现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构

1、现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n第一节 概述 n双预应力混凝土结构体系（或称混合预应力） 是国外对预应力混凝土结构使用多年后，新 发展起来的一种新型预应力混凝土结构，它 的原理简单，然而对于实用，确需要对一系 列的问题加以研究和试验。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n对于特殊地区有特殊要求的桥梁及其他结构，如要 求跨越能力大，承载能力高，而断面又受到建筑高 度限制的结构，使用这种结构就显出其无比的优越 性。 n对于建成的结构要求进行一些特殊的加固，也可以 采用双预应力体系。 n国外对这种体系从50年代开始进行研究，直到 1977年才应用于实际

2、工程中，80年代后，又有少 量的工程应用，至今虽然建成的工程不多，但从未 停止过这方面的研究和实践探讨。本章对其基本原 理、有关试验、工程应用、设计特点及经济性作一 些介绍。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n一、基本构思 n众所周知，由于混凝土的抗拉性能很差，则传统 的预应力混凝土结构是在构件的受拉区采用预先 张拉预应力钢筋（以下简称“预拉力筋”）。依 靠预拉力筋端部的锚具或力筋与混凝土之间的粘 结力来阻止被张拉力筋的回缩，而给结构构件的 受拉区以预压应力，以期提高构件的抗裂性，改 善构件的使用性能，这就是通常的预应力混凝土 结构。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构

3、 双预应力混凝土结构 n在这种原理的启发下，人们探讨对于受压构件或 受弯构件受压区能否施加预拉应力，以改善受压 构件及受弯构件受压区过高压应力的应力状态， 以期改善整个构件的受力状态，从而达到进一步 减小构件截面尺寸，而增大跨越能力的目的。 n在混凝土构件的受拉区施加预压应力，同时在受 压区施加预拉应力的双重预应力体系(Bi Prestressing System) ，将其称之为“双预应力 体系”（或称混合预应力体系）。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n在构件中施加预压应力的方法早已解决， 而在受压构件或受弯构件的受压区施加预 拉应力的方法是研究的一个新课题。同施 加

4、预压应力相类似，在受压区采用预先压 缩粗纲筋（以下简称“预压力筋”）的方 法来造成预拉应力，这在50年代初期已成 为欧洲技术专家和学者所议论的重要课题 之一。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n1950年英国的贝林格（K.Bllig）提出了名 为“预拉的混凝土”(Prestensined Concrete)的专利申请。他为了加强混凝 土柱，在被连接的钢管中插入钢束，张拉 钢束以压缩钢管，将被压缩的钢管与钢筋 同样配置，灌筑混凝土，待混凝土结硬后， 放松已张拉的钢束，于是被压缩的钢管伸 长给构件混凝土以预拉应力，如图111 所示。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预

5、应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n1952年德国的曼德尔（F.W.Mader) 提出称 之为“有预应力钢材的钢筋混凝土体” (Stahlbenka permiteiner Vogespanten Stahleilage)，除在梁的受拉区及主拉应力 方向放置预拉力筋施加预压应力外，还在 梁的受压区及主压应力方向设置预压力筋 以获得预拉应力，如图11-2所示。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n1 9 5 6 年 奥 地 利 的 雷 芬 斯 特 教 授 （ H . Reiffen

6、stuhl）提出了使用压缩粗钢筋将粗 钢筋插入梁中预先埋好的套管里，然后灌 筑混凝土，混凝土结硬后，用压力顶压粗 钢筋，并发明了端部锚固方法。受压钢筋 锚固后，在套管中压入灰浆，如图113所 示。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n二、工程应用 n经过20余年，直到1977年，根据雷芬斯特教授的 设计，在奥地利建成了世界上第一座使用双预应力 体系的预应力混凝土箱形截面阿尔姆（Alm）公路 简支梁桥。该桥跨度达76m, 而梁高仅2.5m，其高 跨比为1/30.4，而一般同跨度的预应力混凝土箱梁 其高跨比在1/17左右

