折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

1、折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用1.概述預(yù)應(yīng)力砼分先張和后張兩種工藝，就工藝對(duì)比可知先張預(yù)應(yīng)力混凝土便于工廠化預(yù)制，具有施工周期短、工序簡(jiǎn)潔、節(jié)省材料、維修養(yǎng)護(hù)工程量少、耐久性好等特點(diǎn)，因而在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。先張梁與后張梁相比，雖然增加了預(yù)制場(chǎng)張拉臺(tái)座的工作量，卻可以省去成孔、穿束、壓漿工藝。更為重要的是，它完全避免了后張法中可能出現(xiàn)的堵孔、壓漿不密實(shí)、預(yù)應(yīng)力失控等影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量與耐久性的問(wèn)題。很多預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的裂縫和持續(xù)下?lián)希c預(yù)應(yīng)力鋼材的后期銹蝕有關(guān)，而采用不正確的壓漿工藝和潮濕空氣的侵蝕是其中的主要原因。很明顯，如果采用先張法則可以很好地避免這些問(wèn)題的出現(xiàn)，然因工

2、程習(xí)慣所限，傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土先張工藝一般均采用直線配筋，因而限制了其應(yīng)用范圍，導(dǎo)致20m跨以上的鐵路橋梁、30m跨以上的公路橋梁一般均采用后張法施工。為在較大跨度橋梁工程中應(yīng)用先張法，工程界開始關(guān)注折線配筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁的應(yīng)用研究，在這方面某些發(fā)達(dá)國(guó)家的研究應(yīng)用走到了我們的前面。為解決高原嚴(yán)寒地區(qū)橋梁耐久性問(wèn)題我國(guó)鐵路部門在本世紀(jì)初于青藏鐵路建設(shè)中開始了折線配筋先張預(yù)應(yīng)力混凝土梁的研究與應(yīng)用，跨度為24米，繼而在合寧高速鐵路中得到了應(yīng)用，而在公路橋梁領(lǐng)域中，這項(xiàng)研究尚屬空白。為此河南省高速公路建設(shè)發(fā)展有限公司按王用中大師的建議，結(jié)合河南省高速公路建設(shè)的實(shí)際情況以“公路工程折線配筋先張法

3、預(yù)應(yīng)力混凝土梁的研究與應(yīng)用”為題開展了這項(xiàng)研究，經(jīng)近二年的努力基本解決了在公路工程中應(yīng)用折線配筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并在河南驛宛高速公路淮河橋、嶺南高速公路黃鴨河大橋工程成功地應(yīng)用了該項(xiàng)研究成果。2.折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁的受力性能研究（1）7.5m先張、后張預(yù)應(yīng)力混凝土矩形梁受力性能對(duì)比試驗(yàn)試驗(yàn)梁梁高40cm，梁長(zhǎng)7.5m，計(jì)算跨徑7.2m，按同一配筋情況作了先張梁4根，后張梁3根，試驗(yàn)時(shí)量了測(cè)施工階段的預(yù)應(yīng)力損失，進(jìn)行了先、后張法預(yù)應(yīng)力混凝土矩形梁在豎向荷載作用下的彎曲試驗(yàn)，以檢驗(yàn)梁在正常使用荷載下的變形和抗裂性能，測(cè)定梁的最大承載力，試驗(yàn)情況如圖1： (a)試驗(yàn)中量測(cè)變形

4、 (b)臨近破壞時(shí) (c)破壞情況 (d)彎剪區(qū)段裂縫圖1 先張法折線形預(yù)應(yīng)力筋7.5m跨矩形梁試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果如下表1表3。表1 折線先張梁和后張梁承載力比較梁編號(hào)實(shí)測(cè)極限彎矩Mu (kN.m)計(jì)算極限彎矩Muc (kN.m)Mu/Muc說(shuō) 明XPB-1249.43180.731.380折線先張梁XPB-2225.43170.121.325折線先張梁XPB-3296.23219.801.348折線先張梁XPB-4255.43191.471.334折線先張梁HPB-1213.40182.501.169曲線后張梁HPB-2200.20170.301.176曲線后張梁HPB-3300.40233.10

