预应力混凝土桥梁结构设计

1、预应力混凝土桥梁结构设计若干问题的商搉与探讨哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 张张 树树 仁仁Zhttp:/ 海南 海口 预应力混凝土是预应力混凝土是20世纪最具有世纪最具有 革命性的结构构思，已广泛用于革命性的结构构思，已广泛用于 土木和建筑工程土木和建筑工程,是当今乃至以后是当今乃至以后 的主要建桥材料的主要建桥材料.一 规范解读分析与商榷 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范计规范(JTG D62-2004)己使用近己使用近6年年, 2009年年6月规范编制单位又出版了月规范编制单位又出版了公路桥公路桥梁设计规范答疑汇编梁设计规范答疑汇编,对规范执行中带

2、有对规范执行中带有普遍性的问题进行了解答普遍性的问题进行了解答. 现仅就预应力混凝土结构设计的有关问题现仅就预应力混凝土结构设计的有关问题做进一步解读分析与商榷做进一步解读分析与商榷. 1 正截面抗弯承载力计算公式的适用条件 预应力混凝土受弯构件正截面抗弯预应力混凝土受弯构件正截面抗弯承载力计算以适筋梁塑性破坏为基础承载力计算以适筋梁塑性破坏为基础,其其配筋率应控制在最大配筋率和最小配筋配筋率应控制在最大配筋率和最小配筋率之间率之间. 1.1 预应力混凝土受弯构件的预应力混凝土受弯构件的最大配筋率限制，一般是通过混凝土受压区高度来加以控制。 . 式中： 相对于“界限破坏”时的混凝土受压区高度；

3、 相对界限受压高度，又称为混凝土受压区高度界限系数， 0bbxxhbxb ？问题（答疑汇编148页问题1、150页问题4）： 应力验算和承载力计算结果均滿足规范，但不滿足 的要求，可否不考虑此项要求？应如何解决？0bxh xb h0的限制即为最大配筋率限制，不滿足此项要求为超筋设计，构件将发生脆性破坏，设计中不允许采用的。 承载力计算是涉及结构安全的核心问题，必须滿足 xb h0的限制条件。 不滿足xb h0时，如何解决？增加梁的高度 梁的有效高度h0是影响梁的正截面工作性能的最主要因素。 一般以 x0.7b h0为控制条件求得梁的合理梁高。增加受压腹板(梁肋)宽度. 连续梁支点附近截面下缘受

4、压,由于受压区宽度較小,导致受压区高度过大, 可能出现不滿足 xb h0的情况.为此,应适当加大连续梁支点附近截面的腹板(梁肋)宽度.增加受压钢筋,构成双筋截面,减小混凝土受压区高度.提高混凝土设计强度等级,减小混凝土受压区高度。 公路桥梁设计规范答疑汇编公路桥梁设计规范答疑汇编 148页提出页提出“由于抗裂引起的预应力钢筋的由于抗裂引起的预应力钢筋的增增多多,按规范按规范5.2.4条规定可不计在以条规定可不计在以 控控制的配筋面制的配筋面 积之内积之内”,并以此作为解决并以此作为解决受受压区高度过大的办法的建议是值得商榷压区高度过大的办法的建议是值得商榷的的.b 对规范5.2.4的不同理解

5、规范5.2.4:受弯构件在应用公式(5.2.2-3)的条件时,可不考虑按正常使极限状态计算可能增加的纵向受拉钢筋截面面积和按构造要求配置均纵向钢筋截面面积. 笔者认为后增加纵向受拉钢筋是客观存在的,必将对混凝土受压区高度和正截面抗弯承载力产生影响. 如果在承载力计算求得的混凝土受压如果在承载力计算求得的混凝土受压区相对高度較小区相对高度較小(b ),将后增加的将后增加的纵向受拉钢筋的供献做为承载力的儲纵向受拉钢筋的供献做为承载力的儲备是无可非议的备是无可非议的. 如果在承载力计算求得的混凝土受如果在承载力计算求得的混凝土受压区相对高度压区相对高度接近界限值接近界限值b , 考虑后考虑后增加的纵

6、向受拉钢筋的作用，就有可增加的纵向受拉钢筋的作用，就有可能出现能出现b 的情况的情况,这在设计上是不允这在设计上是不允许的许的.1.2 1.2 预应力混凝土受弯构件预应力混凝土受弯构件 最小配筋率限值最小配筋率限值 桥规JTG D62第9.1.12条规定：预应力混凝土受弯构件最小配筋率应满足下列条件： （即规范公式9.1.12） 式中 , 为正截面抗弯承载力设计值， 为正截面开裂弯矩值。/1udcrMM udMcrM 很多设计者反应很多设计者反应（ 公路桥梁设计规范公路桥梁设计规范答疑汇编答疑汇编325页）：页）： 设计时经常出现“按全预应力要求设计的预应力混凝土连续梁桥，正截面承载力满足规范

7、要求，使用阶段应力验算结果也都符合规范的规定，但是抗裂弯矩过大，不满足规范第9.1.12条公式（9.1.12）的限制条件” 的情况，并提出下列疑问： 正截面承载力和使用阶段应力验算均已满足正截面承载力和使用阶段应力验算均已满足规范要求，从理论上讲就可以保证结构的安全工规范要求，从理论上讲就可以保证结构的安全工作，在这种情况下，还要限制开裂弯矩有什么实作，在这种情况下，还要限制开裂弯矩有什么实际意义？规范中给出的开裂弯矩计算公（际意义？规范中给出的开裂弯矩计算公（ 6.5.2-6）是针对部分预应力混凝土是针对部分预应力混凝土B类结构提出的，对全类结构提出的，对全预应力混凝土和部分预应力混凝土预应