7、，故该桥在结构造型上表现出 轻巧美观。这使以往预应力混凝土梁桥所不能达到 的低高度得以实现。图114为阿尔姆桥的断面及 配筋情况。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n80年代日本曾在东海道本线掘川田丁线上 建成的道路桥为单孔双预应力简支梁桥， 全长31.0m，全桥采用16根工字型截面双 预应力混凝土简支梁，梁长为30.90m ， 跨度为30.00m , 梁截面如图115所示。 从1984年到1989年日本先后共建成约20 座双预应力混凝土简支梁桥。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 现代桥梁结

8、构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n1995年我国在上海市沪杭高速公路上成功进 行了标准跨40m的双预应力试验梁的研究， 并首次在沪杭高速公路上修建了两座双预应 力混凝土简支梁桥，试验梁高为1.30m，计 算跨度为38.86m，其高跨比为1/30。预拉力 筋采用6束15.24mm 270K级高强低松弛钢绞 线 ， 每 束 9 根 钢 绞 线 ， 预 压 力 筋 采 用 30CrMnsi 规格为328mm的合金结构钢 管，图11-6为梁的截面及力筋布置。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n预压力筋是在梁体混凝土浇注之前，事先

9、 使预压力筋受压（钢管），预压力筋采用 钢号30CrMnsi规格为328mm的合金 结构钢管，两端锚具采用由夹片与锚环组 成的筒式锚具，中间穿过单根直径为 15.24mm270K级高强低弛钢绞线，用穿 心式千斤顶两端同时张拉，然后将事先建 立起来的预压钢管系统埋入梁体混凝土受 压区。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n待梁体混凝土结硬后，放松并回收钢绞线 和锚具，于是钢管伸长此拉力经与锚板焊 接在一起的6根16mm螺纹钢筋将拉力传 给混凝土，如图11-7所示。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n对于已建成的结构，当荷载加大，又无法增大原有 结构截

10、面尺寸时，也可以在构件外部采用增加预压 力筋的办法对已建成的结构进行加固，以满足使用 要求。如使用预压力筋对某体育馆屋顶梁的加固方 案。该体育馆的屋顶梁为 V 型截面，由于荷载的增 大，需要加固，但为美观起见，要求不改变 V 形的 外貌，于是在 V 形内部采用压缩抛物线形布置的 36力筋，力筋被压缩锚固之后，其外面灌注混凝 土加以覆盖，如图11-8所示。该加固方案无需支架， 施工条件也不受限制。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n第二节 双预应力的基本原理 n现以简支梁为例，来说明双预应力的基本原理。 n1若构件采

11、用后张法，先张拉梁下缘的预拉力 筋，若其拉力为Npt，由于预拉力偏心的作用于梁 的下缘，其偏心距为ept则在构件截面上（跨中） 产生轴向压力和偏心的负弯矩，于是梁的下缘受 较大的预压应力，可用来抵消荷载引起的拉应力， 其截面应力状态如图11-9（a）所示。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n2配置梁上缘的预压力筋，其压力为 Npc （与Npt比较通常较小），由于偏心预压力 作用于梁的上缘，其偏心距为epc，则在构 件截面上（跨中）产生轴向拉力和偏心的 负弯矩Mpc。于是梁上缘受到较大的预拉应 力，可用以抵消部分由荷

12、载产生的压应力， 其截面应力状态如图11-9(b)所示。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n3双预应力，张拉配置于构件拉区的预拉 力筋，对构件受拉区产生预压应力ptc；压 缩配置于构件受压力区的预压力筋，对构 件受压区产生预拉应力ptt，使两种预加应 力结合起来（即1与2迭加）并可调整张拉 力和压缩力，可使构件达到轴向预应力最 小，弯曲预应力达到较大的预应力状态， 这种预应力不仅可以抵消由荷载产生的拉 应力，且还可以减小构件受压区的压应力， 如图11-9(c)所示。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝

13、土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n上述应力状态可用下式表达： 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n由上述应力状态我们可以明显的看出，通常的单 一体系的预应力混凝土梁，预拉力筋对跨中截面 混凝土产生轴向压力和负弯矩，用以抵消由恒载 和活截产生的正弯矩。当梁内使用预压力筋时， 对跨中截面将产生轴向拉力和负弯矩，其中轴向 压力与轴向拉力可以大部分抵消，而两项负弯矩 得以迭加，因此增加了梁的抗弯能力，故双预应 力体系梁的承载能力与同样条件下的单一预应力 体系相比要大，或者同样的承载能力，双预应力 体系的梁高度可大为降低。 现代桥梁结构2-双预应力混

