裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋的構(gòu)造與設(shè)計

1、3.3 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋的構(gòu)造與設(shè)計裝配式鋼筋混凝土簡支梁橋，常用的經(jīng)濟(jì)合理跨徑在20m 以下?？鐝皆龃髸r，不但鋼材耗量大，而且混凝土開裂現(xiàn)象也往往比較嚴(yán)重，影響結(jié)構(gòu)的耐久性。為了提高簡支梁的跨越能力，可采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。目前，世界上預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的最大跨徑已達(dá)76m。但是，根據(jù)建橋?qū)嵺`，當(dāng)跨徑超過50m 后，不但結(jié)構(gòu)笨重，施工困難，經(jīng)濟(jì)性也較差。因此，我國橋規(guī)明確指出：預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋的標(biāo)準(zhǔn)跨徑不宜大于50m。3.3.1 橫截面設(shè)計1橫截面形式裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋的橫截面類型基本上與鋼筋混凝土梁橋類似，通常也做成T 形、I形，但為了方便布置預(yù)應(yīng)力束筋和滿足錨頭布置

2、的需要，下部一般都設(shè)有馬蹄或加寬的下緣(見圖3.15b、c。有時為了提高單梁的抗扭剛度并減小截面尺寸，也采用箱形(見圖3.15d。圖3.26 橫向分段裝配式梁 由于采用預(yù)應(yīng)力筋施加預(yù)壓力， 可以提供方便的接頭形式，為了使裝配式梁的預(yù)制塊件進(jìn)一步減小尺寸和 重量，還可做成橫向也分段預(yù)制的串 聯(lián)梁(如圖3.26。但由于串聯(lián)梁施工 麻煩，構(gòu)件預(yù)制精度要求高，在國內(nèi)使用較少。2主梁布置經(jīng)濟(jì)分析表明，對于跨徑較大的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋，當(dāng)?shù)跹b重量不受限制時，采用較大的主梁間距比較合理，一般可采用1.82.5m。3截面尺寸(1截面效率指標(biāo)為了合理設(shè)計預(yù)應(yīng)力混凝土梁的截面尺寸，首先分析其截面的受力特點。截面

3、特征如圖3.27所示： 在預(yù)加力階段和運營階段，預(yù)應(yīng)力混凝土梁截面承受雙向彎矩。在預(yù)加力階段，施加了偏心預(yù)加力，在預(yù)加力和自 重彎矩的共同作用下，合力相當(dāng)作用于截面的下核點 （截面上緣應(yīng)力為零）（如圖3.28a）；在運營階段，若計及預(yù) 應(yīng)力損失，截面內(nèi)合力為y N 1g M y N y N y y y N N N =，則在結(jié)構(gòu)附 加重力(橋面鋪裝、人行道、欄桿彎矩和汽車與人群荷 圖3.27 界面特征 2g M 圖3.27截面特征 載彎矩作用下，合力將從下核點移至上核點（截面下緣應(yīng)力為零），即移動了p M y N x s k k K +=的距離（如圖3.28b），則有：1 g y M e N =

4、 （3.1）(p g x s y y M M k k N N +=+2 （3.2）圖3.28預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的應(yīng)力狀態(tài)式中：預(yù)應(yīng)力筋距截面下核心的偏心矩； e x s k k 、截面上、下核心距。由式(3.1可見，偏心距實際上起到了無償?shù)窒髁鹤灾氐淖饔?。采用形心較高的截面，可以加大偏心距，從而節(jié)約預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量。 e e 式(3.2表明，截面核心距的大小體現(xiàn)了運營階段承受荷載的能力，而且核心距K 愈大預(yù)應(yīng)力筋就愈節(jié)省。排除截面梁高h(yuǎn) 的影響，可用截面效率指標(biāo)K = 表示，故應(yīng)使盡可能大。顯然，截面形式不同將影響到截面形心位置和截面效率指標(biāo)的大小。從經(jīng)濟(jì)性考慮，通常希望值在0.450.5以上