8、力混凝土和部分预应力混凝土A类构件不存类构件不存在开裂问题，是否可以不受规范在开裂问题，是否可以不受规范9.1.12条限制？条限制？ 在实际设计工作中经常出现开裂弯矩大于在实际设计工作中经常出现开裂弯矩大于承载力设计值的反常现象的原因是什么？应如何承载力设计值的反常现象的原因是什么？应如何解决？解决？.1预应力混凝土受弯构件最小配筋率预应力混凝土受弯构件最小配筋率限值（限值（ ）的物理意义。）的物理意义。 在在桥规桥规JTG D62编制说明中对受弯构件的最小配编制说明中对受弯构件的最小配筋率的物理意义是这样解释的筋率的物理意义是这样解释的“受弯构件的受拉钢筋最受弯构件的受拉钢筋

9、最小配筋率是根据混凝土的开裂弯矩与同尺寸的钢筋混凝小配筋率是根据混凝土的开裂弯矩与同尺寸的钢筋混凝土梁所有承担的弯矩相等而确定的，其目的是当混凝土土梁所有承担的弯矩相等而确定的，其目的是当混凝土受拉边缘出现裂缝时，梁不致因配筋过少而脆性破坏。受拉边缘出现裂缝时，梁不致因配筋过少而脆性破坏。公式（公式（9.1.12）对于预应力混凝土最小配筋的要求，其）对于预应力混凝土最小配筋的要求，其性质与上述钢筋混凝土受弯构件类似，可表达性质与上述钢筋混凝土受弯构件类似，可表达为为 ” 。 udcrMMudcrMM 混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范GB50010-2002对这一问题对这一问题的解释是规范的

10、解释是规范9.5.3条规定了预应力构件中各类预应力筋的条规定了预应力构件中各类预应力筋的最小配筋率，其基本思路为截面开裂后受力钢筋不致立即最小配筋率，其基本思路为截面开裂后受力钢筋不致立即失效的原则，目的是为了使构件具有起码的延性性质，避失效的原则，目的是为了使构件具有起码的延性性质，避免无预兆的脆性破坏。免无预兆的脆性破坏。 桥规桥规JTG D629.1.12条做强制性条文是必须执行条做强制性条文是必须执行的，例外，其目的是控制受拉钢筋总量不能过少，以保证梁的的，例外，其目的是控制受拉钢筋总量不能过少，以保证梁的塑性破坏性质。塑性破坏性质。 笔者认为实际设计中经常出现“不满足下列规范公式9.

11、1.12 ( )最小配率要求”的主要原因是: 受传统的全预应力设计思想的影响，预加应力过大; 规范给出后张法构件开裂弯矩计算公式（6.5.2-6）计算结果偏大./1udcrMM .2开裂弯矩计算公式的讨开裂弯矩计算公式的讨 桥规JTG D62第9.1.12条规定,开裂弯矩按规范公式（6.5.2-6）计算： （6.5.2-6） （6.5.2-7） tkcrpc0M()Wf002 SW式中： 扣除全部预应力损失后预应力钢筋和普通钢筋合 力在构件抗裂验算边缘产生的混凝土预压力； 换算截面抗裂验算边缘的弹性抵抗矩。 pc0W 笔者认为笔者认为对后张法构件而言，计对后张法构件而言，计算开

12、裂弯矩时应考虑不同受力阶段截面几何特征值取值的不同。开裂弯矩 系为抵消下边缘压应力储备（ ）所需的总弯矩，其中自重弯矩产生的拉应力应按净截面几何特征值计计算；（ ）部分弯矩产生的拉应力应按换算截面几何特征值计计算。 （crgMM） （0pctkf） 这样，后后张法构件开裂弯矩计算表达式应改写为下列形式：0()gcrgpctknMMMfWW00()(1)crpctkgnWMfWMW 1.2.3 1.2.3 是根本不可能出现是根本不可能出现 的计算的计算“幻影幻影” 若所加预应力过大，在排除计算上的错误后仍可能出若所加预应力过大，在排除计算上的错误后仍可能出现现 的反常现象。的反常现象。 众所周知

13、，一个配筋适当的应力混凝土梁从施加预加力众所周知，一个配筋适当的应力混凝土梁从施加预加力至构件的最后破坏要经历：预施应力阶段，从承受使用荷至构件的最后破坏要经历：预施应力阶段，从承受使用荷载到构件出现裂缝的整体工作阶段、带裂缝工作阶段和破载到构件出现裂缝的整体工作阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段等四个过程。坏阶段等四个过程。 换句话说，一个正常配筋的预应力混凝土只有先开裂，随换句话说，一个正常配筋的预应力混凝土只有先开裂，随着变形的不断发展，才能达到最后的塑性破坏状态。着变形的不断发展，才能达到最后的塑性破坏状态。crudMMcrudM M 从预应力混凝土梁的破坏机理分析可以判断，从预应力混凝土

14、梁的破坏机理分析可以判断，计算中出现计算中出现 的预应力混凝土梁的变的预应力混凝土梁的变形很小，一旦构件承担的内力值接近或达到形很小，一旦构件承担的内力值接近或达到抗弯承载力设计值时，梁会立即发生脆性破抗弯承载力设计值时，梁会立即发生脆性破坏这种无任何预兆的脆性破坏是很危险的，坏这种无任何预兆的脆性破坏是很危险的，设计中是绝对不能采用的。设计中是绝对不能采用的。 crudM M.4解决这一问题的积极办法是适解决这一问题的积极办法是适当降低预压应力水平，优先采用混合当降低预压应力水平，优先采用混合配筋方案。配筋方案。 由于受传统的全预应力设计思想的影响，很多设计由于受传统的全预应

15、力设计思想的影响，很多设计者习惯于者习惯于“从正截面承载力需要出发（即强度条件），从正截面承载力需要出发（即强度条件），选择预应力筋的数量，然后进行抗裂性及使用阶段的选择预应力筋的数量，然后进行抗裂性及使用阶段的应力验算的设计方法，只要抗裂性及使用阶段的应力应力验算的设计方法，只要抗裂性及使用阶段的应力满足规范要求满足规范要求,不管有多大的富余量，即认为可以保不管有多大的富余量，即认为可以保证结构安全工作。证结构安全工作。 例如，桥规例如，桥规JTG D62规定对特大桥和重要规定对特大桥和重要大桥在承载力计算中引入了结构重要性系数大桥在承载力计算中引入了结构重要性系数 =1.1，即将荷载效应组

