第 3 期符冠华等 : 双预应力混凝土梁桥的研究 129 >[σc], 而无法满足梁的使用要求. 而在双预应力混凝土梁中 N y 0, 随着梁高度 h 的降低, 可以调整 N y 和 N y 值, 从而使 σt 值不超过混凝土容许值 [σc]. 由此可见, 预应力钢筋的作用是减小使用阶段时预应力混

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焘糜
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1 东南大学学报 ( 自然科学版 ) JOURNL OF SOUTHEST UNIVERSITY(NaturalScienceEdition) 第 31 卷第 3 期 Vol 31 No 年 5 月 May 2001 双预应力混凝土梁桥的研究符冠华杨毅文耿小平朱晓宁 ( 江苏省交通科学研究院, 南京 ) 摘要 : 双预应力梁桥的研究就是试图通过双预应力体系降低梁高, 从而达到节省造价, 美化景观等目的. 本文通过大量的试验及研究分析, 提出了双预应力梁跨中上缘获得预拉应力的新的传力锚固体系 ; 通过对室内双预应力混凝土小梁的研究, 检测了预压钢筋的受力性能和预压过程中的某些影响参数 ; 提出了足尺梁计算方法和截面跨径选择方法 ; 研制了新型哑铃型波纹管, 很好地解决了预压钢筋变形摩阻损失和管道压浆之间的矛盾 ; 通过对 30m 足尺梁的设计施工试验及观测, 进一步完善了对施工工艺的研究, 并对所取得的成果进行了验证. 关键词 : 双预应力 ; 混凝土 ; 梁桥 ; 锚固 ; 波纹管中图分类号 :U 文献标识码 : 文章编号 : (2001) 由于简支梁桥相对于其他桥梁施工简单, 造价较低, 而成为中小跨径桥梁中的常规桥型, 并得到广泛应用. 双预应力梁桥的研究就是试图通过双预应力体系降低梁高, 从而达到节省造价, 美化景观等目的. 双预应力混凝土梁利用拉压预应力的作用, 不仅减少了梁在使用阶段下缘混凝土的拉应力, 而且降低了上缘的压应力, 因而降低主梁的截面高度. 这种理论体系的第一座桥梁实践是奥地利的阿尔姆桥 [1]. 随后日本建设了多座多截面形式的双预应力梁桥 [2]. 上海同济大学对先压法双作用预应力梁作了研究, 并在沪杭高速公路的两座跨线桥中使用了该技术. 本文主要介绍利用国产高强精扎缧纹钢筋和新研制的新型金属波纹管, 采用受力更明确的跨间传力锚固系统的后压法双预应力混凝土梁的研究成果. 1 基本原理介绍在使用荷载作用下, 若按全预应力混凝土设计准则, 双预应力混凝土简支梁在使用荷载作用下跨中截面的正应力分布如图 1 所示. 截面上下边缘混凝土正应力值应符合 : σt = N y-n y -N ye y +N ye I y 1 + M I y 1 [σc] (1) σb = N y-n y +N ye y +N ye I y 2 + M I y 2 0 (2) 式中, 和 I 分别为截面面积和惯性矩 ;[σc] 为使用阶段混凝土的容许压应力, 其余符号见图 1. 现取 δb =0, 由式 (2) 可得到 M?I 的表达式, 代入式 (1) 中, 整理后得到图 1 跨中截面正应力分布图 σt =(N y -N y) h (3) y 2 假设梁截面为高 h 宽 b 的矩形截面, 使用阶段截面面积近似取为 = bh,y=αh, 则式 (3) 变为 σt = N y-n y (4) αhb 对于一般的预应力混凝土梁 N y =0, 若梁截面宽度 b 不变, 随着梁高度 h 降到一定程度时, 会出现 σt 收稿日期 : 作者简介 : 符冠华,1963 年生, 硕士研究生, 高级工程师.

