預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)用預(yù)彎預(yù)應(yīng)力梁是利用鋼梁自身的變形，對下翼緣施加預(yù)應(yīng)力的一種鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)，它由預(yù)彎鋼梁、一期混凝土、二期混凝土共同組成組合梁，見圖1所示。預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土梁主要有建筑高度小、剛度大，承載能力大，抗裂性能好，抗疲勞性能好，安全可靠等優(yōu)點。圖1預(yù)彎組合梁1.預(yù)彎組合梁的基本原理預(yù)彎組合梁是將一片高強度鋼梁按照設(shè)計的曲線加工成具有拱度的鋼梁，然后把鋼梁兩端放在支座上，在保持鋼梁簡支狀態(tài)下，在距梁端1/4一1/3跨度的位置上作用一對大小相等的預(yù)彎力，從而使鋼梁產(chǎn)生預(yù)彎變形。在預(yù)彎力作用下，鋼梁的下翼緣處于受拉狀態(tài)。保持預(yù)彎力不變，在鋼梁下翼緣澆筑高強度等級混凝土(一期混凝土)。待混凝土強度和彈性模量達到設(shè)計值的95%后，卸去預(yù)彎力，鋼梁發(fā)生回彈，從而使鋼梁的下翼緣混凝土產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力?；貜椡瓿珊螅陬A(yù)彎組合梁的上翼緣和腹板上澆筑二期混凝土，構(gòu)成完整的預(yù)彎組合梁，見圖2。因此，預(yù)彎組合梁是利用鋼梁卸預(yù)彎力時所釋放出來的預(yù)彎彎矩對一期混凝土施加預(yù)應(yīng)力的，從而達到限制混凝土開裂和提高承載能力的目的。圖2預(yù)彎組合梁的基本原理預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件第一次澆筑的混凝土，是直接得到預(yù)加應(yīng)力的混凝土截面部分，在后期混凝土澆筑之前，隨著混凝土徐變、收縮及鋼材應(yīng)力松弛，組合梁的鋼與混凝土截面之間將發(fā)生內(nèi)力及應(yīng)力重分布，鋼梁的預(yù)加預(yù)彎預(yù)應(yīng)力開始損失。預(yù)彎組合梁與預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁有很大差別，預(yù)彎組合梁的鋼梁具有很大的抗彎剛度，它除了在卸預(yù)彎力作用下對一期混凝土施加壓應(yīng)力，鋼梁自身的剛度可承擔一部分彎矩，當預(yù)彎組合梁的下翼緣混凝土開裂后，由于鋼梁的作用，梁體應(yīng)力發(fā)生重分配，減緩了混凝土裂縫的發(fā)展。而預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土需要通過張拉、壓漿等設(shè)備將高強鋼束張拉，混凝土在偏心受壓狀態(tài)下產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。當預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁下翼緣混凝土開裂后，梁體則基本失去承載能力而導(dǎo)致構(gòu)件破壞。2.預(yù)彎預(yù)應(yīng)力梁的結(jié)構(gòu)受力性能由竺存宏先生做得關(guān)于“預(yù)彎復(fù)合梁的試驗”中詳細地描述了預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土梁受力過程中裂縫形成與發(fā)展規(guī)律[1][2]。預(yù)彎預(yù)應(yīng)力梁的裂縫特征預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土梁下緣一期澆筑的混凝土開裂前，應(yīng)變沿梁縱向分布均勻；混凝土開裂后裂縫分布的主要特點是細密、間隔均勻，主裂縫特征不明顯，當下緣混凝土開裂后，混凝土與鋼梁截面產(chǎn)生應(yīng)力重分布，但鋼梁的抗彎能力抑制了裂縫加寬和加深，當荷載繼續(xù)增大時，老裂縫之間因混凝土應(yīng)力加大而產(chǎn)生新裂縫。