16、合设计值提高，即将荷载效应组合设计值提高10%。这样，按着上述根据强度条件选择预这样，按着上述根据强度条件选择预应力筋数量，要比过去增加应力筋数量，要比过去增加10%，而抗裂性，而抗裂性及使用阶段应力验算时，荷载效应组合设计及使用阶段应力验算时，荷载效应组合设计值与以前设计相比并没有增加。值与以前设计相比并没有增加。 这样势必会造成预压应力增加，致使在短这样势必会造成预压应力增加，致使在短期效应组合或使用荷载作用下梁的下缘保持期效应组合或使用荷载作用下梁的下缘保持较大的压应力富余量。较大的压应力富余量。0 例如，桥规例如，桥规JTG D62规定对特大桥和重要规定对特大桥和重要大桥在承载力计算中

17、引入了结构重要性系数大桥在承载力计算中引入了结构重要性系数 =1.1，即将荷载效应组合设计值提高，即将荷载效应组合设计值提高10%。这样，按着上述根据强度条件选择预这样，按着上述根据强度条件选择预应力筋数量，要比过去增加应力筋数量，要比过去增加10%，而抗裂性，而抗裂性及使用阶段应力验算时，荷载效应组合设计及使用阶段应力验算时，荷载效应组合设计值与以前设计相比并没有增加。这样势必会值与以前设计相比并没有增加。这样势必会造成预压应力增加，致使在短期效应组合或造成预压应力增加，致使在短期效应组合或使用荷载作用下梁的下缘保持较大的压应力使用荷载作用下梁的下缘保持较大的压应力富余量。富余量。 0 预应

18、力混凝土梁的配筋设计应满足不同设计预应力混凝土梁的配筋设计应满足不同设计状况下规范规定控制条件要求（例如：承载力、状况下规范规定控制条件要求（例如：承载力、抗裂性、裂缝宽度、变形及应力等）。在这些抗裂性、裂缝宽度、变形及应力等）。在这些控制条件中最重要的是满足结构在正常使用极控制条件中最重要的是满足结构在正常使用极限状态下使用功能要求（抗裂性和裂缝宽度）限状态下使用功能要求（抗裂性和裂缝宽度）和保证结构对达到承载力极限状态时具有一定和保证结构对达到承载力极限状态时具有一定的安全储备的安全储备. 在截面尺寸已知的情况下，结构的抗裂性和在截面尺寸已知的情况下，结构的抗裂性和裂缝宽度主要与预加力的大

19、小有关，而构件的裂缝宽度主要与预加力的大小有关，而构件的极限承载力则与预应力筋和普通钢筋的总量有极限承载力则与预应力筋和普通钢筋的总量有关。关。 预应力混凝土梁钢筋数量估算的一般方法是预应力混凝土梁钢筋数量估算的一般方法是：首先根据结构使用性能要求（即抗裂性和裂缝：首先根据结构使用性能要求（即抗裂性和裂缝宽度）确定预应力筋数量，然后再由构件的承载宽度）确定预应力筋数量，然后再由构件的承载力极限状态要求，确定普通钢筋的数量。力极限状态要求，确定普通钢筋的数量。 换句话说，预应力混凝土梁钢筋数量估算的基本原换句话说，预应力混凝土梁钢筋数量估算的基本原则是首先按结构使用性能要求确定预应力筋数量，极限

20、则是首先按结构使用性能要求确定预应力筋数量，极限承载力的不足部分由普通钢筋补充。承载力的不足部分由普通钢筋补充。 积极倡导混合配筋方案，即使是全预应力混凝土结积极倡导混合配筋方案，即使是全预应力混凝土结构也应配置足够的普通钢筋，以增强结构的延性，确保构也应配置足够的普通钢筋，以增强结构的延性，确保结构的塑性破坏性质。结构的塑性破坏性质。 1.1.3 3 双筋截面受压区高度最小值的双筋截面受压区高度最小值的限制限制 桥规桥规 JTG D62JTG D62在计算双筋截面时，在计算双筋截面时，引入了混凝土受压区高度最小值的限制条件引入了混凝土受压区高度最小值的限制条件 （或（或 ） 这条限制的实质是

21、对极限状态下受压钢筋这条限制的实质是对极限状态下受压钢筋应变的限制，其目的是为了保证在极限状态应变的限制，其目的是为了保证在极限状态下受压钢筋应力能达到其抗压强度设计值。下受压钢筋应力能达到其抗压强度设计值。 2xa2sxa 普通钢筋和预应力钢筋的抗压强度设普通钢筋和预应力钢筋的抗压强度设计值，是以受压区混凝土达到极限破坏时，计值，是以受压区混凝土达到极限破坏时，受压钢筋的应变受压钢筋的应变 为为 0.0020.002为取值条件确为取值条件确定的。定的。 若若 （或（或 ），表明受压钢筋），表明受压钢筋离截面中性轴太近，梁破坏时受压钢筋的离截面中性轴太近，梁破坏时受压钢筋的应变不能充分发挥，其

22、应力达不到抗拉强应变不能充分发挥，其应力达不到抗拉强度设计值。度设计值。2sxa2xa 计算表明，上述规定是针对普通热轧钢筋给出的，对高强度的预应力钢筋取值偏小。 混凝土受压区高度 时,受压钢筋的压应变为 笔者认为将双筋截面受压区高度最小值 改为 为宜.式2pxa,2/2/0.80.0030.0018 0.0022/2/0.8pppppcuppaaaaaa 3pxa 桥规 JTG D62规定，对于 （或 ）的情况， 构件的正截面抗弯承载力可由下列近似公式求得： 当受压区配有纵向普通钢筋和预应力钢筋，且预应力 钢受压时（ ）为正， （5.2。5-1） 当受压区仅配有纵向普通钢筋或配有普通钢筋和预