5、1.289直線后張梁表2 折線先張梁和后張梁開裂彎矩比較梁編號(hào)實(shí)測(cè)開裂彎矩Mcr (kN.m)計(jì)算開裂彎矩Mcrc (kN.m)Mcr/Mcrc說(shuō) 明XPB-167.95630.927折線先張梁XPB-271.267.20.943折線先張梁XPB-366.6764.80.971折線先張梁XPB-463.5367.21.05折線先張梁HPB-187.489.90.972曲線后張梁HPB-282.690.70.911曲線后張梁HPB-395.294.91.003直線后張梁表3 折線先張梁和后張梁破壞前撓度比較梁編號(hào)實(shí)測(cè)破壞前撓度f(wàn) (mm)計(jì)算破壞前撓度f(wàn) c (mm)f/f c說(shuō) 明XPB-18

6、0.6594.030.858折線先張梁XPB-278.9888.070.897折線先張梁XPB-372.3086.700.834折線先張梁XPB-472.1980.000.902折線先張梁HPB-169.9875.460.927曲線后張梁HPB-265.3574.770.874曲線后張梁HPB-368.7388.530.776直線后張梁由對(duì)比試驗(yàn)可得出如下結(jié)論：1）折線先張預(yù)應(yīng)力梁彎起器處的摩擦損失可按課題組建議公式計(jì)算，計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果符合良好，且有一定的保證率。其余各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失可按公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D62-2004或混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2002

7、建議的公式計(jì)算；2）折線先張預(yù)應(yīng)力梁有足夠的承載力安全儲(chǔ)備，在達(dá)到設(shè)計(jì)破壞荷載的130%以上時(shí)才發(fā)生破壞，而曲線后張預(yù)應(yīng)力梁承載力的安全儲(chǔ)備較折線先張預(yù)應(yīng)力梁略低；3）折線先張預(yù)應(yīng)力梁的抗裂性略好于后張預(yù)應(yīng)力梁；4）在彎矩增大到開裂彎矩Mcr時(shí)（試驗(yàn)梁跨中截面已出現(xiàn)裂縫），彎起器上方混凝土的拉應(yīng)力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk，折線先張預(yù)應(yīng)力梁臨近破壞時(shí)彎起器鋼板與混凝土接觸面以及彎起器上面的混凝土并未出現(xiàn)裂縫，說(shuō)明彎起能夠很好的與混凝土共同工作，不會(huì)造成彎起器處混凝土的提早開裂。（2）折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁鋼絞線應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度及錨固區(qū)砼應(yīng)力狀態(tài)研究先張法預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在切斷鋼絞線放張后，混凝土中

8、的有效預(yù)壓應(yīng)力是依靠鋼絞線和混凝土之間的粘結(jié)力逐漸建立起來(lái)的。在構(gòu)件的端頭，鋼絞線的拉應(yīng)力和混凝土的壓應(yīng)力均為零，隨著距構(gòu)件端頭距離的增大，從先張法構(gòu)件切斷鋼絞線的端部到構(gòu)件中鋼絞線的拉應(yīng)力達(dá)到最大有效拉應(yīng)力spe的距離稱為鋼絞線的預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度ltr，在ltr范圍內(nèi)鋼絞線和混凝土的應(yīng)力分別從零逐漸增大到有效預(yù)拉應(yīng)力spe和有效預(yù)壓應(yīng)力spc，在先張法預(yù)應(yīng)力構(gòu)件端部區(qū)段的抗裂驗(yàn)算中應(yīng)考慮混凝土預(yù)壓應(yīng)力的變化。(a) TPB-1西端 (b) TPB-2西端圖2 鋼絞線預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度計(jì)算圖2為本試驗(yàn)構(gòu)件端部區(qū)段實(shí)測(cè)的混凝土壓應(yīng)力分布和按JTG D62-2004、GB50010-2002規(guī)范計(jì)算的混

