公路橋梁后張扁錨部分預應力空心板的設計及經濟性分析
2014-07-21 07:07:22殷長利
中國建筑科學 2014年3期
殷長利
摘 要：介紹了后張扁描部分預應力砼空心板梁的設計構思、設計標準、預應力體系選擇、預應力度、撓度控制、內力計算方法等。經過足尺空心板梁靜載試驗證明，設計可靠，并具有顯著的技術和經濟效益。
關鍵詞：部分預應力；砼空心板梁；后張法扁描體系；經濟性分析
1.前言
后張扁錨部分預應力空心板梁，由于采用了預應力和非預應力混合配筋以及扁形群錨體系，使結構兼有預應力混凝土和鋼筋混凝土兩種結構的優越性，且施工方便靈活，克服了先張全預應力結構反拱大，結構長期處于高壓狀態，以及生產時需要剛度強度巨大的張拉臺座和大噸位的千斤頂等不足之處，充分發揮了結構和扁錨效益。
近十幾年來新鄉市公路管理局在干線公路橋梁上開展了部分預應力空心板梁結構和作了足尺寸結構試驗，并取得成功，該成果經技術鑒定成果水平達到國內領先水平，填補了國內空白，獲得交通部科技進步獎，被推薦為“新技術推廣項目”，結構經過多年來的實踐和不斷完善，更顯示出顯著的技術和經濟效益。
本文結合在干線公路上使用跨徑為2孔16m（為分析方便選用16m跨徑）的后張部分預應力空心板橋的工程實例，對其設計進行簡要介紹，并對有關問題進行初步分析，以供橋梁技術人員參考。
1.有關的技術標準
1.1主要尺寸
標準跨徑16m，計算跨徑15.5m，板梁全長15.96m，梁高0.75m，橋面凈空為15.5m+2×0.25m安全帶。
1.2載重標準及材料
設計荷載采用公路-Ⅰ級荷載，空心板砼為C40，預應力鋼絞線采用φj15，Rgb=1860MPa，非預應力鋼筋和其他構造鋼筋為I和II級鋼筋。
1.3設計依據
遵循《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004，《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2004），并參考《部分預應力混凝土結構設計建議》（中國土木工程學會），以及由預應力設備廠提供的扁錨體系有關資料（以下簡稱《規范》與《建議》）。
2.設計過程及參數選擇
2.1空心板斷面尺寸擬定
板梁斷面仍采用預應力空心板標準圖中相應跨徑的橫斷面外形尺寸，并將標準圖雙孔橫斷面改為單孔橫斷面，增大了空心板的挖空率，簡化了施工，減少了砼體積和腹板內構造鋼筋。
2.2預應力度與用鋼量
我國《規范》按正常使用極限狀態為標準，采用彎矩比定義預應力度：入=M0/M
式中：M0—消壓彎矩，即使構件控制截面邊緣（使用荷載作用時）抵消到零時的彎矩；
M—使用荷載控制截面彎矩。
預應力度與用鋼量間的關系受結構截面型式、梁高等因素的影響，對于經濟用鋼量不同的研究結論也不一樣。
本橋經計算和分析，按我國目前的鋼材價格鋼絞線為普通鋼筋的2倍，因此本設計采用預應力度入=0.91，預應力鋼筋約等于2倍的非預應力鋼筋用量。
2.3抗裂安全度
按《規范》結構的抗裂安全系數為KF=MF/M，式中：MF—開裂彎矩，等于消壓彎矩與砼抗裂彎矩之和，即MF=M0+γRLW（M0—消壓彎矩，γ—塑性系數，RL—砼的抗拉強度，W—截面抵抗矩）。經計算KF=2.17砼未開裂，結構屬于部分預應力“A”類構件。
