件下的單一預應力體系相比要大，或者同樣的承載能力，雙預應力體系的梁高度可大為降低。雙預應力混凝土結構n對于橋梁結構來說，采用雙預應力體系與以往的單一預應力體系相比，有如下優(yōu)越性：n(1)梁的高度可以壓得很低，這對建筑高度要求很嚴的城市及河網平原地區(qū)的橋梁建筑是有重要意義的。n(2)可以縮小梁截面尺寸，減輕

12、梁的自重，從而可以進一步增大梁的跨越能力。像阿爾姆橋跨達76m梁，高僅2.5m，是迄今世界上跨度最大的公路簡支梁橋。雙預應力混凝土結構n(3)由于預壓力筋在截面上產生的預拉應力的影響，使得由于混凝土的徐變及收縮引起的預拉應力的損失減小；由于混凝土的徐變和收縮又使預壓力筋的壓應力增大。n(4)由于在受壓區(qū)配置了預壓力筋，則構件的截面上可配置較多的預應力鋼筋（預拉的和預壓的力筋），與同樣截面的單一預應力構件相比，提高了構件的承載能力及抗裂性。雙預應力混凝土結構n第三節(jié) 實用試驗研究n為使雙預應力體系達到實用化的目的，根據日本所作的一些有關試驗研究情況介紹如下：n從設計上來說，采用雙預應力梁與以往的

13、預應力混凝土梁沒有什么特殊之處。由預壓力筋引起的截面預拉應力與由預拉力筋引起的截面預壓應力同樣考慮。然而作為被壓縮的力筋其壓縮性能、套管材料、壓縮力的施加及錨固方法、構件的破壞強度及有關構造等方面的問題，有待試驗加以解決，并能使其滿足使用要求。雙預應力混凝土結構n1作為預壓力筋的粗鋼筋，必須保證其壓縮過程處于彈性范圍之內；n2確保配置于混凝土中的預壓力筋受壓縮時有足夠的穩(wěn)定性；n3在施加壓縮力時，沿預壓力筋的摩擦損失必須限制在實用范圍之內；n4壓縮力引起的截面預應力效果與計算假定比較一致。雙預應力混凝土結構n一、預壓力筋的壓縮試驗n把預壓力筋的試件（L10cm），在壓力試驗機上進行單軸壓縮試驗

14、，研究其受壓縮時的應力應變特性。試件采用熱處理的26及32粗鋼筋（SBPR95/110）應力與應變關系如圖1110所示，若按0.2的殘余應變作為預壓力筋的屈服強度，其屈服點為1080MPa。試驗表明，能確保預壓力筋的壓縮力完全在彈性范圍之內。雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構n二、施加壓力時預壓力筋的穩(wěn)定性及摩擦損失的試驗n對預壓力筋施加壓力的方法可采用螺旋、液壓或機械千斤頂頂壓的方法。預壓力筋所受的壓力P和測得施力端處的壓縮量的關系，呈較好的直線關系，如圖1111所示。采用斷面有收縮變化的套管（圖1112），與無粘結粗鋼筋施加壓力時，預壓力筋有足夠的穩(wěn)定性。施加壓力的試驗及錨固裝置如圖10

15、12、圖1113所示。雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構n施加壓力時預應力筋與套管的摩擦系數(shù)及彈性模量Ep，可以從施力端及錨固端的壓力和預壓力筋的縮短量求出，其值示于表11 -1。雙預應力混凝土結構n三、彎曲試驗n彎曲試件如圖11-14所示，表11-2為試驗結果。由試驗可看出如下特征：n1加載后由混凝土的應變可以看出，由于預壓力筋的作用，在截面上引起預拉應力的效果。n2雙預應力體系梁的裂縫特征，與通常的預應力混凝土梁沒有差別，直至極限荷載為止，未見異常的裂縫出現(xiàn)。雙預應力混凝土結構n3破壞強度與計算值非常接近（表11-2），而雙預應力體系