23、应 力钢筋，且预应力钢筋受拉时（ ）为负 ， （5.2。5-2） 公式（5.2-10）是由对受压区普通钢筋和预应力钢筋 合力作用取矩的平衡条件求得的,（5.2-11）是由对受压区普通 钢筋合力作用取矩的平衡条件求得的，计算时均忽略了混凝土 受压区的影响.2x00()() ()()sdpdppssdssspdpppsMf A h aaf A h aafA h aa，2sx0pdp0pdp0()()dpdppsdssMfA haaf A haa， 问题(152页) 规范公式5.2.5-1)与钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁结构设计原理公式的符号不同(a 还是as), 到底那个对,为什么? 前以指出:如

24、果不滿足混凝土受压区高度最小值的限制条件 ( ), 表明受压钢筋离截面中性轴太近，梁破坏时受压钢筋的应变不能充分发挥，其应力达不到抗拉强度设计值。换句话说,精确确定极限状态下受压普通钢筋和预应力钢筋的实际应力是很麻烦的.受压普通钢筋和预应力钢筋合力作用点至边缘的距离a也无法精确确定.在这种情况下精确地区分( )的正或负也是不可能的.2xa0pdp 笔者建议笔者建议, 对于对于 的情况的情况( (可以不用区分可以不用区分 的正或负的正或负), ), 其正截面抗弯承载力其正截面抗弯承载力可采用下式近似公式计算可采用下式近似公式计算: : 或 上式是由上式是由对受压普通钢筋对受压普通钢筋( (或或受

25、压受压预应力预应力钢筋钢筋) )合力作用合力作用点取矩的平衡条件求得的近似公式点取矩的平衡条件求得的近似公式, ,公式中忽略了受压区混公式中忽略了受压区混凝土和受压预应力筋凝土和受压预应力筋( (或或受压普通钢筋受压普通钢筋) )的作用的作用, ,因为这两项因为这两项合力对受压普通钢筋合力对受压普通钢筋( (或或受压受压预应力预应力钢筋钢筋) )合力作用点的距合力作用点的距离离( (即力臂即力臂) )很小很小, ,对正截面抗弯承载力的影响是微不足到的对正截面抗弯承载力的影响是微不足到的. .,2xa0pdp0()()dpdpppsdsspMfA haaf A haa0()()dpdppssds

26、ssMfA haaf A haa2 斜截面抗剪承载力计算斜截面抗剪承载力计算的基本表达式为斜截面抗剪承载力计算的基本表达式为： （5.2.7-15.2.7-1）式中：式中： 斜截面受压端正截面处由作用（或荷载）产生斜截面受压端正截面处由作用（或荷载）产生 的最大剪力组合设计值；的最大剪力组合设计值； 斜截面顶端受压区混凝土箍筋的综合抗剪承斜截面顶端受压区混凝土箍筋的综合抗剪承 载力；载力； 与斜截面相交的普通弯起钢筋的抗剪承力；与斜截面相交的普通弯起钢筋的抗剪承力； 与斜截面相交的预应力弯起钢筋的抗剪承与斜截面相交的预应力弯起钢筋的抗剪承 载力。载力。0dcssbpbVVVVdVcsVs bV

27、pbV混凝土和箍筋共同的抗剪承载力混凝土和箍筋共同的抗剪承载力 （5.2.7-25.2.7-2） 普通弯起钢筋的抗剪承载力普通弯起钢筋的抗剪承载力 （ 5.2.7-3 5.2.7-3 ） 预应力弯起钢筋的抗剪承载力预应力弯起钢筋的抗剪承载力 （ 5.2.7-4 5.2.7-4 ） 31230,0.45 1020.6cscu ksvsd vVbhpff 3,0.75 10sinsbsd bsbsVfA30.75 10sinpbpbphpVfA。 计算截面的剪力组合设计值应满足计算截面的剪力组合设计值应满足 下式要求下式要求： （5.2.9） 若不满足上式要求时，则需加大截面尺寸或提高混凝土强度等

28、级。30.00.51 10(KN)dcu kVfbh 应用上式计算时遇到的主要问题应用上式计算时遇到的主要问题：（1） h0如何计算 （答疑汇编158、159、161页） ?（2）应用公式5.2.9复核抗剪截面尺寸时是否考虑预加力竖直分力(即预剪力)的影响?（3）配有竖向预应力筋时抗剪承载力如何计算?.2.1 h0如何计算? 桥规JTG D62明确指出了斜截面抗剪承载力计算及抗剪强度上、下限复核时，梁的有效高度 h0 为纵向受拉钢筋截面重心至截面受压边缘的距离，即在计算 时不应考虑弯起钢筋的影响。 笔者认为这里的h0 是反映梁高对抗剪承载力的影响。对于在支点处所有预应力筋均弯起的情况，验算支点

29、的附近斜截面抗剪承载力和复核抗剪强度上、下限值时， 可从跨中截面钢筋重心或底排纵向普通钢筋重心算起。 2.2 应用公式5.2.9复核抗剪截面尺寸是否考虑预加力竖直分力(即预剪力)的影响? 笔者认为公式5.2.9的实质是控制截面的主压应力,防止发生脆性斜压破坏. 此时预加力应作为外力处理,考虑预加力竖直分力(即预剪力)的影响.公式5.2.9应改为:30.0sin0.51 10(KN)dppcu kVNfbh2.3 设有竖向预应力筋时抗剪承载力计算 对于配有竖向预应力筋的预应力混凝土梁进行斜截面抗剪承载力复核时，桥规JTG D62规定(5.2.7条注1) ，可将计算公式（5.2.7-2）中的箍筋配

30、筋率 和抗拉强度设计值 ，以竖向预应力筋配筋率 和抗拉强度设计值 代替。 这样规定的实质是将竖向预应力钢筋的作用视为箍筋一样处理。sv,sd vfpv,pd vf 笔者认为:竖向预应力钢筋和箍筋的作用机理不同竖向预应力钢筋和箍筋的作用机理不同, ,两两者不能互相代替者不能互相代替; ;在实际工程中，通常的作法是采用竖向预在实际工程中，通常的作法是采用竖向预应力钢筋时，也还要配置一定数量的箍筋。应力钢筋时，也还要配置一定数量的箍筋。对于同时配有竖向预应力筋和箍筋的情况对于同时配有竖向预应力筋和箍筋的情况也无法代替也无法代替. . 笔者建议笔者建议: :对于同时配有竖向预应力筋和箍筋的情对于同时配