2 第 3 期符冠华等 : 双预应力混凝土梁桥的研究 129 >[σc], 而无法满足梁的使用要求. 而在双预应力混凝土梁中 N y 0, 随着梁高度 h 的降低, 可以调整 N y 和 N y 值, 从而使 σt 值不超过混凝土容许值 [σc]. 由此可见, 预应力钢筋的作用是减小使用阶段时预应力混凝土梁截面上边缘的正应力和梁的建筑高度, 使双预应力混凝土梁成为跨度较大的低高度简支梁. 2 预压钢筋的锚固系统研究采用国产精轧螺纹高强钢筋作为预压预应力钢筋, 采用锚固钢筋的预压钢筋梁间锚固系统. 具体布置如图 2 所示. 该系统是由锚固钢筋钢锚板和高强螺帽组成. 图 2 采用锚固钢筋的锚固体系示意图从受力上讲, 预压预应力钢筋受压而锚固钢筋受拉, 通过锚固钢筋和混凝土之间的粘结力, 使梁间混凝土受拉. 采用空间有限元对小梁锚固槽口及钢锚板进行分析研究表明 : 1) 该锚固系统受力明确, 力的传递路线明晰, 力学体系成立. [2] 2) 研究系统与日本的跨间锚固系统相比, 可以减少梁体上开槽数量, 防止过多削弱梁的预制截面. 3) 与奥地利的梁端锚固系统相比 [1], 该系统可以根据弯矩包络图配筋. 3 哑铃型波纹管研制预压钢筋外套管内径小, 可以有效防止压屈, 但会增大摩阻并造成压浆困难, 耐久性无法保证 ; 套管过大则易屈曲, 同时偏心距离小而使预压应力作用减小. 因此在设计波纹管时不但要考虑压浆的通畅还必须考虑对钢筋各部位变形加以限制, 这一点是与受拉钢绞线不同的. 为解决受压预应力钢筋在受压时屈曲变形摩阻和管道压浆均匀等技术问题, 研制了哑铃型波纹管. 它具有以下优点 :1 技术更易掌握, 易于生产 ;2 更适合截面布置, 特别是对大截面梁 ( 如箱梁 ) 的多个受压钢筋的集中布置 ; 3 刚度较好, 不易变形 ;4 竖向横向位置易控制. 其形式如图 3 所示. 图 3 研制的波纹管截面形式 ( 单位 :cm) 研究认为 : 圆管部分内径 R 值比钢筋直径大 0 8~1 0cm, 扁平部分宽度 L 应满足锚具锚固要求, 也不宜过大, 高度宜为 1 5cm. 哑铃型波纹管与普通波纹管在摩阻性能上相似, 因此计算预应力的摩阻损失时采用了室内梁得到的摩阻系数, 即 λ =0 04~0 055 之间 ( 在足尺梁的试验中测定 λ =0 03~0 06). 4 室内小梁试验室内共制作了 6 根梁长为 5 5m, 截面为 50cm 50cm 的小梁, 对其进行试验, 以验证锚固系统的可行性. 通过试验观察分析预压应力钢筋的受力性能和某些影响参数, 为双预应力混凝土足尺梁设计与施工提供参考. 小梁试验重点观测了不同条件下预压应力钢筋和管道间的摩阻数据锚板变形及锚固钢筋变形滑移数据双预应力梁受力全过程及破坏形态, 获得了预压应力对预拉钢筋应力及梁挠度的影响. 其主要结论如下 : 1) 通过对预压预应力钢筋对普通波纹管 ( 有粘结梁 ) PVC 管 ( 无粘结梁 ) 的摩阻试验及有效预应力值测试与计算分析, 认为 : 有粘结筋和无粘结筋得到的 K 值相近, 约为 0 04~0 055; 计算相应的应力损失可采用现行桥规公式, 锚板变形及锚筋滑移可按 0 3mm 计, 锚板厚取 40mm 为宜. 2) 试验证明预压钢筋的作用是有效的. 3) 采用锚固钢筋的预压钢筋锚固系统可以使梁的上缘产生相应的预拉应力, 从而减少使用阶段由于梁高降低而在上缘产生的过大压应力.

