预弯预应力混凝土梁结构与应用

预弯预应力混凝土梁结构分析与应用预弯预应力梁是利用钢梁自身的变形，对下翼缘施加预应力的一种钢一混凝土组合结构，它由预弯钢梁、一期混凝土、二期混凝土共同组成组合梁，见图1所示。预弯预应力混凝土梁主要有建筑高度小、刚度大，承载能力大，抗裂性能好，抗疲劳性能好，安全可靠等优点。图1预弯组合梁1.预弯组合梁的基本原理预弯组合梁是将一片高强度钢梁按照设计的曲线加工成具有拱度的钢梁，然后把钢梁两端放在支座上，在保持钢梁简支状态下，在距梁端1/4一1/3跨度的位置上作用一对大小相等的预弯力，从而使钢梁产生预弯变形。在预弯力作用下，钢梁的下翼缘处于受拉状态。保持预弯力不变，在钢梁下翼缘浇筑高强度等级混凝土(一期混凝土)。待混凝土强度和弹性模量达到设计值的95%后，卸去预弯力，钢梁发生回弹，从而使钢梁的下翼缘混凝土产生预压应力。回弹完成后，在预弯组合梁的上翼缘和腹板上浇筑二期混凝土，构成完整的预弯组合梁，见图2。因此，预弯组合梁是利用钢梁卸预弯力时所释放出来的预弯弯矩对一期混凝土施加预应力的，从而达到限制混凝土开裂和提高承载能力的目的。图2预弯组合梁的基本原理预弯预应力混凝土构件第一次浇筑的混凝土，是直接得到预加应力的混凝土截面部分，在后期混凝土浇筑之前，随着混凝土徐变、收缩及钢材应力松弛，组合梁的钢与混凝土截面之间将发生内力及应力重分布，钢梁的预加预弯预应力开始损失。预弯组合梁与预应力钢筋混凝土梁有很大差别，预弯组合梁的钢梁具有很大的抗弯刚度，它除了在卸预弯力作用下对一期混凝土施加压应力，钢梁自身的刚度可承担一部分弯矩，当预弯组合梁的下翼缘混凝土开裂后，由于钢梁的作用，梁体应力发生重分配，减缓了混凝土裂缝的发展。而预应力钢筋混凝土需要通过张拉、压浆等设备将高强钢束张拉，混凝土在偏心受压状态下产生预压应力。当预应力钢筋混凝土梁下翼缘混凝土开裂后，梁体则基本失去承载能力而导致构件破坏。2.预弯预应力梁的结构受力性能由竺存宏先生做得关于“预弯复合梁的试验”中详细地描述了预弯预应力混凝土梁受力过程中裂缝形成与发展规律[1][2]。预弯预应力梁的裂缝特征预弯预应力混凝土梁下缘一期浇筑的混凝土开裂前，应变沿梁纵向分布均匀；混凝土开裂后裂缝分布的主要特点是细密、间隔均匀，主裂缝特征不明显，当下缘混凝土开裂后，混凝土与钢梁截面产生应力重分布，但钢梁的抗弯能力抑制了裂缝加宽和加深，当荷载继续增大时，老裂缝之间因混凝土应力加大而产生新裂缝。只要混凝土开裂位置钢梁未进入塑性状态，卸载后裂缝将完全闭合，由试验结果可知一期浇筑混凝土的最大和平均裂缝宽度与荷载之间的变化规律近似为双直线。2.2．预弯预应力梁的刚度变化由预弯预应力混凝土梁在重复荷载作用的试验，可以知道下面几点知识：eq\o\ac(○,1)由于钢梁具有较大的抗弯刚度，当荷载小于消压值后钢梁反弹可使裂缝闭合、压紧；eq\o\ac(○,2)一期荷载浇筑的混凝土开裂后，开裂部分混凝土仍处于弹性阶段，致使跨中挠度和荷载近似保持线性关系。因而关于预弯预应力混凝土梁的截面刚度，我们可以得到结论：当荷载小于消压值时，预弯预应力混凝土梁的截面刚度，近似认为与截面混凝土是否曾经开裂无关；当荷载引起的弯矩大于消压弯矩但小于曾受到的最大弯矩时，预弯预应力混凝土梁的截面刚度将近似保持一常数。2.3.