16、梁比通常的預應力梁的破壞強度大約高10%，可以看出預壓力筋對抵抗破壞彎矩有一定的效果。n4梁的破壞特征是梁的撓曲變形過大，梁上緣受壓混凝土強度達到其極限值被壓壞。與通常的預應力梁的破壞沒有差別。n5套管中壓漿預壓力筋有粘結的梁，與不壓漿的無粘結梁的試驗對比，其結果看不出有明顯的差別。雙預應力混凝土結構n除圖11-14所示的彎曲試驗外，還有跨度為2 . 0 m ， 斷 面 為17.5cm10.0cm 的梁以及跨度為20m，梁高為1.02m ，除配置了預拉鋼束外，在受壓區(qū)還配置了三根長6m直徑為20的預壓力筋的實梁試驗。雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構n滬杭高速公路雙預應力試驗梁。n1設計資料

17、：標準跨徑40m；高跨比1/30；橋面凈寬凈7。n荷載標準：汽車超20級，掛車100。 n2構造：橋梁橫截面為六根主梁，標準跨徑40m，梁高1.3m，上翼緣寬1.2m，下翼緣寬0.95m，腹板厚0.25m，混凝土級別為C50。n表11-3為計算主梁跨中截面應力值（預壓力筋與預拉力筋有效預加力比為0.25），表11-4為試驗梁結構性能檢驗值。雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構n四、綜合上述試驗可得出如下幾點n1采用熱處理過的高強度鋼筋作為預壓力筋，對其所施加的壓縮力有足夠的彈性范圍，在實用上沒有問題。若采用更高強度的鋼筋作為預壓力筋，可能得到更經濟的預應力效果。n2預壓力筋與斷面有收縮變化的套

18、管之間的摩擦系數(shù)，是通常預拉力筋的35倍，施加壓縮力時，其摩擦損失較大。由于混凝土的徐變和收縮使預壓力筋的壓應力隨時間增大，而預拉力筋的拉應力隨時間而減小。預壓力筋的松弛損失值比預拉力筋略小些。雙預應力混凝土結構n3由預壓力筋在截面上引起的預應力與預拉力筋引起的預應力，同樣都可考慮是軸向力和偏心彎矩共同作用的結果，此外，預壓力筋對極限強度的影響可考慮用現(xiàn)行的方法計算。n4試驗所采用的施加壓力及錨固的方法是可靠的，而且有足夠的穩(wěn)定性和安全性。雙預應力混凝土結構n第四節(jié) 雙預應力混凝土梁設計計算特點n雙預應力混凝土梁的設計計算方法及內容，和以往的預應力混凝土梁的計算方法沒有本質的不同。只是在計算中

19、要考慮到受壓區(qū)預壓力筋對截面引起預拉應力及其對構件其他性能的影響。雙預應力混凝土結構n由于構件受到預拉與預壓應力的作用，為使構件滿足使用性能及強度的要求，需要進行多次試算與調整，設計計算是比較麻煩的。n設計計算時可參照11-15流程圖進行。梁的截面應力計算可按下述條件進行（圖11-16）。雙預應力混凝土結構n一、截面應力計算n1施加預應力時截面應力雙預應力混凝土結構n2使用荷載作用時截面應力n可以根據上述各式中右端的容許應力值，求得Npt、Npc及Npte、Npce等值，以確定預拉力筋的預拉力及預壓力筋的預壓力的范圍。亦可根據條件式確定最小梁高。雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構n二、設計比

20、較n由于目前采用雙預應力混凝土的實際工程較少，根據日本對跨度為2050m公路橋梁進行過設計，根據設計資料可初步得出如下幾點：n1對雙預應力混凝土梁，采用上下翼緣相等的截面（如I字形或箱形）是比較適宜的截面形式。n2梁高與梁跨之比在1/31.31/33.3之間，在工廠預制的I字形梁高跨比達1/35?，F(xiàn)場灌注的箱形梁可達1/40是完全有可能的，而一般簡支梁橋的高跨比：鐵路為1/151/21，公路為1/161/23，城市中為1/201/25，遠大于上述比例。雙預應力混凝土結構n3由預加力引起的截面上下緣的應力比率，可以自由調整，對于荷載在受壓翼緣而產生的較高的壓應力，可以用預拉應力來減小。n4預壓力筋的有效預壓力與預拉力筋的有效預拉力之比為0.170.25，跨度大時可采用較大值。n5活載引的撓度最大不超過1/700的跨度。圖11-17表示各種類型的預應力混凝土梁的跨度與梁高的關系，可以看出雙預應力梁高跨比最小。雙預應力混凝土結構雙預應力混凝土結構n對跨度為2050m的梁高受限制的公路梁橋進行過試設計，按預制的工字形斷面的簡支梁考慮