3 130 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 31 卷 5 双预应力混凝土梁桥的设计方法对双预应力混凝土简支梁桥的设计, 着重研究了双预应力混凝土梁的截面形式和预压预应力钢筋的计算方法. 影响混凝土梁截面形式的因素很多, 研究主要考虑因素为荷载, 跨径, 梁高, 混凝土施工的可能性. 找到截面形式的变化与这些因素的关系, 以确定所需的截面形式. 研究思路为 : 1) 就某一种跨径的桥例拟订各种截面尺寸进行计算, 找出其中的规律. 2) 就某一种截面形式进行梁高与跨径变化的计算, 找出其中相互变化的规律. 研究发现双预应力梁跨中截面在施工阶段下缘压应力较大, 而在使用阶段上缘压应力较大 ; 截面高度低, 影响抗弯惯距获得. 所以选择工字形截面形式作为研究对象. 研究表明影响双预应力混凝土梁的截面正应力的主要因素是梁高与上翼缘宽度, 而在梁高梁宽确定时下翼缘宽度又影响到梁的刚度. 所以要取得良好的应力与挠度效果, 在不考虑材料强度的因素下, 当上下缘宽度比例趋于 1 1 时, 比较适宜. 但当梁的跨径较大时, 截面内力也相应较大, 此时若使用上下缘同宽的工字形截面, 则施工难度较大, 而箱形截面上下缘基本同宽, 截面的整体性也较好, 因而适合较大跨径的桥梁. 可以认为 : 当跨径在 40m 之内时宜使用工字型截面, 而当跨径大于 40m 时宜使用箱形截面 ;30m 双预应力混凝土梁的适宜梁高为 0 9m 左右. 梁高与跨径的关系如图 4 所示. 参照国内外已有的一些桥例, 结合计算分析研究, 认为双预应力混凝土简支梁的梁高 h=l?25~l?40( 简支梁跨径 ) 比较适宜, 与普通预应力混凝土梁 h = L?13~ L?17 相比降低了很多. 参照公路桥涵设计规范, 在双预应力梁桥设计中还运用了以下原则 : 图 4 梁高与跨径的关系 1) 在使用荷载作用下, 构件中对于预压钢筋的应力应符合 : 使用荷载组合 Ⅰ 时, 取 σy 0 8R b y; 使用荷载组合 Ⅱ 时, 取 σy 0 85R b y. 2) 在汽车荷载静活载作用下, 跨中竖向挠度不超过 L?600, 梁在自重及预应力作用下跨中反拱也宜控制在 L?600 以内. 5 1 预拉应力筋应力损失计算施工期间应力损失, 除考虑文献 [3] 规定值外, 还应考虑预压钢筋对预拉钢筋的影响. 预压钢筋施压后混凝土弹性压缩会引起预拉钢筋的应力损失, 其值可按下式计算 : σs4 = n y Δσ1 式中, Δσ1 为张拉钢筋重心处, 由预压钢筋产生混凝土法向应力. 通车期间, 由于受压受拉预应力钢筋分别施加相反方向的预应力, 计算时必须考虑两者的相互影响. 对于预拉应力钢材其应力值应随徐变收缩而损失, 其值可按下式计算 : σs6 = n y φ (σct+σctc+σcgt)+e tεs σct 1+n y ( 1+ φ 2) σpt 式中, φ 为徐变系数 ;ε 为混凝土的收缩度 ;E t 为钢绞线弹性模量 ;σct 为张拉预应力钢材后, 受拉预应力钢材形心处混凝土的应力值 ;σctc 为压缩预应力钢材后, 受拉预应力钢材形心处混凝土的应力值 ;σcgt 为持续荷载作用下, 受拉预应力钢材形心处混凝土的应力值 ;σpt 为受拉预应力钢材刚张拉完时的应力值. 5 2 预压应力筋应力损失计算施工阶段 1) 混凝土弹性压缩引起损失 σs1 = 1 2 n c P t + M t ( c W ) j N-1 N

