现代桥梁结构2-双预应力混凝土结构

1、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。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

2、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。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。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

3、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(BiPrestressing System) ，将其称之为“双预应力体系”（或称混合预应力体系）。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。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 Co

4、ncrete)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。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。双预应力混凝土结构

5、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 . Reiffenstuhl）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。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1/1

6、7左右，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。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。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

7、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。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

8、土受压区。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。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，

9、施工条件也不受限制。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。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

10、上缘受到较大的预拉应力，可用以抵消部分由荷载产生的压应力，其截面应力状态如图11-9(b)所示。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。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：双预应力混凝土结构n由上述应力状态我们可以

11、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。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，

12、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。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。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

13、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，并能使其满足使用要求。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。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

14、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。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

15、置如图11-12、图11-13所示。双预应力混凝土结构双预应力混凝土结构双预应力混凝土结构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。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。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），

16、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。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。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

17、。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。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

18、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。双预应力混凝土结构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。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

19、。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。双预应力混凝土结构n由于构件受到预拉与预压应力的作用，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）。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。双预应力混凝土结构双预应力混凝土结

20、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，远大于上述比例。双预应力混凝土结构n3由预加力引起的截面上下缘的应力比率，可以自由调整，对于荷载在受压翼缘而产生的较高的压应力，可以用预拉应力来减小。n4预压力筋的有效预压力与预拉力筋的有效预拉力之比为0.170.25，跨度大时可采用较大值。n5活载引的挠度最大不超过1/700的跨度。图11-17表示各种类型的预应力混凝土梁的跨度与梁高的关系，可以看出双预应力梁高跨比最小。双预应力混凝土结构双预应力混凝土结构n对跨度为2050m的梁高受限制的公路梁桥进行过试设计，按预制的工字形断面的简支梁考