9、凝土壓應(yīng)力分布的比較，從圖中可以看出在構(gòu)件端部區(qū)段實(shí)測(cè)的混凝土壓應(yīng)力要大于按規(guī)范計(jì)算的壓應(yīng)力，說(shuō)明先張法折線形預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度仍可按公路鋼筋混凝及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D62-2004或混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2002的規(guī)定計(jì)算，并有一定抗裂儲(chǔ)備。本項(xiàng)研究的初期，在驛宛高速公路淮河橋的第一片中梁和第一片邊梁的試制過(guò)程中由于35m箱梁端頭腹板的厚度原設(shè)計(jì)為30cm，而每側(cè)腹板錨固區(qū)的鋼絞線多達(dá)1214根，切斷鋼絞線后在錨固區(qū)的混凝土出現(xiàn)了裂縫。為此課題組對(duì)鋼絞線錨固區(qū)混凝土的局部應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析，采取了增大錨固區(qū)腹板的厚度、設(shè)置鋼絞線錨固失效段以及增設(shè)鋼筋網(wǎng)片

10、等措施，較好地解決了鋼絞線錨固區(qū)的混凝土出現(xiàn)裂縫的問(wèn)題，保證了試點(diǎn)工程的成功。在此過(guò)程中曾對(duì)梁端局應(yīng)力作了有限元分析，有限元分析采用ANSYS軟件，共分4種工況進(jìn)行分析：其中工況1的箱梁腹板厚度為30cm，錨固區(qū)鋼絞線未設(shè)置錨固失效段（分析結(jié)果如圖3）；工況2的箱梁腹板厚度為30cm，錨固區(qū)鋼絞線設(shè)置錨固失效段；工況3的箱梁腹板厚度增大為40cm，錨固區(qū)鋼絞線未設(shè)置錨固失效段；工況4的箱梁腹板厚度增大為40cm，錨固區(qū)鋼絞線設(shè)置錨固失效段（分析結(jié)果如圖4）。圖3 工況1箱梁腹板鋼絞線錨固區(qū)混凝土拉應(yīng)力圖4 工況4箱梁腹板鋼絞線錨固區(qū)混凝土拉應(yīng)力根據(jù)有限元分析的結(jié)果，說(shuō)明防止箱梁腹板鋼絞線錨固區(qū)

11、混凝土因局部應(yīng)力過(guò)大而開裂的有效措施是：增大錨固區(qū)腹板的厚度、并設(shè)置鋼絞線錨固失效段。早在50年代我國(guó)鐵道部門曾試制過(guò)跨度為31.7m折線配筋先張梁，采用置于梁體內(nèi)部的棗核形暗錨加強(qiáng)鋼絲錨固，由于錨固處的局部應(yīng)力，產(chǎn)生了許多放射狀裂縫，導(dǎo)致折線配筋先張預(yù)應(yīng)力梁的研究和生產(chǎn)被擱置。我們這次在折線先張預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的研究較好的解決了此問(wèn)題。3.折線配筋預(yù)應(yīng)力混凝土先張梁的設(shè)計(jì)與荷載試驗(yàn)研究作為傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力砼施工工藝的一種，先張預(yù)應(yīng)力砼的設(shè)計(jì)理論是成熟的，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)已納入了現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，唯因折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁的實(shí)際應(yīng)用在我國(guó)尚在探索中，故與之相關(guān)的預(yù)應(yīng)力損失，折線筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，自錨段應(yīng)力分析，

12、折線段局部應(yīng)力等問(wèn)題都有待深入；同時(shí)，設(shè)計(jì)中普遍使用的公路橋梁平面計(jì)算程序?qū)ο葟埛ㄔO(shè)計(jì)使用不多，故程序功能不如后張法完善，為此作為研究，本課題包括了如何使用通常的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁計(jì)算程序計(jì)算折線配筋預(yù)應(yīng)力混凝土先張梁的建議。通過(guò)7.5m小梁受力性能試驗(yàn)、12m跨折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁極限荷載試驗(yàn)、35m跨折線配筋預(yù)應(yīng)力砼小箱梁設(shè)計(jì)荷載試驗(yàn)與理論分析證明：公路折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁總體可按現(xiàn)行預(yù)應(yīng)力砼橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行，唯需注意以下幾點(diǎn)：（1）預(yù)應(yīng)力損失因折線配筋先張梁無(wú)管道摩擦損失，但是折線鋼束與彎起器之間卻存在摩擦，設(shè)計(jì)中應(yīng)注意用彎起器損失取代規(guī)范中的。根據(jù)摩擦力等于正壓力乘以摩擦系數(shù)的概念，