31、有竖向预应力筋和箍筋的情况况, , 将竖向预应力钢筋的抗剪承载力单独计算将竖向预应力钢筋的抗剪承载力单独计算. . 斜截面抗剪承载力计算的基本方程改为下形式：斜截面抗剪承载力计算的基本方程改为下形式： 式中，式中， 为与斜截面相交的竖向预应力钢筋的抗剪承为与斜截面相交的竖向预应力钢筋的抗剪承载力，其数值可按下式计算：载力，其数值可按下式计算： 式中，式中，0.750.75为考虑竖向预应力钢筋应力不均匀分布的影为考虑竖向预应力钢筋应力不均匀分布的影响系数；响系数； 为与斜裂缝相交的竖向预应力钢筋的截为与斜裂缝相交的竖向预应力钢筋的截面面积；面面积； 为竖向预应力钢筋的抗拉强度设计值。为竖向预应力

32、钢筋的抗拉强度设计值。0 dcssbpbpvVVVVVp vV3.0.75 10(KN)pvpd vpvVfApvA.pd vf 3 使用阶段应力验算时荷载效应组合的探讨使用阶段应力验算时荷载效应组合的探讨 预应力混凝土使用阶段的应力验算做承载能预应力混凝土使用阶段的应力验算做承载能力极限状态的补充，应考虑结构上可能同时出现力极限状态的补充，应考虑结构上可能同时出现的作用（或荷载），取其最不利效应组合进行计的作用（或荷载），取其最不利效应组合进行计算，并应考虑多种可变作用（或荷载）效应组合算，并应考虑多种可变作用（或荷载）效应组合的影响。例如，在预应力连续箱梁使用阶段应力的影响。例如，在预应力

33、连续箱梁使用阶段应力计算时，除了考虑车辆荷载和人群荷载等可变荷计算时，除了考虑车辆荷载和人群荷载等可变荷载作用的基本组合情况外，通常还要考虑车辆荷载作用的基本组合情况外，通常还要考虑车辆荷载，人群荷载，温度作用，支座不均匀沉陷等多载，人群荷载，温度作用，支座不均匀沉陷等多种可变作用（或荷载）效应组合。种可变作用（或荷载）效应组合。 众所周知，众所周知，桥规桥规JTG023-85JTG023-85规定的使用阶段应力限规定的使用阶段应力限值，是按不同荷载组合情况分别列出的，即应符合下列规值，是按不同荷载组合情况分别列出的，即应符合下列规定定： 受压区混凝土最大压应力 荷载组合， 荷载组合或， 预应

34、力钢筋的最大拉应力 荷载组合，对钢绞线、钢丝， 对冷拉粗钢筋， 荷载组合或，对钢绞线、钢丝， 对冷拉粗钢筋， 。 0.5bhaaR0.6bhaaR0.65byyR0.8byyR0.7byyR0.85byyR 桥规JTG023-85中的荷载组合，系指基本可 变荷载（平板挂车或履带车除外）的一种或几种与永 久荷载的一种或几种与其他可变荷载的一种或几种相 组合的情况；桥规JTJ023在计算预应力混凝土构 件使用阶段应力时，将荷载组合或作用下的混凝 土最大压应力限值提高12%，预应力钢筋最大拉应力 限值提高10.7%。这样处理粗略地反应了多种可变荷 载组合作用的影响。 桥规JTG D62给出的使用阶段

35、应力限值，不再区分作用(或荷载)效应组合情况，采用了相同的数值。这一限值相当于桥规JTJ023荷载组合I的水平。 换句话说，在进行预应力混凝土梁使用阶段应力验算时，如何考虑多种可变作用(或荷载)效应组合的影响，在桥规JTG D62中没有更明确的规定。 笔者建议笔者建议：在预应力混凝土梁使用阶段：在预应力混凝土梁使用阶段应力验算中，引入作用应力验算中，引入作用( (或荷载或荷载) )效应组合效应组合系数系数c，考虑多种可变作用，考虑多种可变作用( (或荷载或荷载) )效应效应组合的影响。组合的影响。 作用(或荷载)效应组合系数c，可参照通用规范JTG D60给出的承载能力极限状态计算的基本组合中

36、的规范取值。 这样，用于使用阶段应力验算时，作用(或荷载)效应组合标准值可表达为下列形式： (10.1-12) 式中Sk 使用阶段作用基本组合的效应组合标准值； SGik 第i个永久作用效应的标准值； SQ1k 汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力)的标准值； SQjk 在作用效应组合中，除汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力)外的其他第j个可变作用效应的标准值； kG i kQ 1 KQ j k12mncijSSSSc 在作用效应组合中除汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力)外的其他可变作用效应的组合系数；当永久作用与汽车荷载和人群荷载(或其他一种可变作用)组合时，人群荷载(或其他一种可变作用)的

37、组合系数取c =0.8；当除汽车荷载(含汽车冲击力、离心力)外尚有两种其他可变作用参与组合时，其组合系数取c =0.70；尚有三种可变作用参与组合时，其组合系数取c =0.60；尚有四种及多于四种的可变作用参与组合时，取c =0.50。例如： 除汽车荷载效应外，只有一种可变作用参与组合，取c=0.8 除汽车荷载效应外，尚有两种可变作用参与组合，取c=0.7 除汽车荷载效应外，尚有三种可变作用参与组合，取c=0.6 kG ikQ 1K ()10.8miSSSS汽 车人 群kGikQ1K()10.7miSSSSS汽车人群温度（）kGikQ1K()10.6miSSSSSS汽车人群支座沉陷温度（+）