14、凝土结构 双预应力混凝土结构 n对于桥梁结构来说，采用双预应力体系与以 往的单一预应力体系相比，有如下优越性： n(1)梁的高度可以压得很低，这对建筑高度要 求很严的城市及河网平原地区的桥梁建筑是 有重要意义的。 n(2)可以缩小梁截面尺寸，减轻梁的自重，从 而可以进一步增大梁的跨越能力。像阿尔姆 桥跨达76m梁，高仅2.5m，是迄今世界上跨 度最大的公路简支梁桥。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n(3)由于预压力筋在截面上产生的预拉应力的 影响，使得由于混凝土的徐变及收缩引起的 预拉应力的损失减小；由于混凝土的徐变和 收缩又使预压力筋的压应力增大。 n(4)由于在受

15、压区配置了预压力筋，则构件的 截面上可配置较多的预应力钢筋（预拉的和 预压的力筋），与同样截面的单一预应力构 件相比，提高了构件的承载能力及抗裂性。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n第三节 实用试验研究 n为使双预应力体系达到实用化的目的，根据日本 所作的一些有关试验研究情况介绍如下： n从设计上来说，采用双预应力梁与以往的预应力 混凝土梁没有什么特殊之处。由预压力筋引起的 截面预拉应力与由预拉力筋引起的截面预压应力 同样考虑。然而作为被压缩的力筋其压缩性能、 套管材料、压缩力的施加及锚固方法、构件的破 坏强度及有关构造等方面的问题，有待试验加以 解决，并能使其满足使

16、用要求。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n1作为预压力筋的粗钢筋，必须保证其压缩过 程处于弹性范围之内； n2确保配置于混凝土中的预压力筋受压缩时有 足够的稳定性； n3在施加压缩力时，沿预压力筋的摩擦损失必 须限制在实用范围之内； n4压缩力引起的截面预应力效果与计算假定比 较一致。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n一、预压力筋的压缩试验 n把预压力筋的试件（L10cm），在压力 试验机上进行单轴压缩试验，研究其受压 缩时的应力应变特性。试件采用热处理 的26及32粗钢筋（SBPR95/110）应力 与应变关系如图11-10所示，若按0.2

17、的 残余应变作为预压力筋的屈服强度，其屈 服点为1080MPa。试验表明，能确保预压 力筋的压缩力完全在弹性范围之内。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n二、施加压力时预压力筋的稳定性及摩擦损 失的试验 n对预压力筋施加压力的方法可采用螺旋、液 压或机械千斤顶顶压的方法。预压力筋所受 的压力P和测得施力端处的压缩量的关系， 呈较好的直线关系，如图11-11所示。采用 断面有收缩变化的套管（图11-12），与无 粘结粗钢筋施加压力时，预压力筋有足够的 稳定性。施加压力的试验及锚固装置如图11- 12、图11-13所示

18、。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n施加压力时预应力筋与套管的摩擦系数及弹性 模量Ep，可以从施力端及锚固端的压力和预压力 筋的缩短量求出，其值示于表11 -1。 表表 11 一一 l 预压力筋的摩擦系数及弹性模量预压力筋的摩擦系数及弹性模量 钢材钢材 摩擦系数摩擦系数 （每（每 1 米）米） 弹性模量弹性模量 Ep（l05MPa） 断面有收缩变化

19、断面有收缩变化 的套管的套管 0.0090.014 2.02.2 涂沥青无粘结涂沥青无粘结 的粗钢筋的粗钢筋 0.0030.008 2.02.2 涂有黄油无粘结涂有黄油无粘结 的粗钢筋的粗钢筋 0.0060.011 2.12.2 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n三、弯曲试验 n弯曲试件如图11-14所示，表11-2为试验结 果。由试验可看出如下特征： n1加载后由混凝土的应变可以看出，由于 预压力筋的作用，在截面上引起预拉应力的 效果。 n2双预应力体系梁的裂缝特征，与通常的 预应力混凝土梁没有差别，直至极限荷载为 止，未见异常的裂缝出现。 现代桥梁结构2-双预应力混

