折线配筋预应力砼先张梁的关键技术研究与应用

1、折线配筋预应力砼先张梁的关键技术研究与应用1.概述预应力砼分先张和后张两种工艺，就工艺对比可知先张预应力混凝土便于工厂化预制，具有施工周期短、工序简洁、节省材料、维修养护工程量少、耐久性好等特点，因而在国内外得到了广泛应用。先张梁与后张梁相比，虽然增加了预制场张拉台座的工作量，却可以省去成孔、穿束、压浆工艺。更为重要的是，它完全避免了后张法中可能出现的堵孔、压浆不密实、预应力失控等影响结构质量与耐久性的问题。很多预应力混凝土连续梁桥的裂缝和持续下挠，均与预应力钢材的后期锈蚀有关，而采用不正确的压浆工艺和潮湿空气的侵蚀是其中的主要原因。很明显，如果采用先张法则可以很好地避免这些问题的出现，然因工

2、程习惯所限，传统的预应力混凝土先张工艺一般均采用直线配筋，因而限制了其应用范围，导致20m跨以上的铁路桥梁、30m跨以上的公路桥梁一般均采用后张法施工。为在较大跨度桥梁工程中应用先张法，工程界开始关注折线配筋先张法预应力混凝土梁的应用研究，在这方面某些发达国家的研究应用走到了我们的前面。为解决高原严寒地区桥梁耐久性问题我国铁路部门在本世纪初于青藏铁路建设中开始了折线配筋先张预应力混凝土梁的研究与应用，跨度为24米，继而在合宁高速铁路中得到了应用，而在公路桥梁领域中，这项研究尚属空白。为此河南省高速公路建设发展有限公司按王用中大师的建议，结合河南省高速公路建设的实际情况以“公路工程折线配筋先张法

3、预应力混凝土梁的研究与应用”为题开展了这项研究，经近二年的努力基本解决了在公路工程中应用折线配筋先张法预应力混凝土梁的关键技术问题，并在河南驿宛高速公路淮河桥、岭南高速公路黄鸭河大桥工程成功地应用了该项研究成果。2.折线配筋预应力砼先张梁的受力性能研究（1）7.5m先张、后张预应力混凝土矩形梁受力性能对比试验试验梁梁高40cm，梁长7.5m，计算跨径7.2m，按同一配筋情况作了先张梁4根，后张梁3根，试验时量了测施工阶段的预应力损失，进行了先、后张法预应力混凝土矩形梁在竖向荷载作用下的弯曲试验，以检验梁在正常使用荷载下的变形和抗裂性能，测定梁的最大承载力，试验情况如图1： (a)试验中量测变形

4、 (b)临近破坏时 (c)破坏情况 (d)弯剪区段裂缝图1 先张法折线形预应力筋7.5m跨矩形梁试验试验结果如下表1表3。表1 折线先张梁和后张梁承载力比较梁编号实测极限弯矩Mu (kN.m)计算极限弯矩Muc (kN.m)Mu/Muc说 明XPB-1249.43180.731.380折线先张梁XPB-2225.43170.121.325折线先张梁XPB-3296.23219.801.348折线先张梁XPB-4255.43191.471.334折线先张梁HPB-1213.40182.501.169曲线后张梁HPB-2200.20170.301.176曲线后张梁HPB-3300.40233.10

5、1.289直线后张梁表2 折线先张梁和后张梁开裂弯矩比较梁编号实测开裂弯矩Mcr (kN.m)计算开裂弯矩Mcrc (kN.m)Mcr/Mcrc说 明XPB-167.95630.927折线先张梁XPB-271.267.20.943折线先张梁XPB-366.6764.80.971折线先张梁XPB-463.5367.21.05折线先张梁HPB-187.489.90.972曲线后张梁HPB-282.690.70.911曲线后张梁HPB-395.294.91.003直线后张梁表3 折线先张梁和后张梁破坏前挠度比较梁编号实测破坏前挠度f (mm)计算破坏前挠度f c (mm)f/f c说 明XPB-18