只要混凝土開裂位置鋼梁未進入塑性狀態(tài)，卸載后裂縫將完全閉合，由試驗結(jié)果可知一期澆筑混凝土的最大和平均裂縫寬度與荷載之間的變化規(guī)律近似為雙直線。2.2．預(yù)彎預(yù)應(yīng)力梁的剛度變化由預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土梁在重復(fù)荷載作用的試驗，可以知道下面幾點知識：eq\o\ac(○,1)由于鋼梁具有較大的抗彎剛度，當荷載小于消壓值后鋼梁反彈可使裂縫閉合、壓緊；eq\o\ac(○,2)一期荷載澆筑的混凝土開裂后，開裂部分混凝土仍處于彈性階段，致使跨中撓度和荷載近似保持線性關(guān)系。因而關(guān)于預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土梁的截面剛度，我們可以得到結(jié)論：當荷載小于消壓值時，預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土梁的截面剛度，近似認為與截面混凝土是否曾經(jīng)開裂無關(guān)；當荷載引起的彎矩大于消壓彎矩但小于曾受到的最大彎矩時，預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土梁的截面剛度將近似保持一常數(shù)。2.3.預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受力過程由竺存宏做的預(yù)彎復(fù)合梁試驗表明：eq\o\ac(○,1)當鋼梁與混凝土之間結(jié)合處理良好時，預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土梁在整個受力過程中，未開裂混凝土與鋼梁將整體共同作用；eq\o\ac(○,2)一期混凝土開裂前，梁的截面變形符合平截面假定，應(yīng)變沿梁高呈線性分布；eq\o\ac(○,3)一期混凝土第一次開裂時，由于混凝土開裂所釋放的應(yīng)力使梁截面應(yīng)力發(fā)生重分布，但已開裂的梁在重復(fù)荷載作用下就沒有這種現(xiàn)象；eq\o\ac(○,4)開裂過一期混凝土，當荷載小于消壓荷載時，裂縫完全閉合而應(yīng)變?nèi)钥烧J為恢復(fù)到開裂前的狀態(tài)。另外在參考文獻3中通過根預(yù)彎梁的靜載和疲勞加載試驗,對預(yù)彎梁的破壞特征、截面應(yīng)變、混凝土極限壓應(yīng)變等進行探討。預(yù)彎梁在接近破壞時已退化成勁性鋼筋混凝土梁，試驗表明,預(yù)彎梁的受力性能具有預(yù)應(yīng)力混凝土梁和型鋼梁的受力性能,在正常情況下,受力過程大致分為彈性工作階段、帶裂縫工作階段、彈塑性工作階段和破壞階段。在荷載作用下,出現(xiàn)裂縫以前,撓度較小,一關(guān)系呈線性圖3出現(xiàn)裂縫以后,撓度增長加快,特別是由電測結(jié)果顯示受拉區(qū)型鋼開始屈服以后,一關(guān)系呈現(xiàn)明顯的非線性。破壞前,裂縫不斷發(fā)展,條數(shù)增多,但裂縫較為細密,間距均勻中性軸持續(xù)上升,壓區(qū)高度減小,破壞前的主裂縫特征不明顯,而撓度顯著增大且不能穩(wěn)定,最后壓區(qū)混凝土壓碎。型鋼上翼緣與混凝土交接處也出現(xiàn)縱向水平裂縫,表明二者之間的粘結(jié)力同時也遭到破壞,這種情況可通過增加型鋼上緣抗剪器加以防止。圖3預(yù)彎梁的荷載—撓度關(guān)系曲線2.4.結(jié)構(gòu)分析關(guān)鍵點預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土梁的組合截面成型過程和各部分截面作用對其結(jié)構(gòu)分析很重要。