13、與7.5m小梁試驗(yàn)、35m小箱梁施工監(jiān)測(cè)可求得彎起器摩擦損失，式中為張拉控制應(yīng)力，為折線筋通過(guò)彎起器的折角。至于其它項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失則均可按規(guī)范計(jì)算。（2）彎折鋼束的強(qiáng)度折減應(yīng)用彎起器帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題應(yīng)是彎起預(yù)應(yīng)力束因折彎導(dǎo)致的強(qiáng)度折減，由試驗(yàn)研究知，其折減系數(shù)為（a 為角度，單位：度），于承力計(jì)算中應(yīng)用到此系數(shù)。（3）計(jì)算程序的使用折線配筋預(yù)應(yīng)力混凝土先張梁的設(shè)計(jì)計(jì)算，可采用一般公路橋梁通用計(jì)算軟件完成，由于程序?qū)φ劬€配筋先張梁的預(yù)應(yīng)力損失、彎起筋強(qiáng)度折減等因素沒(méi)有考慮，需要設(shè)計(jì)時(shí)有針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)整，具體調(diào)整項(xiàng)目如下：折線先張梁的預(yù)應(yīng)力損失: 程序只能自動(dòng)計(jì)算（預(yù)應(yīng)力鋼筋的松馳損失）及（砼收縮和

14、徐變損失），為此應(yīng)先計(jì)算出各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失，輸入數(shù)據(jù)時(shí)，把折線鋼束和直線鋼束的設(shè)計(jì)張拉應(yīng)力扣除這部分損失值，作為計(jì)算張拉應(yīng)力輸入；先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋傳力長(zhǎng)度：對(duì)先張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件端部區(qū)段進(jìn)行正截面，斜截面抗裂驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋傳力長(zhǎng)度的影響，程序計(jì)算中為體現(xiàn)鋼筋的傳力長(zhǎng)度，可采用按三個(gè)點(diǎn)分三次輸入鋼絞線數(shù)量的方法進(jìn)行模擬；折線鋼束的輸入：可采用小曲率半徑彎束來(lái)模擬折線鋼束；折線鋼絞線的靜力破斷強(qiáng)度折減：在進(jìn)行持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)，應(yīng)對(duì)折線預(yù)應(yīng)力鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度予以折減。依據(jù)上述設(shè)計(jì)方法，我們?yōu)楹幽象A宛高速公路設(shè)計(jì)了桐柏淮河橋（35m跨小箱梁）、為山東德商高速設(shè)計(jì)了鄄城黃河橋（引橋

15、50m折線先張T梁），取得了很好的效益，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性于施工現(xiàn)場(chǎng)作了35m跨折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁的設(shè)計(jì)荷試驗(yàn)（如圖5）。圖535m跨小箱梁荷載試驗(yàn)實(shí)景試驗(yàn)結(jié)果表明35m折線先張預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁跨中截面彎矩增加到正常使用極限狀態(tài)彎矩時(shí)，跨中截面處未扣除反拱的最大撓度僅為22.79mm，為計(jì)算跨度的1/1535；當(dāng)荷載彎矩增加到作用短期效應(yīng)彎矩時(shí)，梁底未出現(xiàn)裂縫，說(shuō)明試驗(yàn)箱梁在正常使用極限狀態(tài)下的抗裂性能符合要求，當(dāng)荷載彎矩增加到設(shè)計(jì)極限彎矩（理論破壞彎矩）時(shí)，梁底仍未出現(xiàn)裂縫，說(shuō)明試驗(yàn)箱梁的抗裂性有較大的儲(chǔ)備，完全符合全預(yù)應(yīng)力梁抗裂性能的要求。試驗(yàn)過(guò)程中箱彎剪段自始至終未出現(xiàn)斜裂縫。說(shuō)明由