预弯预应力混凝土梁的受力过程由竺存宏做的预弯复合梁试验表明：eq\o\ac(○,1)当钢梁与混凝土之间结合处理良好时，预弯预应力混凝土梁在整个受力过程中，未开裂混凝土与钢梁将整体共同作用；eq\o\ac(○,2)一期混凝土开裂前，梁的截面变形符合平截面假定，应变沿梁高呈线性分布；eq\o\ac(○,3)一期混凝土第一次开裂时，由于混凝土开裂所释放的应力使梁截面应力发生重分布，但已开裂的梁在重复荷载作用下就没有这种现象；eq\o\ac(○,4)开裂过一期混凝土，当荷载小于消压荷载时，裂缝完全闭合而应变仍可认为恢复到开裂前的状态。另外在参考文献3中通过根预弯梁的静载和疲劳加载试验,对预弯梁的破坏特征、截面应变、混凝土极限压应变等进行探讨。预弯梁在接近破坏时已退化成劲性钢筋混凝土梁，试验表明,预弯梁的受力性能具有预应力混凝土梁和型钢梁的受力性能,在正常情况下,受力过程大致分为弹性工作阶段、带裂缝工作阶段、弹塑性工作阶段和破坏阶段。在荷载作用下,出现裂缝以前,挠度较小,一关系呈线性图3出现裂缝以后,挠度增长加快,特别是由电测结果显示受拉区型钢开始屈服以后,一关系呈现明显的非线性。破坏前,裂缝不断发展,条数增多,但裂缝较为细密,间距均匀中性轴持续上升,压区高度减小,破坏前的主裂缝特征不明显,而挠度显著增大且不能稳定,最后压区混凝土压碎。型钢上翼缘与混凝土交接处也出现纵向水平裂缝,表明二者之间的粘结力同时也遭到破坏,这种情况可通过增加型钢上缘抗剪器加以防止。图3预弯梁的荷载—挠度关系曲线2.4.结构分析关键点预弯预应力混凝土梁的组合截面成型过程和各部分截面作用对其结构分析很重要。预弯预应力混凝土构件是一种钢骨混凝土组合构件，刚与混凝土之间将发生较大的内力及应力重分布，同时各部分截面的混凝土之间也因应力状态、徐变与收缩规律不同而发生内力及应力重分布，之后，截面的应力分布将发生较大的变化。在分析截面应力分布随时间的变化的过程中，每个工况计算得到的预弯预应力混凝土构件组合截面的内力，应分解至截面的各组成部分。3.关于预弯预应力梁的施工方面预弯组合梁一般有两种施工工艺，一种是单片梁加载预压方式，工艺过程见图4，另一种是双梁对弯同时加载预压的方式，工艺过程见图5。单片梁加载预压的施工方法简单，结构受力过程容易分析，但在预弯组合梁的数量较多或成规模生产时，预制场地的占用面积大，而且需对地基进行加固，并打入锚桩处理，施工场地的要求条件高，不利于在繁华的城区内施工。双梁对弯同时加载预压的施工步骤多，需要增加翻转设备，结构受力分析较为复杂，国内外缺乏关于两片预弯组合梁同时加载预压的参考资料和借鉴的经验，但双梁对弯加载预压能有效减少场地占用面积，场内基础不需要锚桩等处理方式，而且一次能同时制作两片预弯组合梁，施工速度快，效率高。图4单片梁加载预压工艺流程图5双梁加载预压工艺流程文献4中对预弯组合梁的施工技术做了详细的分析研究，主要有施工工艺、施工的稳定性包括整体稳定性和局部稳定性、施工阶段的应力和变形分析、预弯组合梁式桥的荷载试验分析等。从这些分析中我学到了很多并结合其他学习资料，总结如下：（1）预弯组合梁整体性能稳定，施工现场只要严把材料关，按设计的要求做好混凝土配合比试验和钢材加工，加强现场监控，现场的实测值基本能反映设计的具体要求。（2）预弯组合梁在相同使用荷载作用下，由于含钢量大，梁的建筑高度较一般预应力混凝土梁小，吊装重量轻，承载力高，外型美观，有利降低工程用地范围及减小施工设备的投入，增强城市桥梁的观赏性。