預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件是一種鋼骨混凝土組合構(gòu)件，剛與混凝土之間將發(fā)生較大的內(nèi)力及應(yīng)力重分布，同時各部分截面的混凝土之間也因應(yīng)力狀態(tài)、徐變與收縮規(guī)律不同而發(fā)生內(nèi)力及應(yīng)力重分布，之后，截面的應(yīng)力分布將發(fā)生較大的變化。在分析截面應(yīng)力分布隨時間的變化的過程中，每個工況計算得到的預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件組合截面的內(nèi)力，應(yīng)分解至截面的各組成部分。3.關(guān)于預(yù)彎預(yù)應(yīng)力梁的施工方面預(yù)彎組合梁一般有兩種施工工藝，一種是單片梁加載預(yù)壓方式，工藝過程見圖4，另一種是雙梁對彎同時加載預(yù)壓的方式，工藝過程見圖5。單片梁加載預(yù)壓的施工方法簡單，結(jié)構(gòu)受力過程容易分析，但在預(yù)彎組合梁的數(shù)量較多或成規(guī)模生產(chǎn)時，預(yù)制場地的占用面積大，而且需對地基進行加固，并打入錨樁處理，施工場地的要求條件高，不利于在繁華的城區(qū)內(nèi)施工。雙梁對彎同時加載預(yù)壓的施工步驟多，需要增加翻轉(zhuǎn)設(shè)備，結(jié)構(gòu)受力分析較為復(fù)雜，國內(nèi)外缺乏關(guān)于兩片預(yù)彎組合梁同時加載預(yù)壓的參考資料和借鑒的經(jīng)驗，但雙梁對彎加載預(yù)壓能有效減少場地占用面積，場內(nèi)基礎(chǔ)不需要錨樁等處理方式，而且一次能同時制作兩片預(yù)彎組合梁，施工速度快，效率高。圖4單片梁加載預(yù)壓工藝流程圖5雙梁加載預(yù)壓工藝流程文獻4中對預(yù)彎組合梁的施工技術(shù)做了詳細的分析研究，主要有施工工藝、施工的穩(wěn)定性包括整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性、施工階段的應(yīng)力和變形分析、預(yù)彎組合梁式橋的荷載試驗分析等。從這些分析中我學(xué)到了很多并結(jié)合其他學(xué)習(xí)資料，總結(jié)如下：（1）預(yù)彎組合梁整體性能穩(wěn)定，施工現(xiàn)場只要嚴把材料關(guān)，按設(shè)計的要求做好混凝土配合比試驗和鋼材加工，加強現(xiàn)場監(jiān)控，現(xiàn)場的實測值基本能反映設(shè)計的具體要求。（2）預(yù)彎組合梁在相同使用荷載作用下，由于含鋼量大，梁的建筑高度較一般預(yù)應(yīng)力混凝土梁小，吊裝重量輕，承載力高，外型美觀，有利降低工程用地范圍及減小施工設(shè)備的投入，增強城市橋梁的觀賞性。（3）預(yù)彎組合梁的加工費用較高，對材料的性能要求嚴格，在相同荷載和跨徑的條件下，單跨的預(yù)彎組合梁同比PC箱梁和PC.T梁的造價要高出10%左右，但比鋼箱梁的造價要低35%以上，在一座橋梁上全部采用預(yù)彎組合梁顯然是不經(jīng)濟的;在一座橋梁上采用1一2跨預(yù)彎組合梁要比采用PC箱梁和PC.T梁的工程總造價降低5一10%以上;在多層立交橋上的標高控制橋跨上采用預(yù)彎組合梁要比采用PC箱梁和PC.T梁的工程總造價降低得更多，說明預(yù)彎組合梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性較一般預(yù)應(yīng)力混凝土梁好。（4）預(yù)彎組合梁施工工藝的選用根據(jù)場地和工期的具體可采用單梁預(yù)壓和雙梁對彎兩種方法，單梁預(yù)壓工藝施工方法簡單、施工工期長、場地占用面積大、對地基基礎(chǔ)的要求高;雙梁對彎工藝施工速度快、可適用于各種場地、無需特別處理地基基礎(chǔ)，但施工步驟繁多，需進行復(fù)雜的施工過程分析。