16、于折線形預(yù)應(yīng)力筋的作用，有效提高了箱梁的抗剪承載力和斜截面抗裂性能，箱梁抗剪承載力也完全能夠滿足工程要求。4.折線配筋預(yù)應(yīng)力混凝土先張梁的施工工藝研究綜觀國(guó)內(nèi)外折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁的應(yīng)用成果與施工實(shí)例，我們于折線配筋預(yù)應(yīng)力砼先張梁的施工工藝研究課題中，重點(diǎn)作了以下三個(gè)方面的工作：（1）彎起的器的的選型與試驗(yàn)研究折線配筋的彎起器張拉需借施工時(shí)固定于臺(tái)座制作后埋置于混凝土中的彎起器來(lái)實(shí)現(xiàn)，青藏鐵路用的彎起器形式如圖6，這種彎起器通常稱為輥軸式彎起器，而如圖7所示臺(tái)灣高速鐵路所用的彎起器則稱為音叉式彎起器，不同之處僅在于彎起器與臺(tái)座底板的錨固裝置。圖8為我們用于35m跨小箱梁的彎起器，較之鐵路工程

17、常用的輥軸式彎起器這種拉板式彎起器具有以下優(yōu)點(diǎn)：圖8圖6圖71）構(gòu)造簡(jiǎn)單、各部件受力明確；2）材料用量少，費(fèi)用較低；3）安裝、拆卸容易；4）能滿足彎起器作微量彎轉(zhuǎn)、縱移的要求；5）可用于直腹板亦可用于斜腹板。（2）預(yù)制臺(tái)座的研究與設(shè)計(jì)折線配筋先張預(yù)應(yīng)力砼張拉臺(tái)座的反力梁有固定和活動(dòng)的兩種，張拉橫梁亦有固定和活動(dòng)的兩種（見圖9、10）。圖9先張大箱梁的張拉橫梁及外模板圖10I型梁的先張臺(tái)座圖10為西班牙在I型梁的先張臺(tái)座，采用活動(dòng)反力梁和活動(dòng)橫梁，活動(dòng)模板反力梁可移動(dòng)至梁寬，帶模反力梁放張后可以移走，以讓出移梁空間。帶模反力梁固可節(jié)省部分費(fèi)用但如果遇梁體帶有橫隔梁則應(yīng)用問(wèn)題較多。故我們于35m跨

18、小箱梁施工中未采用帶模反力梁形式而結(jié)合工地植被設(shè)備情況分別為淮河橋及黃鴨河橋設(shè)計(jì)了長(zhǎng)、短線法兩套方案（見圖11），短線法采用長(zhǎng)33m鋼箱梁作反力梁，鋼箱梁截面600×1200mm；長(zhǎng)線法采用800×1200mm矩形截面的鋼筋混凝土梁作反力梁，全長(zhǎng)72.54m；其中短線法臺(tái)座一次制梁一片，長(zhǎng)線法可同時(shí)制梁兩片。長(zhǎng)線法臺(tái)座的優(yōu)點(diǎn)：由于采用鋼筋混凝土反力梁，最大的優(yōu)點(diǎn)為一次性投入少，造價(jià)低、澆筑速度快，而且由于整體澆筑，穩(wěn)定性較好。缺點(diǎn)是只能一次性使用，不可重復(fù)利用，施工完還需要處理臨時(shí)構(gòu)造物；另一缺點(diǎn)是對(duì)于同時(shí)有兩片35m先張法預(yù)制預(yù)應(yīng)力小箱梁的長(zhǎng)線臺(tái)座在進(jìn)行折線鋼鉸線張拉時(shí)，相當(dāng)於對(duì)單片35m先張法預(yù)制預(yù)應(yīng)力小箱梁進(jìn)行單端張拉，增大了彎起器處摩阻力，增大了折線鋼鉸線的預(yù)應(yīng)力損失。圖11a長(zhǎng)線臺(tái)座圖11b 短線臺(tái)座短線法臺(tái)座優(yōu)點(diǎn)：反力梁采用鋼結(jié)構(gòu)，可以工廠加工，結(jié)構(gòu)精確，可以拆裝以重復(fù)利用，且受力性能較好，整體變形量較小。特別是可兩端張拉，彎起器處摩阻力減小。缺點(diǎn)為一次投入大，現(xiàn)場(chǎng)安裝精度要求高。先張施工中鋼絞線錨固在張拉臺(tái)座兩端的張拉橫梁上，張拉橫梁采用上下兩根。上張拉橫梁錨固彎起鋼絞線，下張拉橫梁錨固直線鋼絞線。上、下張拉橫梁通