4 第 3 期符冠华等 : 双预应力混凝土梁桥的研究 131 式中,P t 为锚固后压力 ;N 为受压钢筋根数 ;n c 为预压应力钢筋与混凝土弹性模量比 ;M t 为 P t 引起的截面弯距 ;W j 为对受压预应力钢材形心位置的截面模量. 2) 管道摩阻损失, 对于直线布束 σs2 =σk(1-e -λx ) 式中,σk 为预压锚下控制应力 ;λ 为取经验数值, 参考小梁试验, 对普通波纹管一般取 0 03~ ) 锚固损失 σs3 = Δ L L Ey 式中, Δ L 为锚板变形螺帽接缝压实钢筋伸长等变形值之和使用阶段除以上 3 项损失外, 另有 1) 钢筋松弛损失参考我国生产的精轧螺纹钢机械性能, 其损失值为 σs4 =0 05σk 2) 徐变收缩应力增加值受压预应力钢材的压应力值随徐变收缩而增加, 这一点与受拉预应力钢材是不同的. 参考日本对预应力混凝土长期性能的研究, 建议其增加值为 σs6 = n c φ (σcct+σccc+σcgc)+e cεs σccc 1+n c ( 1+ φ 2) σptc 式中,E c 为预压应力钢筋弹性模量 ;σcct 为张拉预应力钢材后, 受压预应力钢材形心处混凝土的应力值 ; σccc 为压缩预应力钢材后, 受压预应力钢材形心处混凝土的应力值 ;σcgc 为持续荷载作用下, 受压预应力钢材形心处混凝土的应力值 ;σptc 为受压预应力钢材刚压缩完时的应力值 ; φ,εs 取值按现行桥规计算. 5 3 正应力验算上缘混凝土正应力为 σs = M 恒 +M 活 -M 压 -M 拉 y I s + σyl l -σyy y 下缘混凝土正应力为 σx = M 压 +M 拉 -M 恒 -M 活 y I x + σyl l -σyy y 式中,M 恒为恒载引起的截面弯距 ;M 活为活载引起的截面弯距 ;M 压为扣除相应阶段预应力损失后预压钢筋有效应力引起的截面偏心弯距 ;M 拉为扣除相应阶段预应力损失后预拉钢筋有效应力引起的截面偏心弯距 ;σyl 为扣除相应阶段预应力损失后预拉钢筋有效应力 ;σyy 为扣除相应阶段预应力损失后预压钢筋有效应力 ; l 为预拉钢筋面积 ; y 为预压钢筋面积 ;I 为相应阶段截面惯距 ; 为相应阶段截面面积. 5.4 承载能力极限状态抗弯强度验算预压预应力钢筋能加强截面的抗弯能力. 在计算中考虑受压预应力钢材的作用, 作如下假定 : 截面上各个纤维点的应变大小与距中和轴的距离成正比 ; 不考虑混凝土的抗拉作用 ; 混凝土压应力截面计算图式在截面上下成矩形分布. 由截面上力的平衡以及各材料应变之间的关系可以建立如下方程 : T= c+c εp = d-x x εcu +εpe ε p = x-d x εcu +ε pe (6) 式中,T 为受拉预应力钢材的拉力 ;c 为混凝土承担的压力 ;c 为受压预应力钢材承担的压力 ;εcu 为混凝土的破坏应变 ;εp 为受拉预应力钢材的应变 ;ε p 为受压预应力钢材的应变 ;εpe 为受拉预应力钢材的有效应变 ;ε pe 为受压预应力钢材的有效应变 ;x 为混凝土受压边缘至中和轴的距离 ;d 为混凝土受压边缘至 (4) (5)