2.4預應力錨固張拉體系的選擇
本橋設計選擇夾片式扁型群錨體系，預應力孔道采用扁型金屬波紋管，這樣可以在不增加板厚的情況下，有效的增加內力臂。張拉設備采用了開封中原預應力設備廠研制的QYC—230型輕型千斤頂，最大張拉力230KN，重量16kg，使用輕便靈活。扁錨技術參數見表1。
2.5撓度選擇
構件采用部分預應力后，在長期荷載作用下撓度值控制為-0.4cm（上撓度），以減少因砼徐變而產生的預應力損失。
3 設計計算
3.1內力及強度計算
活載作用下的橫向分布系數按常規方法，跨中按鉸接板法，支點按杠桿法。恒載內力分別按預加應力階段（僅空心板重）與使用階段（空心板重+鋪裝重+安全帶欄桿重）計算，由于預應力筋為直線配筋，故僅選擇跨中與支點兩個截面進行驗算。按正常使用與承載能力極限狀態進行內力組合。
撓度計算上由于空心板為“A”類構件，構件剛度修正后，采用結構力學公式進行應力和撓度計算。按允許“名義”拉應力來計算預應力鋼筋，按強度要求配置非預應力鋼筋（具體計算從略）。
3.2構造布置
本設計預應力鋼筋為10束φj15鋼絞線，普通鋼筋為8Φ16，其他構造鋼筋同原標準圖設計。經優化設計為節省預應力錨具和波紋管，預應力筋經抗拔力試驗后，預應力鋼筋錨固端采用一端錨固，一端扎花工藝，即用扎花機在鋼絞線端頭壓成“燈籠”形狀，錨固在1.2m長范圍內與混凝土澆筑一體。
3.3局部承壓
空心板底板厚僅13cm，因而在Ny作用下需進行承壓驗算。驗算時由于這種扁型錨墊板的喇叭管與墊板組成整體，因而承壓面積Ac不能按《規范》計算，而應作為剛性墊板考慮，而Ac應按扁錨墊板的外輪廓尺寸計算，即采用全部墊板面積作為承壓面積考慮。
根據《規范》要求Ac/Ad≥4（Ad一計算底面積），對于本設計Ac/Ad=2.3<4，故在錨下布置間接鋼筋來提高混凝土承壓強度，經過足尺寸構件的承壓試驗后證明，現有的錨端設計滿足設計要求。
3.4工藝流程
（1）檢查構件（或塊體）：尤其要認真檢查預應力筋的孔道。其孔道必須保證尺寸與位置正確，平順暢通，無局部彎曲；
（2）穿預應力筋。穿筋前，應檢查鋼筋（或束）的規格、總長是否符合要求。
（3）預應力筋的張拉順序應符合設計要求，當設計無具體要求時，可采取分批、分階段對稱張拉。
（4）單根預應力粗鋼筋（采用拉伸機張拉螺絲端桿錨固）張拉時，應先少許加力，將墊板位置按設計規定找準，然后按規定張拉程序張拉，測出鋼筋實際伸長值，并作好張拉記錄。
（5）張拉及頂壓：預拉調整以后方可按規定張拉程序張拉。張拉完畢，測出鋼絲伸長值，苦與規定符合，就可進行頂壓錨塞。頂壓錨塞時必須關閉大缸油路，給小缸進油，使小缸活塞猛頂錨塞。
6）灌漿壓力一般為0.4～0.6MPa。灌漿順序應先下后上，避免上層孔道漏漿把下層孔道堵住，待排氣孔冒出濃漿后，即堵死排氣孔，再壓漿至0.6MPa，保持l～2min后，即可堵塞灌漿孔。
4.有關問題的探討
4.1關于后張法預應力空心板梁的經濟性
為了探討后張預應力空心板梁在材料用量方面的分析比較，現將跨徑相同（L =16m）的先張法空心板和后張法預應力混凝土空心板梁的材料用量列出見表2
由表2可見，單片的后張法預應力空心板比先張法空心板預應力鋼筋減少54.5%，非預應力筋增加11%，砼減少5.5%，總用鋼量減少1.5%。