6、0.6594.030.858折线先张梁XPB-278.9888.070.897折线先张梁XPB-372.3086.700.834折线先张梁XPB-472.1980.000.902折线先张梁HPB-169.9875.460.927曲线后张梁HPB-265.3574.770.874曲线后张梁HPB-368.7388.530.776直线后张梁由对比试验可得出如下结论：1）折线先张预应力梁弯起器处的摩擦损失可按课题组建议公式计算，计算值与试验结果符合良好，且有一定的保证率。其余各项预应力损失可按公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004或混凝土结构设计规范GB50010-2002

7、建议的公式计算；2）折线先张预应力梁有足够的承载力安全储备，在达到设计破坏荷载的130%以上时才发生破坏，而曲线后张预应力梁承载力的安全储备较折线先张预应力梁略低；3）折线先张预应力梁的抗裂性略好于后张预应力梁；4）在弯矩增大到开裂弯矩Mcr时（试验梁跨中截面已出现裂缝），弯起器上方混凝土的拉应力均小于混凝土抗拉强度标准值ftk，折线先张预应力梁临近破坏时弯起器钢板与混凝土接触面以及弯起器上面的混凝土并未出现裂缝，说明弯起能够很好的与混凝土共同工作，不会造成弯起器处混凝土的提早开裂。（2）折线配筋预应力砼先张梁钢绞线应力传递长度及锚固区砼应力状态研究先张法预应力构件在切断钢绞线放张后，混凝土中

8、的有效预压应力是依靠钢绞线和混凝土之间的粘结力逐渐建立起来的。在构件的端头，钢绞线的拉应力和混凝土的压应力均为零，随着距构件端头距离的增大，从先张法构件切断钢绞线的端部到构件中钢绞线的拉应力达到最大有效拉应力spe的距离称为钢绞线的预应力传递长度ltr，在ltr范围内钢绞线和混凝土的应力分别从零逐渐增大到有效预拉应力spe和有效预压应力spc，在先张法预应力构件端部区段的抗裂验算中应考虑混凝土预压应力的变化。(a) TPB-1西端 (b) TPB-2西端图2 钢绞线预应力传递长度计算图2为本试验构件端部区段实测的混凝土压应力分布和按JTG D62-2004、GB50010-2002规范计算的混

9、凝土压应力分布的比较，从图中可以看出在构件端部区段实测的混凝土压应力要大于按规范计算的压应力，说明先张法折线形预应力筋构件的预应力传递长度仍可按公路钢筋混凝及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004或混凝土结构设计规范GB50010-2002的规定计算，并有一定抗裂储备。本项研究的初期，在驿宛高速公路淮河桥的第一片中梁和第一片边梁的试制过程中由于35m箱梁端头腹板的厚度原设计为30cm，而每侧腹板锚固区的钢绞线多达1214根，切断钢绞线后在锚固区的混凝土出现了裂缝。为此课题组对钢绞线锚固区混凝土的局部应力进行了有限元分析，采取了增大锚固区腹板的厚度、设置钢绞线锚固失效段以及增设钢筋网片

10、等措施，较好地解决了钢绞线锚固区的混凝土出现裂缝的问题，保证了试点工程的成功。在此过程中曾对梁端局应力作了有限元分析，有限元分析采用ANSYS软件，共分4种工况进行分析：其中工况1的箱梁腹板厚度为30cm，锚固区钢绞线未设置锚固失效段（分析结果如图3）；工况2的箱梁腹板厚度为30cm，锚固区钢绞线设置锚固失效段；工况3的箱梁腹板厚度增大为40cm，锚固区钢绞线未设置锚固失效段；工况4的箱梁腹板厚度增大为40cm，锚固区钢绞线设置锚固失效段（分析结果如图4）。图3 工况1箱梁腹板钢绞线锚固区混凝土拉应力图4 工况4箱梁腹板钢绞线锚固区混凝土拉应力根据有限元分析的结果，说明防止箱梁腹板钢绞线锚固区