5 132 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 31 卷受拉预应力钢材的距离 ;d 为混凝土受压边缘至受压预应力钢材的距离. 由各种材料的应力应变曲线可以求得 T= p E pεp C = pe pε p C = R a c 式中, p 为受拉预应力钢材的截面积 ;E p 为受拉预应力钢材的弹性模量 ; p 为受压预应力钢材的截面积 ;E p 为受压预应力钢材的弹性模量 ; c 为混凝土受压区面积 ;R a 为混凝土抗压设计强度. 将以上三式代入式 (4) (5) (6) 中可求得中和轴位置 X. 有了 X 以后就可以按下式求截面的抵抗弯距 : Μ = C(d-K x) + C (d-d ) γc γs 式中,K x 为受压区边缘至混凝土受压区形心的距离. 5.5 挠度计算施工期间预应力钢材施加预应力后梁的跨中产生的挠度为 f= f l +f y -f h = L 0 M l dx+ 0.85E h I 0 L M y dx E h I 0 L M h dx E h I 0 式中,M l 为预拉应力钢筋在任意截面 X 处产生的弯距 ;M y 为预压应力钢筋在任意截面 X 处产生的弯距 ; M h 为恒载在任意截面 X 处产生的弯距 ; 为任意截面处单位力产生的弯距. 使用阶段挠度为 f q = L M q dx E h I j 以上公式说明中未提到的参数含义见文献 [3]. 其他计算与普通预应力混凝土梁同. 6 30m 双预应力混凝土梁桥的设计施工和试验 30m 预应力混凝土简支梁是目前在国内桥梁工程上使用较多的主梁. 研究该跨径的简支梁来进行设计并试验, 具有一定的代表性, 试验主要内容是 : 1) 进一步研究锚固传力体系在足尺梁上的使用 ; 2) 研究该梁在静荷载作用下的应力变形特性. 3) 研究波纹管在大尺寸梁中的使用情况 ; 4) 观测预压力筋和波纹管道之间的摩阻 ; 5) 测定预拉力预压力施加过程对梁各特征截面的影响 ; 6) 为进一步完善施工工艺, 提供实践经验. 6.1 试验梁特征试验梁采用标准跨径为 30m, 计算跨径 29 12m 的简支梁 ; 桥宽 12m, 净宽 11m; 荷载等级为汽超 20, 挂 120; 桥面铺装厚 10cm. 设计采用的规范为文献 [3,4]. 主要材料为 50 # 混凝土 j 15 24mm 钢绞线 OVM 锚具 32mm 精轧高强钢筋 YGM 锚具. 用单预应力试设计, 合理的预拉应力钢绞线为 3 束 9 j 15 24mm, 此时跨中在汽车作用下上缘压应力为 18 6MPa, 下缘拉应力为 -2 80MPa, 均超出规范值. 按计算弯距包络图取 2 根 9m 长 32mm 作为预压钢筋 ( 与国产定型钢筋统一 ), 取摩阻系数为计算表明 : 1) 跨中截面正应力组合 Ⅰ:σmax =12 9MPa<17 5MPa,σmin =-0 2MPa<-2 4MPa; 组合 Ⅱ:σmax =15MPa<21MPa,σmin =-0 2MPa<-2 4MPa.