但需說明的是以上比較還要考慮各種材料的價格差異，張拉臺座造價，以及大件運輸張拉機具等費用因素。本文分析按
摘 要：介紹了后張扁描部分預應力砼空心板梁的設計構思、設計標準、預應力體系選擇、預應力度、撓度控制、內力計算方法等。經過足尺空心板梁靜載試驗證明，設計可靠，并具有顯著的技術和經濟效益。
關鍵詞：部分預應力；砼空心板梁；后張法扁描體系；經濟性分析
1.前言
后張扁錨部分預應力空心板梁，由于采用了預應力和非預應力混合配筋以及扁形群錨體系，使結構兼有預應力混凝土和鋼筋混凝土兩種結構的優越性，且施工方便靈活，克服了先張全預應力結構反拱大，結構長期處于高壓狀態，以及生產時需要剛度強度巨大的張拉臺座和大噸位的千斤頂等不足之處，充分發揮了結構和扁錨效益。
近十幾年來新鄉市公路管理局在干線公路橋梁上開展了部分預應力空心板梁結構和作了足尺寸結構試驗，并取得成功，該成果經技術鑒定成果水平達到國內領先水平，填補了國內空白，獲得交通部科技進步獎，被推薦為“新技術推廣項目”，結構經過多年來的實踐和不斷完善，更顯示出顯著的技術和經濟效益。
本文結合在干線公路上使用跨徑為2孔16m（為分析方便選用16m跨徑）的后張部分預應力空心板橋的工程實例，對其設計進行簡要介紹，并對有關問題進行初步分析，以供橋梁技術人員參考。
1.有關的技術標準
1.1主要尺寸
標準跨徑16m，計算跨徑15.5m，板梁全長15.96m，梁高0.75m，橋面凈空為15.5m+2×0.25m安全帶。
1.2載重標準及材料
設計荷載采用公路-Ⅰ級荷載，空心板砼為C40，預應力鋼絞線采用φj15，Rgb=1860MPa，非預應力鋼筋和其他構造鋼筋為I和II級鋼筋。
1.3設計依據
遵循《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004，《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2004），并參考《部分預應力混凝土結構設計建議》（中國土木工程學會），以及由預應力設備廠提供的扁錨體系有關資料（以下簡稱《規范》與《建議》）。
2.設計過程及參數選擇
2.1空心板斷面尺寸擬定
板梁斷面仍采用預應力空心板標準圖中相應跨徑的橫斷面外形尺寸，并將標準圖雙孔橫斷面改為單孔橫斷面，增大了空心板的挖空率，簡化了施工，減少了砼體積和腹板內構造鋼筋。
2.2預應力度與用鋼量
我國《規范》按正常使用極限狀態為標準，采用彎矩比定義預應力度：入=M0/M
式中：M0—消壓彎矩，即使構件控制截面邊緣（使用荷載作用時）抵消到零時的彎矩；
M—使用荷載控制截面彎矩。
預應力度與用鋼量間的關系受結構截面型式、梁高等因素的影響，對于經濟用鋼量不同的研究結論也不一樣。
本橋經計算和分析，按我國目前的鋼材價格鋼絞線為普通鋼筋的2倍，因此本設計采用預應力度入=0.91，預應力鋼筋約等于2倍的非預應力鋼筋用量。
2.3抗裂安全度
按《規范》結構的抗裂安全系數為KF=MF/M，式中：MF—開裂彎矩，等于消壓彎矩與砼抗裂彎矩之和，即MF=M0+γRLW（M0—消壓彎矩，γ—塑性系數，RL—砼的抗拉強度，W—截面抵抗矩）。經計算KF=2.17砼未開裂，結構屬于部分預應力“A”類構件。
2.4預應力錨固張拉體系的選擇
