二讲静定预应力混凝土结构体系与关键技术

第二讲静定预应力混凝土梁桥

结构体系与构造关键技术一、常规预应力混凝土梁桥结构性能与关键构造二、预拉预压双预应力混凝土梁桥结构性能与关键构造三、预弯预应力混凝土组合梁桥结构性能与关键构造一、常规预应力混凝土梁桥结构性能与关键构造1、预应力体系和结构基本组成2、结构受力性能3、关键构造（截面、节点、连接）4、质量控制与施工工艺1、预应力体系和结构基本组成

按预应力作用方式，分为体内有粘结、体内无粘结预应力体系；体内有粘结预应力混凝土梁按工艺分为先张预应力及后张预应力体系。a）先张预应力梁；b）后张预应力梁（1）先张预应力体系①先张预应力体系所采用的预应力筋，一般为高强粗钢筋、钢丝、钢绞线等，按直线或折线线形布置。预应力筋的锚固主要靠其端段与混凝土之间的粘结力实现的，其锚固长度大小与混凝土强度和预应力筋的种类有关。②先张预应力筋与混凝土的直接粘结作用，预应力筋对混凝土结构的力的作用及其作为构件截面受力组成部分的作用，都是在预应力筋放张的同时形成的。这种直接粘结作用，更有利发挥预应力筋的抗拉能力、限制混凝土裂缝发展。（2）后张预应力体系①后张有粘结预应力体系是一种能够在预制场或现场实现的预应力体系。后张预应力筋可以采用高强粗钢筋、钢丝束、钢绞线束等，按直线或曲线线形布置在预留的孔道内，预应力筋的锚固主要靠专用的机械锚固装置即锚具实现的。②每根预应力筋通常采用两个锚具，如两个张拉端锚具或一个张拉端一个固定端锚具，但在节段施工的结构中，可以通过连接器将前节段已锚固的张拉端锚具或锚具前外伸预应力筋的接长，形成一个中间固定端并延长预应力筋。续③预应力筋孔道决定了预应力筋在构件截面中的位置、线形，其数量则由设计所需永久、临时及备用预应力筋决定；在预应力筋孔道压浆之前，预应力筋可以根据结构受力要求进行一次或多次张拉，或作为一种临时配置、以后拆除的预应力筋。后张预应力筋的张拉表现为对混凝土结构的力的作用，而孔道压浆后的预应力筋则成为结构构件受力截面的组成部分。讨论二者对结构力学性能的区别？2、结构受力性能预应力混凝土简支梁的荷载—挠度曲线从截面存在负弯矩的初始状态开始，随着荷载的增加跨中挠度首先经历一个线性变化过程，在经过逐步显现、少量非线性的一段曲线后，达到了截面开裂弯矩，从而全截面工作阶段结束，荷载—挠度曲线出现一个弯转；进入带裂缝工作阶段之后，随着截面刚度突降挠度增加速度加快，荷载—挠度曲线起初尚有一定的线性规律，但随着混凝土压应变、预应力筋应力的增大，曲线逐渐呈现非线性规律，截面开始进入屈服阶段，荷载—挠度曲线出现不明显变化的弯转；进入受力最后阶段后，荷载的增量仍有一定数量，但挠度的变化明显加快，直至达到极限荷载。①预应力混凝土梁的应力状态由于混凝土收缩、徐变的影响，结构的应力状态将在很长的时间内不断变化；预应力筋与混凝土构件粘结成一体后，它们之间也将发生内力重分布，最终趋于稳定的应力状态。②同一个结构采用不同的施工方法，可能会造成完全不同的结果，尤其预应力混凝土结构。在一些情况中，最终稳定的应力状态与结构成型时的初始应力状态相似、相差不大，均能很好地满足受力要求；但在另一些情况中，最终稳定的应力状态与结构成型时的初始应力状态相差较大，且可能其中一种处于不良的工作状态。因此，竣工时合格的桥梁，经过时间经历后，变成有问题的危桥。预应力混凝土梁的受力性能特点：3、结构构造1）总体布置：跨径、高跨比（各种截面类型）；关键是经济指标；2）截面构造：满足弯剪要求局部构造（管道布置、钢筋保护等）4、钢筋构造1）先张预应力布置先张预应力混凝土构件预应力筋的布置与粘结隔离