5、。實際上，對跨徑較大的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁，適當(dāng)加大翼緣寬度，增加梁的間距，可以提高截面效率指標(biāo)。（2）主梁高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋的主梁高度取決于采用的汽車荷載等級、主梁間距及建筑高度等因素，可在較大范圍內(nèi)變化。對于常用的等截面簡支梁，其高跨比的取值范圍在1/151/25，一般隨跨徑增大而取較小值，隨梁數(shù)減少而取較大值，對預(yù)應(yīng)力混凝土T 形梁一般可取1/161/18左右。當(dāng)橋梁建筑高度不受限制時，采用較大的梁高顯然是較經(jīng)濟(jì)的，因為加高腹板使混凝土用量增加不多，而節(jié)省預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量較多。其他細(xì)部尺寸在預(yù)應(yīng)力混凝土梁中，由于混凝土所受預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力束筋彎起，能抵消荷載剪力的作用，肋中的主拉應(yīng)力較小，

6、肋寬一般都由構(gòu)造和施工要求決定，但不小于160mm。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計中肋寬為140160mm。T梁上翼緣的厚度按鋼筋混凝土梁橋同樣的原則來確定。為了減小翼板和梁肋連接處的局部應(yīng)力集中和便于脫模，在該處一般還設(shè)置折線形承托或圓角，此時承托的加厚部分應(yīng)計算在內(nèi)。T梁下緣的馬蹄尺寸應(yīng)滿足預(yù)加力階段的強(qiáng)度要求，同時，從截面效率指標(biāo)分析，馬蹄應(yīng)當(dāng)是越寬而矮越經(jīng)濟(jì)。馬蹄的具體形狀要根據(jù)預(yù)應(yīng)力束筋的數(shù)量和排列方式確定，同時還應(yīng)考慮施工方便和力筋彎起的要求。具體尺寸建議如下：馬蹄寬度約為肋寬的24倍，并注意馬蹄部分(特別是斜坡區(qū)的管道保護(hù)層不宜小于60mm。馬蹄全寬部分的高度加1/2斜坡區(qū)高度約為梁高的0.15O.2

7、0倍，斜坡宜陡于45o 。為了配合預(yù)應(yīng)力筋的起彎，在梁端能布置錨具和安放張拉千斤頂，在靠近支點附近馬蹄部分應(yīng)逐漸加高，腹板也應(yīng)加厚至與馬蹄同寬，加寬的范圍最好達(dá)到一倍梁高(離錨固端左右，從而形成了沿縱向腹板厚度和馬蹄高度都變化的變截面T 梁。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計中，一般采用自第一道內(nèi)橫隔梁向梁端逐漸變化的形式。4橫隔梁布置沿縱向的橫隔梁布置基本上與鋼筋混凝土梁橋相同，但中橫隔梁應(yīng)延伸至馬蹄的加寬處。當(dāng)主梁跨度大、梁較高的情況下，為了減小重量而往往將橫隔梁的中部挖空。3.3.2配筋構(gòu)造預(yù)應(yīng)力混凝土梁內(nèi)的配筋，除主要的縱向預(yù)應(yīng)力筋外，尚有非預(yù)應(yīng)力縱向受力鋼筋、架立鋼筋、箍筋、水平分布鋼筋、承受局部應(yīng)力的鋼筋（

8、如錨固端加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)）和其他構(gòu)造鋼筋等。1縱向預(yù)應(yīng)力筋的布置預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T 梁橋，通常采用后張法施工，根據(jù)簡支梁的受力特點通常采用曲線配筋的形式，其常用的布置方式有圖3.29中所示的兩種。全部主筋直線布置的形式，僅適用于先張法施工的小跨徑梁。預(yù)應(yīng)力筋一般都采用圖3.29a所示全部彎至梁端錨固的布置形式，這樣布置可使張拉操作簡便，預(yù)應(yīng)力筋的彎起角度不大(一般都小于20o 的限值，對減小摩阻損失有利。對于鋼束根數(shù)較多或當(dāng)梁高受到限制，以致梁端不能錨固全部鋼束時，可將一部分預(yù)應(yīng)力筋彎出梁頂(圖3.29b。這樣的布置方式使張拉操作稍趨繁瑣，使預(yù)應(yīng)力筋的彎起角度增大(達(dá)25o 30 o，摩阻引起的預(yù)應(yīng)