本橋設計選擇夾片式扁型群錨體系，預應力孔道采用扁型金屬波紋管，這樣可以在不增加板厚的情況下，有效的增加內力臂。張拉設備采用了開封中原預應力設備廠研制的QYC—230型輕型千斤頂，最大張拉力230KN，重量16kg，使用輕便靈活。扁錨技術參數見表1。
2.5撓度選擇
構件采用部分預應力后，在長期荷載作用下撓度值控制為-0.4cm（上撓度），以減少因砼徐變而產生的預應力損失。
3 設計計算
3.1內力及強度計算
活載作用下的橫向分布系數按常規方法，跨中按鉸接板法，支點按杠桿法。恒載內力分別按預加應力階段（僅空心板重）與使用階段（空心板重+鋪裝重+安全帶欄桿重）計算，由于預應力筋為直線配筋，故僅選擇跨中與支點兩個截面進行驗算。按正常使用與承載能力極限狀態進行內力組合。
撓度計算上由于空心板為“A”類構件，構件剛度修正后，采用結構力學公式進行應力和撓度計算。按允許“名義”拉應力來計算預應力鋼筋，按強度要求配置非預應力鋼筋（具體計算從略）。
3.2構造布置
本設計預應力鋼筋為10束φj15鋼絞線，普通鋼筋為8Φ16，其他構造鋼筋同原標準圖設計。經優化設計為節省預應力錨具和波紋管，預應力筋經抗拔力試驗后，預應力鋼筋錨固端采用一端錨固，一端扎花工藝，即用扎花機在鋼絞線端頭壓成“燈籠”形狀，錨固在1.2m長范圍內與混凝土澆筑一體。
3.3局部承壓
空心板底板厚僅13cm，因而在Ny作用下需進行承壓驗算。驗算時由于這種扁型錨墊板的喇叭管與墊板組成整體，因而承壓面積Ac不能按《規范》計算，而應作為剛性墊板考慮，而Ac應按扁錨墊板的外輪廓尺寸計算，即采用全部墊板面積作為承壓面積考慮。
根據《規范》要求Ac/Ad≥4（Ad一計算底面積），對于本設計Ac/Ad=2.3<4，故在錨下布置間接鋼筋來提高混凝土承壓強度，經過足尺寸構件的承壓試驗后證明，現有的錨端設計滿足設計要求。
3.4工藝流程
（1）檢查構件（或塊體）：尤其要認真檢查預應力筋的孔道。其孔道必須保證尺寸與位置正確，平順暢通，無局部彎曲；
（2）穿預應力筋。穿筋前，應檢查鋼筋（或束）的規格、總長是否符合要求。
（3）預應力筋的張拉順序應符合設計要求，當設計無具體要求時，可采取分批、分階段對稱張拉。
（4）單根預應力粗鋼筋（采用拉伸機張拉螺絲端桿錨固）張拉時，應先少許加力，將墊板位置按設計規定找準，然后按規定張拉程序張拉，測出鋼筋實際伸長值，并作好張拉記錄。
（5）張拉及頂壓：預拉調整以后方可按規定張拉程序張拉。張拉完畢，測出鋼絲伸長值，苦與規定符合，就可進行頂壓錨塞。頂壓錨塞時必須關閉大缸油路，給小缸進油，使小缸活塞猛頂錨塞。
6）灌漿壓力一般為0.4～0.6MPa。灌漿順序應先下后上，避免上層孔道漏漿把下層孔道堵住，待排氣孔冒出濃漿后，即堵死排氣孔，再壓漿至0.6MPa，保持l～2min后，即可堵塞灌漿孔。
4.有關問題的探討
4.1關于后張法預應力空心板梁的經濟性
為了探討后張預應力空心板梁在材料用量方面的分析比較，現將跨徑相同（L =16m）的先張法空心板和后張法預應力混凝土空心板梁的材料用量列出見表2
由表2可見，單片的后張法預應力空心板比先張法空心板預應力鋼筋減少54.5%，非預應力筋增加11%，砼減少5.5%，總用鋼量減少1.5%。
但需說明的是以上比較還要考慮各種材料的價格差異，張拉臺座造價，以及大件運輸張拉機具等費用因素。本文分析按