2）后张预应力筋布置①后张预应力混凝土构件预应力筋的布置由三个要素控制：预应力筋在梁弯矩控制截面的位置、预应力筋的锚固截面位置、控制截面至锚固截面之间预应力筋的线形。预应力混凝土构件在受力各阶段都能满足相应阶段应力控制要求的截面布筋范围称为索界，预应力筋应控制布置在索界内。②对弯矩幅度较大的低高度构件，一般通过增大轴向预压应力克服弯曲拉应力、提高混凝土标号以满足承受较大压应力的要求。后张预应力混凝土构件索界示意③预应力筋在锚固截面的定位应满足构造与受力要求，构造要求是提供预应力筋张拉所需的工作间距，受力要求是合理分布集中锚固力、满足锚固截面及锚固段的受力要求；④为了减少预应力筋在曲线孔道内摩阻引起的预应力损失，预应力筋的弯转不宜过急、角度不应大于20º，特殊需要时也不应大于30º

3）非预应力加强筋、锚固筋的布置先张预应力筋锚固段加强钢筋示意先张法锚固段顶缘加强钢筋防止回缩产生的劈裂、粘结破坏后张预应力局部锚固分：端面、齿块和齿槽锚固a）螺旋钢筋；b）空间钢筋网；c）螺旋与空间钢筋网的组合理想的锚块应以螺旋钢筋形成锚下局部承压加强作用，锚具间附加适量的空间钢筋网构成整体加强作用

开裂原因的复杂性？外腹板纵向中心剖面主拉应力

腹板主拉应力与原设计的应力状态基本相同，大部分主拉应力为0~0.22MPa，只在预应力筋锚板附近出现较大竖向拉应力，不控制竖向裂缝。齿块一般外凸在梁顶板的下侧或底板的上侧，

以锚固布置在梁顶板或底板中的预应力筋

a）可能发生的裂缝；b）自身加强钢筋；c）锚区范围加强钢筋预加力的作用锚块局部将发生相对顶板或底板的纵向位移，使锚前的顶板或底板受拉；预应力筋的局部弯转和预加力对于顶板或底板截面形心的偏心作用，使锚块发生相对顶板或底板的转动变形，导致板内产生弯曲应力

齿槽锚固主要用于箱梁腹板处的顶面或底面，在预

应力筋伸出的位置开槽口，形成锚具支承面并埋入锚具

a）可能发生的裂缝；b）加强钢筋齿槽的加强钢筋由两部分：一为锚后加强钢筋；另为槽口各面的加强钢筋，其中侧面和支承面上靠外口处的加强钢筋，对防止受拉较弱侧面拉裂和从角点发展斜裂缝的作用较大。板内曲线预应力

a）弯出平板；b）曲线底板内；c）曲线腹板内板内曲线预应力筋有三种情况：弯出平板，曲线形底板内,平面弯曲箱梁腹板内的纵向预应力筋。薄板内曲线预加力的等效径向力横向作用在板上，可能产生沿板平面的撕裂裂缝等导致靠预应力筋圆心侧的混凝土外崩。a平板的防崩钢筋b曲线底板的防崩钢筋；c曲线腹板的防崩钢筋

缺失对拉钢筋发生的崩裂薄板预应力筋锚后扩散加强钢筋

薄板锚后可能发生的裂缝与加强钢筋示意a）可能发生的裂缝；b）加强钢筋布置其它局部加强钢筋板壁抗撕裂加强钢筋

T梁“马蹄”构造内的加强钢筋先张法：a）制造台座；b）预应力筋张拉；c）混凝土施工；d）预应力筋放松先张法预应力工艺流程5、质量控制与施工工艺

先张法，即先张拉预应力筋后浇筑构件混凝土的施工方法。按设计要求张拉预应力筋由专用锚具临时固定在台座上（此时预应力筋的反作用力由台座承受），然后浇筑构件混凝土；待混凝土养护结硬到一定强度（一般应不低于混凝土设计强度的75