38、应该指出，组合效应系数c是承载能力计算的基本组合中，考虑多个可变作用时，对综合作用效应的影响，在保持可靠指标及恒载和汽车荷载分项系数不变的前提下，引入一个小于1.0的组合效应系数，对作用(或荷载)效应标准值作等效折减。这里将其用于使用阶段应力计算的多种可变作用(或荷载)效应组合的处理方法是近似的。二 预应力混凝土桥梁的耐久性问题引起了国内外的广泛关注 长期以来，人们受混凝土是一种耐久性长期以来，人们受混凝土是一种耐久性能良好的建筑材料这一认识的影响，忽视能良好的建筑材料这一认识的影响，忽视了钢筋混凝土结构性问题，造成了混凝土了钢筋混凝土结构性问题，造成了混凝土结构耐久性研究的相对滞后，并为此付

39、出结构耐久性研究的相对滞后，并为此付出了巨大的代价。了巨大的代价。 1985 1985年英国威尔士一座预应力混凝土桥梁年英国威尔士一座预应力混凝土桥梁的破坏，导致英国运输部在的破坏，导致英国运输部在19921992年曾颁布年曾颁布命令命令“在新的标准颁布之前，不得再采用在新的标准颁布之前，不得再采用孔道灌浆的后张法预应力混凝土桥梁孔道灌浆的后张法预应力混凝土桥梁”。英国运输部指令在英国掀起了不小的冲击英国运输部指令在英国掀起了不小的冲击波，引导波，引导 人们更多的去考虑预应力混凝土结构的耐人们更多的去考虑预应力混凝土结构的耐久性问题。久性问题。 2.1 2.1 后张法预应力孔道灌浆质量是影响后

40、张法预应力孔道灌浆质量是影响结构耐久性的薄弱环节。结构耐久性的薄弱环节。 国内外的工程实践表明，后张法预应国内外的工程实践表明，后张法预应力孔道灌浆不饱满，灌浆材料强度过低，力孔道灌浆不饱满，灌浆材料强度过低，质量得不到保证是较为普遍的现象。尤质量得不到保证是较为普遍的现象。尤其是在孔道弯起处钢丝束张拉后紧贴孔其是在孔道弯起处钢丝束张拉后紧贴孔道的凸出处，即使灌浆再饱满也不可能道的凸出处，即使灌浆再饱满也不可能将紧贴孔壁的钢丝束与混凝土粘结为一将紧贴孔壁的钢丝束与混凝土粘结为一体。水份的侵入造成预应力筋的腐蚀是体。水份的侵入造成预应力筋的腐蚀是不可避免。不可避免。 解决预应力混凝土桥耐久性问题

41、，首先是解决预应力混凝土桥耐久性问题，首先是要采用多重防护措施，防止预应力筋腐蚀。要采用多重防护措施，防止预应力筋腐蚀。 采用具有良好密封性能的高密度塑料波纹钢采用具有良好密封性能的高密度塑料波纹钢代替金属波纹管；代替金属波纹管； 积极推广真空吸浆技术，提高灌浆材料的密积极推广真空吸浆技术，提高灌浆材料的密实度；实度； 在灌浆材料中掺入适量的阻锈剂，提高预应在灌浆材料中掺入适量的阻锈剂，提高预应力筋的抗腐蚀能力；力筋的抗腐蚀能力； 对于可能遭受氯盐侵蚀的预应力混凝土结构对于可能遭受氯盐侵蚀的预应力混凝土结构的预应力筋、锚具及连接器等钢材组件宜采用的预应力筋、锚具及连接器等钢材组件宜采用环氧涂层

42、或涂锌防锈处理；环氧涂层或涂锌防锈处理； 预应力筋的锚头应采用无收缩高性能混凝土预应力筋的锚头应采用无收缩高性能混凝土封端等。封端等。2.2 采取综合治理措施控制裂缝是耐久性设计的重要内容 2.2.1 预应力混凝土的结构性裂缝预应力混凝土的结构性裂缝(正截面弯曲裂正截面弯曲裂缝和斜截面剪切裂缝缝和斜截面剪切裂缝)可以通过抗裂性验算来加以可以通过抗裂性验算来加以控制控制. 在实际工程中在实际工程中,大多数设计者仍习惯传统的全预应大多数设计者仍习惯传统的全预应力的设计思想力的设计思想, 通过加大预应力的办法提高结构通过加大预应力的办法提高结构的抗裂性的抗裂性.有些设计甚至以使用荷载作用下有些设计甚

43、至以使用荷载作用下,保持保持一定压应力控制设计一定压应力控制设计. 工程实践表明工程实践表明, 对于正常设计和施工的桥梁而言对于正常设计和施工的桥梁而言, 结构性裂缝对结构耐久性的影响不大结构性裂缝对结构耐久性的影响不大.2.2.2 非结构性裂缝对耐久性结构的影响是不可忽视的 工程实践表明,预混凝土应力常见非结构性裂缝有： 箱梁腹板收缩裂缝； 纵向(或顺筋)裂缝。 预防腹板收缩裂缝的措施预防腹板收缩裂缝的措施深圳泥岗立交匝道桥腹板收缩裂缝示意图深圳泥岗立交匝道桥腹板收缩裂缝示意图 腹板收缩裂缝产生原因分析：腹板收缩裂缝产生原因分析： 箱梁顶板和底故的嵌固约束作用箱梁顶板和底故的嵌

44、固约束作用,腹板腹板混凝土收缩变形将受到限制混凝土收缩变形将受到限制,若腹板内设若腹板内设置的防收缩钢筋的间距过大置的防收缩钢筋的间距过大,或拌和混凝或拌和混凝土中水泥用量过大土中水泥用量过大,初期养护不当初期养护不当,都可能都可能造成腹板岀现收缩裂缝造成腹板岀现收缩裂缝. 预防腹板收缩裂缝的措施：预防腹板收缩裂缝的措施： 合理配置水平防收缩钢筋合理配置水平防收缩钢筋( (采用带肋钢采用带肋钢筋、间距不宜过大、放在箍筋的外侧筋、间距不宜过大、放在箍筋的外侧) ) 加强混凝土的早期养护加强混凝土的早期养护 预防纵向（顺筋）裂缝的措施预防纵向（顺筋）裂缝的措施 混凝土结构的纵向（顺