摘 要：介紹了后張扁描部分預應力砼空心板梁的設計構思、設計標準、預應力體系選擇、預應力度、撓度控制、內力計算方法等。經過足尺空心板梁靜載試驗證明，設計可靠，并具有顯著的技術和經濟效益。
關鍵詞：部分預應力；砼空心板梁；后張法扁描體系；經濟性分析
1.前言
后張扁錨部分預應力空心板梁，由于采用了預應力和非預應力混合配筋以及扁形群錨體系，使結構兼有預應力混凝土和鋼筋混凝土兩種結構的優越性，且施工方便靈活，克服了先張全預應力結構反拱大，結構長期處于高壓狀態，以及生產時需要剛度強度巨大的張拉臺座和大噸位的千斤頂等不足之處，充分發揮了結構和扁錨效益。
近十幾年來新鄉市公路管理局在干線公路橋梁上開展了部分預應力空心板梁結構和作了足尺寸結構試驗，并取得成功，該成果經技術鑒定成果水平達到國內領先水平，填補了國內空白，獲得交通部科技進步獎，被推薦為“新技術推廣項目”，結構經過多年來的實踐和不斷完善，更顯示出顯著的技術和經濟效益。
本文結合在干線公路上使用跨徑為2孔16m（為分析方便選用16m跨徑）的后張部分預應力空心板橋的工程實例，對其設計進行簡要介紹，并對有關問題進行初步分析，以供橋梁技術人員參考。
1.有關的技術標準
1.1主要尺寸
標準跨徑16m，計算跨徑15.5m，板梁全長15.96m，梁高0.75m，橋面凈空為15.5m+2×0.25m安全帶。
1.2載重標準及材料
設計荷載采用公路-Ⅰ級荷載，空心板砼為C40，預應力鋼絞線采用φj15，Rgb=1860MPa，非預應力鋼筋和其他構造鋼筋為I和II級鋼筋。
1.3設計依據
遵循《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004，《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2004），并參考《部分預應力混凝土結構設計建議》（中國土木工程學會），以及由預應力設備廠提供的扁錨體系有關資料（以下簡稱《規范》與《建議》）。
2.設計過程及參數選擇
2.1空心板斷面尺寸擬定
板梁斷面仍采用預應力空心板標準圖中相應跨徑的橫斷面外形尺寸，并將標準圖雙孔橫斷面改為單孔橫斷面，增大了空心板的挖空率，簡化了施工，減少了砼體積和腹板內構造鋼筋。
2.2預應力度與用鋼量
我國《規范》按正常使用極限狀態為標準，采用彎矩比定義預應力度：入=M0/M
式中：M0—消壓彎矩，即使構件控制截面邊緣（使用荷載作用時）抵消到零時的彎矩；
M—使用荷載控制截面彎矩。
預應力度與用鋼量間的關系受結構截面型式、梁高等因素的影響，對于經濟用鋼量不同的研究結論也不一樣。
本橋經計算和分析，按我國目前的鋼材價格鋼絞線為普通鋼筋的2倍，因此本設計采用預應力度入=0.91，預應力鋼筋約等于2倍的非預應力鋼筋用量。
2.3抗裂安全度
按《規范》結構的抗裂安全系數為KF=MF/M，式中：MF—開裂彎矩，等于消壓彎矩與砼抗裂彎矩之和，即MF=M0+γRLW（M0—消壓彎矩，γ—塑性系數，RL—砼的抗拉強度，W—截面抵抗矩）。經計算KF=2.17砼未開裂，結構屬于部分預應力“A”類構件。
2.4預應力錨固張拉體系的選擇