6 第 3 期符冠华等 : 双预应力混凝土梁桥的研究 133 2) 特征截面距支座 h?2 处变截面中心处以及距支座 L?8 处的主拉应力均接近于 0. 3) 钢筋应力组合 Ⅰ: 钢绞线 σmax =1113MPa<1209MPa, 预压钢筋 σmin =562MPa<600MPa; 组合 Ⅱ: 钢绞线 σmax =1147MPa<1302MPa, 预压钢筋 σmin =595MPa<637MPa. 4) 极限抗弯能力 M j =3619kN m >2591kN m. 5) 截面抗剪能力距支点 h?2 处 Q max =469kN<973kN, 截面变宽处 Q max =469kN<973kN. 6) 使用阶段挠度计算值为 3 3cm <4 85cm. 7) 锚固钢筋受拉应力为 261 2MPa<0 85R b g =289MPa. 其主要构造如图 5 图 6 所示. 图 5 预拉预压预应力钢筋纵断面布置图 ( 单位 :cm) 图 6 预拉预压预应力钢筋横断面布置图 ( 单位 :cm) 6.2 试验梁制作研究试验梁的制作与一般的预应力混凝土梁基本相同. 我们选择在桥梁预制厂进行了试制. 所采用工序及质量控制均按桥涵施工技术规范 [5] 规定执行. 6 3 试验梁试验通过试验, 观测了施工过程中预拉预压阶段的各特征截面的混凝土及钢筋应力挠度变化 ; 再次测定管道摩阻系数 ; 在静荷载作用下各特征截面的混凝土及钢筋应力挠度变化 ; 出现裂缝时的荷载, 及裂缝的开展情况, 管道压浆情况. 通过观测和分析, 这种双预应力梁具有以下特点 : 1) 在各阶段各截面仍符合平截面假定. 2) 锚固系统稳固可靠. 3) 试验摩阻在 0 032~ ) 极限荷载时实测挠度为 7 04cm, 比理论计算值小 26%. 5) 实测极限承载能力比理论计算值提高 27%. 6) 管道压浆均匀饱满. 7 结论 1) 足尺梁试验证明预压钢筋锚固系统是可靠的. 2) 预压预应力钢筋的摩阻系数与室内试验值基本接近, 约为 0 03~ ) 利用预拉预应力钢筋在开槽截面产生的压应力, 来防止预压过程中千斤顶反力产生裂缝是成功

7 134 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 31 卷的. 4) 通过试验梁得到的实测数据与理论值比较, 证明采用本次研究的设计方法是正确合理的. 5) 双预应力混凝土梁的承载能力完全能满足工程使用的要求. 试验梁实际极限承载能力比理论计算极限承载能力提高了 27%. 6) 新型波纹管的采用非常有效地解决了管道压浆问题, 具有很强的适应性. 参考文献 1 HansReifenstuhl,Josefichhorn. 上奥地利境内的阿尔姆桥. 国外桥梁,1982,30(1):1~8 2 田岛武, 近藤顺, 横田勉. 双预应力体系预应力混凝土梁的实用试验与试设计. 桥梁与基础,1984,18(2):16~21 3 交通部公路规划设计院.JTJ 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范. 北京 : 人民交通出版社, 交通部公路规划设计院.JTJ 公路桥涵设计通用规范. 北京 : 人民交通出版社, 交通部第一公路工程局.JTJ 公路桥涵施工技术规范. 北京 : 人民交通出版社,1989 ResearchonBi PrestresingSystem ofsimplysupportedconcretegirderbridge FuGuanhua YangYiwen GengXiaoping ZhuXiaoning (JiangsuTransportationResearchInstitute,Nanjing210017,China) bstract: Theobjectiveoftheresearchistoreducethebeam sdepthbybi prestresinordertosavemoneyand beautifylandscape.newanchoragesystemforgirdertoobtainpretensionstresatsectiontop edgeinmiddleofspan isshown.basedontheresearchofbi prestresingbeamsinsidetest roomandthetestoftheprestresbarcharacter, methodforcalculatingthefulsizegirdandchoosingsection(orspan)areproposed.new stylecorugatedpipe whichisshowninthepaperisused,tosolvethetransformationofcompresedthreadbarandthecontradictionbetween losoffrictionresistanceandpumpinginpipe.theresultsofresearcharevalidatedbythedesign,construction,test andobservationof30metersfulsizegird,andtheconstructionmethodareimproved. Keywords: bi prestres;concrete;girderbridge;rooted;corugatedpipe

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