（3）预弯组合梁的加工费用较高，对材料的性能要求严格，在相同荷载和跨径的条件下，单跨的预弯组合梁同比PC箱梁和PC.T梁的造价要高出10%左右，但比钢箱梁的造价要低35%以上，在一座桥梁上全部采用预弯组合梁显然是不经济的;在一座桥梁上采用1一2跨预弯组合梁要比采用PC箱梁和PC.T梁的工程总造价降低5一10%以上;在多层立交桥上的标高控制桥跨上采用预弯组合梁要比采用PC箱梁和PC.T梁的工程总造价降低得更多，说明预弯组合梁结构的经济性较一般预应力混凝土梁好。（4）预弯组合梁施工工艺的选用根据场地和工期的具体可采用单梁预压和双梁对弯两种方法，单梁预压工艺施工方法简单、施工工期长、场地占用面积大、对地基基础的要求高;双梁对弯工艺施工速度快、可适用于各种场地、无需特别处理地基基础，但施工步骤繁多，需进行复杂的施工过程分析。（5）桥梁荷载试验进一步证明，预弯组合梁在具备建筑高度小、自身重量轻、施工速度快、外型优美等特点的同时，桥梁的承载力、稳定性、结构的安全性和耐久性都能得到满足。预弯组合梁双梁对弯的施工工艺在技术上可行，经济效益优越，工艺的适用性强，施工设备可多次周转使用。4.预弯组合梁在桥梁上的应用钢—混凝土组合结构，以充分发挥钢和混凝土材性为特点，成为一种具有一定优势的桥梁结构。预应力混凝土结合梁结构由于钢梁与混凝土板之间将发生内力重分布，造成混凝土截面的预压应力部分释放、转移至钢梁截面，同时预加力也使钢梁受到了预加力，结果混凝土预压应力损失较大，钢梁承担较大的压应力、局部稳定性受到影响。因此，为了满足受力和稳定要求，预应力混凝土结合梁的钢梁需要设置足够的加劲板。4.1波形钢腹板—混凝土组合结构为改善上述问题，20世纪80年代建造的法国Mpaupre桥，将钢梁的腹板改为沿轴线方向的波纹形构造，称为波形钢腹板—混凝土组合结构。波形构造的钢腹板沿梁轴向的刚度很小，受到压力时主要发生横向弯曲变形，由于波形钢腹板具有这种受力性能，组合截面受到预加力主要由混凝土截面承担，而徐变和收缩引起的混凝土轴向变形大部分都自由释放，波形钢腹板的另一个特点是横向刚度大、不需要附加加劲构造，且所用钢板较薄，也就节省了不少钢材用量。日本是波形钢腹板发展最快的国家，这些桥梁的结构形式有简支梁、连续梁、连续刚构及T形刚构。4.2钢桁腹-混凝土组合梁桥钢桁腹-混凝土组合梁桥是另一种钢—混凝土组合梁。这种结构的特点是将原来满腹的钢板替换为空心的桁架构造，从而使桥梁腹部受力更明确，避免了徐变、收缩内力重分布的不利影响和波形钢腹可能导致的混凝土裂缝，另外，钢桁腹—混凝土组合桥轻巧的外形构造和较便利的施工方法，也使这种结构的使用范围越来越广。4.3我国的预弯组合梁桥我国的预弯组合梁的设计与施工也取得了很大的进展，如表1列举了己建成的具有代表性的2座预弯组合梁桥的主要情况。表1已建成的预弯组合梁的情况预弯组合梁作为桥梁结构上部构造的基本形式之一，具有其自身独特的优越性，通过国内外对这种结构的大量试验和研究，应用范围越来越广泛。它具有结构承载力大、吊装重量轻、抗震、抗裂性能好、施工速度快、结构耐久性好等特点，其最大的优势在于作为桥梁的重要技术指标之一结构高度小、高跨比小，这对于多层立交桥和高速公路的跨线桥都具有重要的意义。对于城市立交桥，采用预弯组合梁式桥可以有效减小桥梁的总高度，减小各层桥梁的长度对于公路，则可使路堤高度明显降低并减小其长度，采用可靠快速的施工工艺将进一步促进我国桥梁设计，加工、建造技术的日臻成熟，带来较大的经济效益和社会效益，但当前国内关于预弯组合梁式桥的设计和施工技术尚不成熟。4.4桥梁上部结构的一种加固方法在桥梁上部结构加固方案中可以采用预弯梁法，能够有效防止