11、混凝土因局部应力过大而开裂的有效措施是：增大锚固区腹板的厚度、并设置钢绞线锚固失效段。早在50年代我国铁道部门曾试制过跨度为31.7m折线配筋先张梁，采用置于梁体内部的枣核形暗锚加强钢丝锚固，由于锚固处的局部应力，产生了许多放射状裂缝，导致折线配筋先张预应力梁的研究和生产被搁置。我们这次在折线先张预应力混凝土桥梁的研究较好的解决了此问题。3.折线配筋预应力混凝土先张梁的设计与荷载试验研究作为传统的预应力砼施工工艺的一种，先张预应力砼的设计理论是成熟的，其设计要点已纳入了现行设计规范，唯因折线配筋预应力砼先张梁的实际应用在我国尚在探索中，故与之相关的预应力损失，折线筋的设计强度，自锚段应力分析，

12、折线段局部应力等问题都有待深入；同时，设计中普遍使用的公路桥梁平面计算程序对先张法设计使用不多，故程序功能不如后张法完善，为此作为研究，本课题包括了如何使用通常的预应力混凝土桥梁计算程序计算折线配筋预应力混凝土先张梁的建议。通过7.5m小梁受力性能试验、12m跨折线配筋预应力砼先张梁极限荷载试验、35m跨折线配筋预应力砼小箱梁设计荷载试验与理论分析证明：公路折线配筋预应力砼先张梁总体可按现行预应力砼桥涵设计规范进行，唯需注意以下几点：（1）预应力损失因折线配筋先张梁无管道摩擦损失，但是折线钢束与弯起器之间却存在摩擦，设计中应注意用弯起器损失取代规范中的。根据摩擦力等于正压力乘以摩擦系数的概念，

13、与7.5m小梁试验、35m小箱梁施工监测可求得弯起器摩擦损失，式中为张拉控制应力，为折线筋通过弯起器的折角。至于其它项预应力损失则均可按规范计算。（2）弯折钢束的强度折减应用弯起器带来的另一个问题应是弯起预应力束因折弯导致的强度折减，由试验研究知，其折减系数为（a 为角度，单位：度），于承力计算中应用到此系数。（3）计算程序的使用折线配筋预应力混凝土先张梁的设计计算，可采用一般公路桥梁通用计算软件完成，由于程序对折线配筋先张梁的预应力损失、弯起筋强度折减等因素没有考虑，需要设计时有针对性地进行调整，具体调整项目如下：折线先张梁的预应力损失: 程序只能自动计算（预应力钢筋的松驰损失）及（砼收缩和

14、徐变损失），为此应先计算出各项预应力损失，输入数据时，把折线钢束和直线钢束的设计张拉应力扣除这部分损失值，作为计算张拉应力输入；先张法预应力钢筋传力长度：对先张法预应力混凝土构件端部区段进行正截面，斜截面抗裂验算时，应考虑预应力钢筋传力长度的影响，程序计算中为体现钢筋的传力长度，可采用按三个点分三次输入钢绞线数量的方法进行模拟；折线钢束的输入：可采用小曲率半径弯束来模拟折线钢束；折线钢绞线的静力破断强度折减：在进行持久状况承载能力极限状态计算时，应对折线预应力钢筋的设计强度予以折减。依据上述设计方法，我们为河南驿宛高速公路设计了桐柏淮河桥（35m跨小箱梁）、为山东德商高速设计了鄄城黄河桥（引桥