9、力損失也隨之增大。 圖3.29預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁縱向預(yù)應(yīng)力筋的布置（尺寸單位：m）預(yù)應(yīng)力筋在梁內(nèi)的具體位置可以利用索界的概念來確定。以部分預(yù)應(yīng)力截 面為例，根據(jù)使其上、下緣容許出現(xiàn)不大于規(guī)定拉應(yīng)力的原則，可以按照在最 小外荷載（即張拉階段承受預(yù)加力 和結(jié)構(gòu)自重彎矩）作用下和最大荷 載（即運營階段承受的預(yù)加力以及荷載短期效應(yīng)組合或荷載長期效應(yīng)組合 彎矩y N 1g M y N =M 1g M +，其中和分別為后期恒載和活載彎矩）作用下兩種情況，分別確定Ny 在各個截面上偏心距的極限值。由此可繪出如圖3.30所示的兩條曲線。只要使預(yù)應(yīng)力鋼索的重心位置位于這兩條曲線所圍成的區(qū)域內(nèi)（即索界內(nèi)），就能保

10、證梁的任何截面在各個受力階段上、下緣應(yīng)力均不超過規(guī)定值。顯然，在實際布置時還要滿足混凝土規(guī)定保護(hù)層的要求。2g M p M 2g M pM 圖3.30 索界圖 另外，從圖3.30中還可看出，由于簡支梁彎矩向梁端逐漸減小，故索界的上下限也逐漸上移，這就是必須將大部分預(yù)應(yīng)力筋向梁端逐漸彎起的重要原因之一。預(yù)應(yīng)力筋彎起的曲線形狀可以采用圓弧線、拋物線或懸鏈線三種形式。在矢跨比較小的情況下，這三種曲線的坐標(biāo)值很接近，工程中通常采用在梁中部保持一段水平直線后按圓弧彎起的做法。預(yù)應(yīng)力鋼束彎起的曲率半徑，應(yīng)符合下列規(guī)定：對鋼絲束、鋼絞線，d5mm（d為鋼絲直徑）時，不小于4m；d5mm時，不小于6m；對精軋

11、螺紋鋼筋，D25mm（D為鋼筋直徑）時，不小于12m；D25mm時，不小于15m。圖3.31橫截面內(nèi)鋼筋布置 30mm 20mm 40mm 40mm 30mm20mm 預(yù)應(yīng)力筋在跨中橫截面內(nèi)的布置，應(yīng)在保證梁底保護(hù)層和位于索界內(nèi)的前提下，盡量使其重心靠下，以增大預(yù)應(yīng)力的偏心距，節(jié)省高強(qiáng)鋼材。預(yù)應(yīng)力筋在滿足構(gòu)造要求的同時，盡量相互靠攏，以減小下馬蹄的尺寸，減小梁體自重。直線管道的凈距不應(yīng)小于40mm ，并不小于管道直徑的0.6倍。此外還應(yīng)將適當(dāng)數(shù)量的預(yù)應(yīng)力筋布置在腹板中線處，以便于彎起。直線形管道保護(hù)層厚度應(yīng)滿足表3.1的要求，對曲線形管道，其曲線平面內(nèi)側(cè)受曲線預(yù)應(yīng)力鋼筋的擠壓，混凝土保護(hù)層在曲