45、筋）裂缝，混凝土结构的纵向（顺筋）裂缝，控其产生的原因可分为控其产生的原因可分为“先锈后裂先锈后裂”和和“先裂后锈先裂后锈”两大类。两大类。 “ “先锈后裂先锈后裂”系指钢筋腐蚀后，由于系指钢筋腐蚀后，由于腐蚀体积物体积膨胀作用，产生顺筋锈腐蚀体积物体积膨胀作用，产生顺筋锈胀裂缝。顺筋胀裂缝的出现是钢筋腐蚀胀裂缝。顺筋胀裂缝的出现是钢筋腐蚀的标志，如不及时处理，将会加速钢筋的标志，如不及时处理，将会加速钢筋腐蚀，影响结构的耐久性，危及结构安腐蚀，影响结构的耐久性，危及结构安全。从设计角度，应从造成钢筋腐蚀的全。从设计角度，应从造成钢筋腐蚀的源头上采取措施，预防此类问题的发生。源头上采取措施，预

46、防此类问题的发生。 “先裂后锈先裂后锈”系指由于某种原因结构系指由于某种原因结构出现局部纵向裂缝，由于水分和有害介质出现局部纵向裂缝，由于水分和有害介质的侵入，造成钢筋腐蚀，腐蚀物锈胀，又的侵入，造成钢筋腐蚀，腐蚀物锈胀，又会使裂缝进一步扩展。混凝土结构出现会使裂缝进一步扩展。混凝土结构出现“先裂后锈先裂后锈”纵向（顺筋）裂缝的原因是纵向（顺筋）裂缝的原因是极其复杂的，多数是由于设计和施工处理极其复杂的，多数是由于设计和施工处理不当造成的意外伤害不当造成的意外伤害。预应力混凝土空心板底板纵向裂缝 红光跨线桥红光跨线桥 3-6号底板纵向、横向裂缝号底板纵向、横向裂缝0.4mm/0.65m依路匝道

47、桥依路匝道桥1-2号空心板板底纵向裂缝号空心板板底纵向裂缝 分析认为预应力混凝土空心板梁桥底板分析认为预应力混凝土空心板梁桥底板出现的纵向裂缝是由于纵向预压应力过大出现的纵向裂缝是由于纵向预压应力过大而引起的受力裂缝。众所周知而引起的受力裂缝。众所周知,由于材料泊由于材料泊桑比的影响桑比的影响,构件纵向受压时必将产生相应构件纵向受压时必将产生相应的横向拉应力。若荷载长期组合作用下底的横向拉应力。若荷载长期组合作用下底板承受的预压应力过大，相应产生横向拉板承受的预压应力过大，相应产生横向拉应力达到混凝土的抗拉强度極限值时就会应力达到混凝土的抗拉强度極限值时就会在某个混凝土抗拉薄弱处在某个混凝土抗

48、拉薄弱处(一般为钢筋削弱一般为钢筋削弱后的最小板厚处后的最小板厚处 )出现纵向裂缝。纵向裂缝出现纵向裂缝。纵向裂缝出现后向拉应力得到释放出现后向拉应力得到释放,一般不会出现第一般不会出现第二条纵向裂缝。二条纵向裂缝。 某桥为46m+80m+80m+46m预应力混凝土现浇箱梁,在预应力张拉施工过程中出现合拢段底板纵向开裂的现象。(审稿材料). “电算分析认为径向力引起的拉应力过大造成合拢段底板开裂的主要原因”, 笔者认为合拢段底板纵向开裂与设计和施工多种因素有关:下凹曲线束半径过小、抗拉拔箍间过大、纵向预应力束布置过于集中(局部预压应力过大) ,都会造成合拢段底板开裂(顺筋裂缝),应针对原桥的设

49、计和施工情况,给出更具体的病害诊断意见. 解决纵向（顺筋）裂缝问题的基本思路是从总结分析产生纵向（顺筋）裂缝的原因入手，对症下药，“防裂于未然”。 (1 ) (1 ) 改进结构设计适当降低改进结构设计适当降低 混凝土的压应力水平混凝土的压应力水平 众所周知，考虑材料泊松比的影响，众所周知，考虑材料泊松比的影响， 混凝土承受纵向压应力混凝土承受纵向压应力 时，必将产生时，必将产生 横向拉应力横向拉应力 ，两者的关系，两者的关系 为为 ， 此处此处 即为材料的泊松比，即为材料的泊松比， JJG D62规定取规定取 。 cxstystyc xsu s=u0.2u=ty 混凝土的横向拉应力达到其抗拉强

50、度标准混凝土的横向拉应力达到其抗拉强度标准值（值（ ）为即将出现纵向裂缝）为即将出现纵向裂缝的临界状态，此时混凝土实际承受的纵向的临界状态，此时混凝土实际承受的纵向压应力压应力 与其抗压强度标准值与其抗压强度标准值 的比的比值为：值为： 对对C40C40混凝土混凝土 对对C50C50混凝土混凝土 对对C60C60混凝土混凝土 tycxckfsus=cx crsckf2.40.44770.2 26.8tkcxcrckckfffsu=2.650.40890.2 32.4cx crtkfs=2.850.37010.238.5cx crtkfs= 计算结果表明，对预应力混凝土桥梁常用的C40、C50和

51、C60混凝土而言，若实际承受的混凝土纵向压应力大于其抗压强度标准值的0.4477、4089和0.3701倍时，从理论上讲就会出现纵向裂缝。 适当降低荷载长期效应组合作用下适当降低荷载长期效应组合作用下混凝土压应力限值，对防止纵向裂缝具混凝土压应力限值，对防止纵向裂缝具有重要意义。有重要意义。 JTG D62对荷载长期效应组合作对荷载长期效应组合作用下的混凝土压应力限值用下的混凝土压应力限值 没有明确规没有明确规定。定。 笔者建议笔者建议: :为了防止纵向裂缝，构件自为了防止纵向裂缝，构件自重及恒载效应和有效预加力的作用下，重及恒载效应和有效预加力的作用下，混凝土的压应力宜取混凝土的压应力宜取