15、50m折线先张T梁），取得了很好的效益，为验证设计的可靠性于施工现场作了35m跨折线配筋预应力砼先张梁的设计荷试验（如图5）。图535m跨小箱梁荷载试验实景试验结果表明35m折线先张预应力混凝土箱梁跨中截面弯矩增加到正常使用极限状态弯矩时，跨中截面处未扣除反拱的最大挠度仅为22.79mm，为计算跨度的1/1535；当荷载弯矩增加到作用短期效应弯矩时，梁底未出现裂缝，说明试验箱梁在正常使用极限状态下的抗裂性能符合要求，当荷载弯矩增加到设计极限弯矩（理论破坏弯矩）时，梁底仍未出现裂缝，说明试验箱梁的抗裂性有较大的储备，完全符合全预应力梁抗裂性能的要求。试验过程中箱弯剪段自始至终未出现斜裂缝。说明由

16、于折线形预应力筋的作用，有效提高了箱梁的抗剪承载力和斜截面抗裂性能，箱梁抗剪承载力也完全能够满足工程要求。4.折线配筋预应力混凝土先张梁的施工工艺研究综观国内外折线配筋预应力砼先张梁的应用成果与施工实例，我们于折线配筋预应力砼先张梁的施工工艺研究课题中，重点作了以下三个方面的工作：（1）弯起的器的的选型与试验研究折线配筋的弯起器张拉需借施工时固定于台座制作后埋置于混凝土中的弯起器来实现，青藏铁路用的弯起器形式如图6，这种弯起器通常称为辊轴式弯起器，而如图7所示台湾高速铁路所用的弯起器则称为音叉式弯起器，不同之处仅在于弯起器与台座底板的锚固装置。图8为我们用于35m跨小箱梁的弯起器，较之铁路工程

17、常用的辊轴式弯起器这种拉板式弯起器具有以下优点：图8图6图71）构造简单、各部件受力明确；2）材料用量少，费用较低；3）安装、拆卸容易；4）能满足弯起器作微量弯转、纵移的要求；5）可用于直腹板亦可用于斜腹板。（2）预制台座的研究与设计折线配筋先张预应力砼张拉台座的反力梁有固定和活动的两种，张拉横梁亦有固定和活动的两种（见图9、10）。图9先张大箱梁的张拉横梁及外模板图10I型梁的先张台座图10为西班牙在I型梁的先张台座，采用活动反力梁和活动横梁，活动模板反力梁可移动至梁宽，带模反力梁放张后可以移走，以让出移梁空间。带模反力梁固可节省部分费用但如果遇梁体带有横隔梁则应用问题较多。故我们于35m跨

18、小箱梁施工中未采用带模反力梁形式而结合工地植被设备情况分别为淮河桥及黄鸭河桥设计了长、短线法两套方案（见图11），短线法采用长33m钢箱梁作反力梁，钢箱梁截面600×1200mm；长线法采用800×1200mm矩形截面的钢筋混凝土梁作反力梁，全长72.54m；其中短线法台座一次制梁一片，长线法可同时制梁两片。长线法台座的优点：由于采用钢筋混凝土反力梁，最大的优点为一次性投入少，造价低、浇筑速度快，而且由于整体浇筑，稳定性较好。缺点是只能一次性使用，不可重复利用，施工完还需要处理临时构造物；另一缺点是对于同时有两片35m先张法预制预应力小箱梁的长线台座在进行折线钢铰线张拉时，相当於对单片35m先张法预制预应力小箱梁进行单端张拉，增大了弯起器处摩阻力，增大了折线钢铰线的预应力损失。图11a长线台座图11b 短线台座短线法台座优点：反力梁采用钢结构，可以工厂加工，结构精确，可以拆装以重复利用，且受力性能较好，整体变形量较小。特别是可两端张拉，弯起器处摩阻力减小。缺点为一次投入大，现场安装精度要求高。先张施工中钢绞线锚固在张拉台座两端的张拉横梁上，张拉横梁采用上下两根。上张拉横梁锚固弯起钢绞线，下张拉横梁锚固直线钢绞线。上、下张拉横梁通