12、線平面內(nèi)和平面外均受剪，梁底面保護(hù)層和側(cè)面保護(hù)層均需加厚，其值應(yīng)依據(jù)橋規(guī)計算確定。橫截面內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋的布置如圖3.31所示，d為管道的內(nèi)直徑，應(yīng)比預(yù)應(yīng)力筋直徑至少大lOmm。2縱向預(yù)應(yīng)力筋的錨固預(yù)應(yīng)力筋的錨固分兩種情形：在先張法梁中，鋼絲或鋼筋主要靠混凝土的握裹力錨固在梁體內(nèi)；在后張法梁中，則通過各類錨具錨固在梁端或梁頂。此處僅介紹后張法的錨固：在后張法錨固構(gòu)造中，錨具底部對混凝土作用著很大的壓力，而直接承壓的面積不大，應(yīng)力非常集中。在錨具附近不僅有很大的壓應(yīng)力，還有很大的拉應(yīng)力。因此，錨具在梁端的布置必須遵循一定的原則：（1）錨具的布置應(yīng)盡量減小局部應(yīng)力。一般地，集中、過大的錨具不如分散、小型

13、的有利。（2）錨具應(yīng)在梁端對稱于豎軸布置，以免產(chǎn)生過大的橫向不平衡彎矩。（3）錨具之間應(yīng)留有足夠的凈距，以便能安裝張拉設(shè)備，方便施工作業(yè)。為了防止錨具附近混凝土出現(xiàn)裂縫，還必須配置足夠的間接鋼筋（包括加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)和螺旋筋）予以加強(qiáng)。間接鋼筋應(yīng)根據(jù)局部抗壓承載力計算確定，配置加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)的范圍一般是一倍于梁高的區(qū)域。另外，錨具下還應(yīng)設(shè)置厚度不小于16mm 的鋼墊板，以擴(kuò)大承載面積，減小混凝土應(yīng)力。圖3.32為梁端錨固區(qū)的配筋構(gòu)造示例。 圖3.32梁端的墊板和加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)圖3.33預(yù)制鋼筋混凝土端板和叉形鋼筋網(wǎng) （尺寸單位：cm ） 也可以采用帶有預(yù)埋錨具的預(yù)制鋼筋混凝土端板來錨固預(yù)應(yīng)力筋，如圖3.33

14、所示。此時除了加強(qiáng) 鋼筋骨架外，錨具下設(shè)置兩層叉形鋼筋網(wǎng)，施工起來也比較方便。目前用于預(yù)應(yīng)力鋼絞線的錨具（如OVM 錨）已包括了鋼墊板和螺旋筋在內(nèi)的整套抵抗錨固區(qū)局部承壓所需要的加強(qiáng)措施，故不需要再配置上述的加強(qiáng)鋼筋。施加預(yù)應(yīng)力之后，應(yīng)在錨具周圍設(shè)置構(gòu)造鋼筋與梁體連接，并澆筑混凝土封錨，以保護(hù)錨具不致銹蝕。封錨混凝土的強(qiáng)度等級不應(yīng)低于構(gòu)件本身混凝土強(qiáng)度等級的80%，且不低于C30。3.其他鋼筋的布置 預(yù)應(yīng)力混凝土梁與鋼筋混凝土梁一樣, 要按規(guī)定的構(gòu)造要求布置箍筋, 架立鋼筋和縱向 水平分布鋼筋等.由于彎起的預(yù)應(yīng)力筋對梁肋混凝土提供了預(yù)剪力,主拉應(yīng)力較小,一般可 不設(shè)斜筋.另外,預(yù)應(yīng)力混凝土梁還