本橋設計選擇夾片式扁型群錨體系，預應力孔道采用扁型金屬波紋管，這樣可以在不增加板厚的情況下，有效的增加內力臂。張拉設備采用了開封中原預應力設備廠研制的QYC—230型輕型千斤頂，最大張拉力230KN，重量16kg，使用輕便靈活。扁錨技術參數見表1。
2.5撓度選擇
構件采用部分預應力后，在長期荷載作用下撓度值控制為-0.4cm（上撓度），以減少因砼徐變而產生的預應力損失。
3 設計計算
3.1內力及強度計算
活載作用下的橫向分布系數按常規方法，跨中按鉸接板法，支點按杠桿法。恒載內力分別按預加應力階段（僅空心板重）與使用階段（空心板重+鋪裝重+安全帶欄桿重）計算，由于預應力筋為直線配筋，故僅選擇跨中與支點兩個截面進行驗算。按正常使用與承載能力極限狀態進行內力組合。
撓度計算上由于空心板為“A”類構件，構件剛度修正后，采用結構力學公式進行應力和撓度計算。按允許“名義”拉應力來計算預應力鋼筋，按強度要求配置非預應力鋼筋（具體計算從略）。
3.2構造布置
本設計預應力鋼筋為10束φj15鋼絞線，普通鋼筋為8Φ16，其他構造鋼筋同原標準圖設計。經優化設計為節省預應力錨具和波紋管，預應力筋經抗拔力試驗后，預應力鋼筋錨固端采用一端錨固，一端扎花工藝，即用扎花機在鋼絞線端頭壓成“燈籠”形狀，錨固在1.2m長范圍內與混凝土澆筑一體。
3.3局部承壓
空心板底板厚僅13cm，因而在Ny作用下需進行承壓驗算。驗算時由于這種扁型錨墊板的喇叭管與墊板組成整體，因而承壓面積Ac不能按《規范》計算，而應作為剛性墊板考慮，而Ac應按扁錨墊板的外輪廓尺寸計算，即采用全部墊板面積作為承壓面積考慮。
根據《規范》要求Ac/Ad≥4（Ad一計算底面積），對于本設計Ac/Ad=2.3<4，故在錨下布置間接鋼筋來提高混凝土承壓強度，經過足尺寸構件的承壓試驗后證明，現有的錨端設計滿足設計要求。
3.4工藝流程
（1）檢查構件（或塊體）：尤其要認真檢查預應力筋的孔道。其孔道必須保證尺寸與位置正確，平順暢通，無局部彎曲；
（2）穿預應力筋。穿筋前，應檢查鋼筋（或束）的規格、總長是否符合要求。
（3）預應力筋的張拉順序應符合設計要求，當設計無具體要求時，可采取分批、分階段對稱張拉。
（4）單根預應力粗鋼筋（采用拉伸機張拉螺絲端桿錨固）張拉時，應先少許加力，將墊板位置按設計規定找準，然后按規定張拉程序張拉，測出鋼筋實際伸長值，并作好張拉記錄。
（5）張拉及頂壓：預拉調整以后方可按規定張拉程序張拉。張拉完畢，測出鋼絲伸長值，苦與規定符合，就可進行頂壓錨塞。頂壓錨塞時必須關閉大缸油路，給小缸進油，使小缸活塞猛頂錨塞。
6）灌漿壓力一般為0.4～0.6MPa。灌漿順序應先下后上，避免上層孔道漏漿把下層孔道堵住，待排氣孔冒出濃漿后，即堵死排氣孔，再壓漿至0.6MPa，保持l～2min后，即可堵塞灌漿孔。
4.有關問題的探討
4.1關于后張法預應力空心板梁的經濟性
為了探討后張預應力空心板梁在材料用量方面的分析比較，現將跨徑相同（L =16m）的先張法空心板和后張法預應力混凝土空心板梁的材料用量列出見表2
由表2可見，單片的后張法預應力空心板比先張法空心板預應力鋼筋減少54.5%，非預應力筋增加11%，砼減少5.5%，總用鋼量減少1.5%。
但需說明的是以上比較還要考慮各種材料的價格差異，張拉臺座造價，以及大件運輸張拉機具等費用因素。本文分析按