20、凝土结构 双预应力混凝土结构 n3破坏强度与计算值非常接近（表11-2），而双 预应力体系梁比通常的预应力梁的破坏强度大约高 10%，可以看出预压力筋对抵抗破坏弯矩有一定的 效果。 n4梁的破坏特征是梁的挠曲变形过大，梁上缘受 压混凝土强度达到其极限值被压坏。与通常的预应 力梁的破坏没有差别。 n5套管中压浆预压力筋有粘结的梁，与不压浆的 无粘结梁的试验对比，其结果看不出有明显的差别。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n除图11-14所示的弯曲 试验外，还有跨度为 2 . 0 m ， 断 面 为 17.5cm10.0cm 的 梁以及跨度为20m， 梁高为1.02m ，除

21、配 置了预拉钢束外，在 受压区还配置了三根 长6m直径为20的预 压力筋的实梁试验。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n沪杭高速公路双预应力试验梁。 n1设计资料：标准跨径40m；高跨比1/30；桥面 净宽净7。 n荷载标准：汽车超20级，挂车100。 n2构造：桥梁横截面为六根主梁，标准跨径40m， 梁高1.3m，上翼缘宽1.2m，下翼缘宽0.95m，腹板 厚0.25m，混凝土级别为C50。 n表11-3为计算主梁跨中截面应力值（预压力筋与预 拉力筋有效预加力比为0.25），表11-4为试验梁结 构性能检验值。

22、现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n四、综合上述试验可得出如下几点 n1采用热处理过的高强度钢筋作为预压力筋，对 其所施加的压缩力有足够的弹性范围，在实用上没 有问题。若采用更高强度的钢筋作为预压力筋，可 能得到更经济的预应力效果。 n2预压力筋与断面有收缩变化的套管之间的摩擦 系数，是通常预拉力筋的35倍，施加压缩力时， 其摩擦损失较大。由于混凝土的徐变和收缩使预压 力筋的压应力随时间增大，而预拉力筋的拉应力随 时间而减小。预压力筋的松弛损失值比预拉力筋略 小些。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土

23、结构 n3由预压力筋在截面上引起的预应力与预 拉力筋引起的预应力，同样都可考虑是轴向 力和偏心弯矩共同作用的结果，此外，预压 力筋对极限强度的影响可考虑用现行的方法 计算。 n4试验所采用的施加压力及锚固的方法是 可靠的，而且有足够的稳定性和安全性。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n第四节 双预应力混凝土梁设计计算特点 n双预应力混凝土梁的设计计算方法及内容， 和以往的预应力混凝土梁的计算方法没有 本质的不同。只是在计算中要考虑到受压 区预压力筋对截面引起预拉应力及其对构 件其他性能的影响。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n由于构件受到预拉与

24、预压应力的作用，为 使构件满足使用性能及强度的要求，需要 进行多次试算与调整，设计计算是比较麻 烦的。 n设计计算时可参照11-15流程图进行。梁的 截面应力计算可按下述条件进行（图11- 16）。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n一、截面应力计算 n1施加预应力时截面应力 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n2使用荷载作用时截面应力 n可以根据上述各式中右端的容许应力值，求得Npt、 Npc及Npte、Npce等值，以确定预拉力筋的预拉力 及预压力筋的预压力的范围。亦可根据条件式确 定最小梁高。 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构 双预应力混凝土结构 n二、设计比较 n由于目前采用双预应力混凝土的实际工程较少，根 据日本对跨度为2050m公路桥梁进行过设计，根 据设计资料可初步得出如下几点： n1对双预应力混凝土梁，采用上下翼缘相等的截 面（如工字形或箱形）是比较适宜的截面形式。 n2梁高与梁跨之比在1/31.31/33.3之间，在工厂 预制的工字形梁高跨比达1/35。现场灌注的箱形梁 可达1/40是完全有可能的，而一般简支梁桥的高跨 比：铁路为1/151/21，公路为1/161/23，城市 中为1/201/25，远