（5）橋梁荷載試驗進一步證明，預(yù)彎組合梁在具備建筑高度小、自身重量輕、施工速度快、外型優(yōu)美等特點的同時，橋梁的承載力、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性都能得到滿足。預(yù)彎組合梁雙梁對彎的施工工藝在技術(shù)上可行，經(jīng)濟效益優(yōu)越，工藝的適用性強，施工設(shè)備可多次周轉(zhuǎn)使用。4.預(yù)彎組合梁在橋梁上的應(yīng)用鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)，以充分發(fā)揮鋼和混凝土材性為特點，成為一種具有一定優(yōu)勢的橋梁結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)合梁結(jié)構(gòu)由于鋼梁與混凝土板之間將發(fā)生內(nèi)力重分布，造成混凝土截面的預(yù)壓應(yīng)力部分釋放、轉(zhuǎn)移至鋼梁截面，同時預(yù)加力也使鋼梁受到了預(yù)加力，結(jié)果混凝土預(yù)壓應(yīng)力損失較大，鋼梁承擔較大的壓應(yīng)力、局部穩(wěn)定性受到影響。因此，為了滿足受力和穩(wěn)定要求，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)合梁的鋼梁需要設(shè)置足夠的加勁板。4.1波形鋼腹板—混凝土組合結(jié)構(gòu)為改善上述問題，20世紀80年代建造的法國Mpaupre橋，將鋼梁的腹板改為沿軸線方向的波紋形構(gòu)造，稱為波形鋼腹板—混凝土組合結(jié)構(gòu)。波形構(gòu)造的鋼腹板沿梁軸向的剛度很小，受到壓力時主要發(fā)生橫向彎曲變形，由于波形鋼腹板具有這種受力性能，組合截面受到預(yù)加力主要由混凝土截面承擔，而徐變和收縮引起的混凝土軸向變形大部分都自由釋放，波形鋼腹板的另一個特點是橫向剛度大、不需要附加加勁構(gòu)造，且所用鋼板較薄，也就節(jié)省了不少鋼材用量。日本是波形鋼腹板發(fā)展最快的國家，這些橋梁的結(jié)構(gòu)形式有簡支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)及T形剛構(gòu)。4.2鋼桁腹-混凝土組合梁橋鋼桁腹-混凝土組合梁橋是另一種鋼—混凝土組合梁。這種結(jié)構(gòu)的特點是將原來滿腹的鋼板替換為空心的桁架構(gòu)造，從而使橋梁腹部受力更明確，避免了徐變、收縮內(nèi)力重分布的不利影響和波形鋼腹可能導(dǎo)致的混凝土裂縫，另外，鋼桁腹—混凝土組合橋輕巧的外形構(gòu)造和較便利的施工方法，也使這種結(jié)構(gòu)的使用范圍越來越廣。4.3我國的預(yù)彎組合梁橋我國的預(yù)彎組合梁的設(shè)計與施工也取得了很大的進展，如表1列舉了己建成的具有代表性的2座預(yù)彎組合梁橋的主要情況。表1已建成的預(yù)彎組合梁的情況預(yù)彎組合梁作為橋梁結(jié)構(gòu)上部構(gòu)造的基本形式之一，具有其自身獨特的優(yōu)越性，通過國內(nèi)外對這種結(jié)構(gòu)的大量試驗和研究，應(yīng)用范圍越來越廣泛。它具有結(jié)構(gòu)承載力大、吊裝重量輕、抗震、抗裂性能好、施工速度快、結(jié)構(gòu)耐久性好等特點，其最大的優(yōu)勢在于作為橋梁的重要技術(shù)指標之一結(jié)構(gòu)高度小、高跨比小，這對于多層立交橋和高速公路的跨線橋都具有重要的意義。對于城市立交橋，采用預(yù)彎組合梁式橋可以有效減小橋梁的總高度，減小各層橋梁的長度對于公路，則可使路堤高度明顯降低并減小其長度，采用可靠快速的施工工藝將進一步促進我國橋梁設(shè)計，加工、建造技術(shù)的日臻成熟，帶來較大的經(jīng)濟效益和社會效益，但當前國內(nèi)關(guān)于預(yù)彎組合梁式橋的設(shè)計和施工技術(shù)尚不成熟。4.4橋梁上部結(jié)構(gòu)的一種加固方法在橋梁上部結(jié)構(gòu)加固方案中可以采用預(yù)彎梁法，能夠有效防止