15、要設(shè)置其他的非預(yù)應(yīng)力鋼筋. (1箍筋的配置 預(yù)應(yīng)力混凝土 T 形梁的腹板內(nèi)應(yīng)設(shè)置直徑不小于 10mm 的箍筋,且采用帶肋鋼筋,間距 不大于 250mm;自支座中心起長度不小于一倍梁高范圍內(nèi),應(yīng)采用閉合式箍筋,間距不大于 100mm,用來加強(qiáng)梁端承受局部應(yīng)力.縱向預(yù)應(yīng)力筋集中布置在下緣的馬蹄部分,該部分的 混凝土承受很大的壓應(yīng)力,因此,必須另外設(shè)置直徑不小于 8mm 的閉合式加強(qiáng)箍筋,其間距 不大于 200mm(見圖 3.31.此外,馬蹄內(nèi)尚應(yīng)設(shè)置直徑不小于 12mm 的定位鋼筋. (2非預(yù)應(yīng)力縱向受力鋼筋 在預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁中, 將非預(yù)應(yīng)力的鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋協(xié)同配置, 有時可達(dá)到補充局 部梁段

16、內(nèi)強(qiáng)度不足,滿足極限強(qiáng)度要求,或更好地分布 裂縫和提高梁體韌性等效果,使簡支梁的設(shè)計更加經(jīng)濟(jì) 合理. 先張法施工的小跨度梁,如果采用直線布筋形式, 張拉階段支點附近無法平衡的負(fù)彎矩會在梁頂引起過高 的拉應(yīng)力,為了防止因此可能產(chǎn)生的開裂,可適當(dāng)布置 如圖 3.34a 所示的局部受拉鋼筋. 對于預(yù)制部分的自重比恒載與活載小得多的梁,在 預(yù)加力階段跨中部分的上緣可能會開裂而破壞,因而也 可在跨中部分的頂部加設(shè)無預(yù)應(yīng)力的縱向受力鋼筋(圖 3.34b.這種鋼筋在運營階段還能加強(qiáng)混凝土的抗壓能 力,在破壞階段則可提高梁的安全度. 圖 3.34 無預(yù)應(yīng)力縱向受力鋼筋 圖 3.34c 所示在跨中部分下翼緣內(nèi)設(shè)

17、置的鋼筋,對 (虛線的布置 全預(yù)應(yīng)力梁可加強(qiáng)混凝土承受預(yù)加壓力的能力. 在下翼緣內(nèi)通長設(shè)置的鋼筋,對部分預(yù)應(yīng)力梁可補 足極限強(qiáng)度的需要(圖 3.34d,對于配置不粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的梁能起分布裂縫的作用. 此外,無預(yù)應(yīng)力的鋼筋還能增加梁在反復(fù)荷載作用下的疲勞極限強(qiáng)度. 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的橫向連接構(gòu)造一般與鋼筋混凝土梁橋一樣. 3.3.3 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋?qū)嵗?圖3.35為一裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計.其標(biāo)準(zhǔn)跨徑為30m,主梁全長 29.96m,計算跨徑為 29m.荷載等級為汽車超20級,掛車120級.主梁中心距為2.26m, 預(yù)制部分寬度1.80m,吊裝后現(xiàn)澆0.46m的濕

18、接縫.預(yù)制主梁采用C40混凝土,截面為帶馬蹄 的T形截面, 梁高為1.96m, 厚20cm的梁肋自第一道內(nèi)橫隔梁向梁端逐漸加寬至馬蹄全寬40cm, 但馬蹄部分高度不變.全梁范圍內(nèi)共設(shè)置七道橫隔梁,中心間距為4.5m和5.0m,橫隔梁高度 1.65m,寬度也采用上寬下窄,內(nèi)寬外窄的形式,以利于脫模.為減小施工難度,橫隔梁沒 有采用挖孔形式,吊裝后彼此之間采用現(xiàn)澆接縫集整. 每片T梁設(shè)三束預(yù)應(yīng)力鋼束,采用A416-87a標(biāo)準(zhǔn)270級鋼絞線,直徑15.24mm,其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度 為1860Mpa, 張拉控制應(yīng)力為1395Mpa, 全部鋼絞線均以圓弧起彎并錨固在梁端厚20mm的鋼墊 板上.鋼束孔道采用預(yù)埋波紋管,9股鋼束波紋管內(nèi)徑80mm,外徑87mm;7股鋼束波紋管內(nèi)徑 70mm