52、。 ccls0 .4ckfccs JJG D62规定规定: :暂短状态应力验算时预暂短状态应力验算时预施应力作用阶段混凝土压应力限值为施应力作用阶段混凝土压应力限值为 ，此处，此处 为与制造、运输、为与制造、运输、安装各施工阶段混凝土立方体抗压强度相应的安装各施工阶段混凝土立方体抗压强度相应的抗压强度标准值。抗压强度标准值。 笔者建议笔者建议: :从预防施工期间出现纵向裂缝从预防施工期间出现纵向裂缝 考虑，应适当施工期间压力限值，考虑，应适当施工期间压力限值， 以以 （0.5-0.60.5-0.6） 为宜。为宜。0.7ckf ccsckf ckf ccs(.2(.2 ) 精心组织孔道灌浆施工，

53、防止灌浆材精心组织孔道灌浆施工，防止灌浆材料胀裂。料胀裂。 某城市立交的后张法预应力混凝土空心某城市立交的后张法预应力混凝土空心板梁桥由于孔道灌浆工艺操作不当，灌浆板梁桥由于孔道灌浆工艺操作不当，灌浆孔出口阀门关闭过早，孔道内存有多余的孔出口阀门关闭过早，孔道内存有多余的游离水，受冻后孔道几乎全部胀裂，出现游离水，受冻后孔道几乎全部胀裂，出现严重的纵向顺筋裂缝。严重的纵向顺筋裂缝。 某预应力混凝土连续箱梁桥，由于布置某预应力混凝土连续箱梁桥，由于布置在腹板上的竖向预应力筋孔道设有及时灌在腹板上的竖向预应力筋孔道设有及时灌浆封闭，下雨后孔道进水，冬季孔道积水浆封闭，下雨后孔道进水，冬季孔道积水冻

54、胀，使箱梁腹板出现严重的竖向裂缝。冻胀，使箱梁腹板出现严重的竖向裂缝。4.3 4.3 严格控制孔道的局部尺寸偏差，防止张拉时混严格控制孔道的局部尺寸偏差，防止张拉时混凝土崩裂。凝土崩裂。 若施工时预应力筋孔道定位不准、局部向上弯若施工时预应力筋孔道定位不准、局部向上弯曲（弯折）或下凹曲线形（或平面弯曲）预应力曲（弯折）或下凹曲线形（或平面弯曲）预应力筋的径向锚固钢筋设置较少，都会因张拉时形成筋的径向锚固钢筋设置较少，都会因张拉时形成的径向力作用，引起混凝土拉裂（崩裂），局部的径向力作用，引起混凝土拉裂（崩裂），局部出现纵向顺筋裂缝。出现纵向顺筋裂缝。 若预应力混凝土桥施工时，孔道支承垫块放若预

55、应力混凝土桥施工时，孔道支承垫块放置间距过大，浇筑混凝土时孔道局部下弯，在支置间距过大，浇筑混凝土时孔道局部下弯，在支承垫块处孔道上折，浇筑混凝土后实际形成的孔承垫块处孔道上折，浇筑混凝土后实际形成的孔道形状为多点单向波型，预应力筋张拉时势必在道形状为多点单向波型，预应力筋张拉时势必在设置垫块处产生向下的拉应力，折模后发现底板设置垫块处产生向下的拉应力，折模后发现底板下表面出现多条沿预应力筋方向的纵向裂缝。下表面出现多条沿预应力筋方向的纵向裂缝。 (.3 ) (.3 ) 严格控制孔道的局部尺寸偏差，防止张拉时混严格控制孔道的局部尺寸偏差，防止张拉时混凝土崩裂。凝土崩裂。 若施工时预应力筋孔道定

56、位不准、局部向上弯若施工时预应力筋孔道定位不准、局部向上弯曲（弯折）或下凹曲线形（或平面弯曲）预应力曲（弯折）或下凹曲线形（或平面弯曲）预应力筋的径向锚固钢筋设置较少，都会因张拉时形成筋的径向锚固钢筋设置较少，都会因张拉时形成的径向力作用，引起混凝土拉裂（崩裂），局部的径向力作用，引起混凝土拉裂（崩裂），局部出现纵向顺筋裂缝。出现纵向顺筋裂缝。 若预应力混凝土桥施工时，孔道支承垫块放置若预应力混凝土桥施工时，孔道支承垫块放置间距过大，浇筑混凝土时孔道局部下弯，在支承间距过大，浇筑混凝土时孔道局部下弯，在支承垫块处孔道上折，浇筑混凝土后实际形成的孔道垫块处孔道上折，浇筑混凝土后实际形成的孔道形状

57、为多点单向波型，预应力筋张拉时势必在设形状为多点单向波型，预应力筋张拉时势必在设置垫块处产生向下的拉应力，折模后发现底板下置垫块处产生向下的拉应力，折模后发现底板下表面出现多条沿预应力筋方向的纵向裂缝。表面出现多条沿预应力筋方向的纵向裂缝。 三 改进预应力混凝土结构设计的基本思想 目前我国公路预应力混凝土桥梁绝大部目前我国公路预应力混凝土桥梁绝大部分为采用孔道灌浆的后张法预应力混凝土。分为采用孔道灌浆的后张法预应力混凝土。面对孔道灌浆后张法预应力混凝土结构在面对孔道灌浆后张法预应力混凝土结构在耐久性方面的先天不足，很多学者和工程耐久性方面的先天不足，很多学者和工程界的同行都在积极思考，从提高结构耐久界的同行都在积极思考，从提高结构耐久性的战略高度出发，改进预应力混凝土结性的战略高度出发，改进预应力混凝土结构设计的新思路。构设计的新思路。 3.1. 中小跨径桥梁应优先采用先张法预应中小跨径桥梁应优先采用先张法预应力混凝土力混凝土 先张法构件由于省去构造复杂的锚头先张法构件由于省