，以及混凝土龄期不小于7天，以保证具有足够的粘结力和避免徐变值过大，简称混凝土强度和龄期双控制）后，放松预应力筋，利用预应力筋的回缩力及其与混凝土之间的粘结作用使混凝土获得预压应力。先张法预应力空心板设计、施工工艺（1）钢铰线参与受力计算长度应考虑锚固长度；（2）在长线式台座上生产的空心板梁应根据厂家的实际生产工艺确定预应力钢绞线的下料长度，采用的钢铰线隔离措施必须对对预应力的释放有效；预应力钢绞线的二端的套管应能保证钢绞线在其中自由伸缩。（3）预应力钢绞线张拉控制应力为σk=0.75Rby每根张拉控制力为195KN。

(4）当采用多根钢束同时张拉时，必须在张拉前调正初应力。初应力约为控制应力的10%。(5)预应力钢绞线张拉程序为：O→初应力(0.10σk)→1.05σk(持荷5min)→0→锚固。(6)必须保证橡胶芯囊的正确位置。(7)当混凝土强度达到设计程序的80%时，方可放

预应力束。(8)存放和运输时，支点离梁端不得大于2米。后张法工艺后张法预应力工艺流程a）预留孔道混凝土施工；b）穿预应力筋、张拉；c）预应力筋锚固；d）孔道压浆、封锚后张法是先浇筑构件混凝土，待养护结硬后，再在构件上张拉预应力筋的方法。施工工艺的要点为：（1）首先，在构件混凝土浇筑之前按预应力筋的设计位置预留孔道（或明槽）；（2）待混凝土养护结硬到一定强度（一般不应低于混凝土设计强度的75

，混凝土龄期不宜小于7天）后，再将预应力筋穿入预留孔道内；（3）然后，以混凝土构件本身作为支承件，张拉预应力筋使混凝土构件压缩；采用双控方法控制预应力张拉的精确度。（4）待张拉力达到设计值后，用特制的锚具将预应力筋锚固于混凝土构件上，从而使混凝土获得永久的预压应力；最后，在预留孔道内压注水泥浆，以保护预应力筋并使其与混凝土粘结成整体。（5）校核反拱值，判断结构性能、施工质量。二、预拉预压双预应力混凝土梁桥

结构性能与关键构造1）素混凝土梁2）轴向预应力梁3）偏心预应力梁4）变化的偏心距预应力梁当跨径较大时，自重增加，需增加截面高度，同时提高下缘预应力。但梁高受限制，为满足下缘的拉应力需要而配置的预拉应力筋同时造成跨中截面上缘等产生过大的压应力，可能超过其容许压应力。降低梁高的解决办法：1、提高混凝土标号，满足对混凝土高压应力要求；2、变截面，采用宽箱长翼脊骨梁、组合截面等；3、采用预应力技术改善混凝土受力性能梁高受限问题与解决方法在混凝土梁的受压区对混凝土施加拉应力，同时在梁的受拉区对混凝土施加压应力，用这种一拉一压的方法提高梁的承载能力，降低梁的高度，理论上可使在全部使用荷载作用下在设计的控制截面上的应力达到“零”应力状态。1、双向预拉预压预应力基本概念2、应用范围跨线桥、立交桥建筑高度受到限制施工安装要求高跨比可达：

1/20~1/403、截面状态Ｔ—为在梁的受拉区施加给混凝土的有效压力或预拉力（力筋受拉，但对混凝土为受压，注意力的方向）；Ｃ—为在梁的受压区施加给混凝土的有效拉力或预压力（钢筋受压，但对混凝土为受拉）；双预应力梁（矩形）梁高：有效降低梁高的原因4、双预应力技术工艺分类先压法：

预先将压缩的预压应力筋埋入梁的受压区，待混凝土达到设计强度后，在梁的受拉区施加预压力的同时，通过放松预压应力筋，在梁的受压区施加预拉力，可产生使预轴力抵消、预弯曲叠加。后压法：

在梁的受拉区预先设置常规的受拉钢束，在受拉钢束张拉对混凝土施加预压力后，在梁的受压区通过放置在颈缩套管内的粗钢筋应用千斤顶来压缩钢筋，然后用螺帽将压缩好的粗钢筋固定在混凝土上，套管内注入水泥砂浆，达到强度后，放松螺帽使混凝土受拉。5、结构体系与构造1）、预应力体系和结构基本组成双预应力混凝土结构，是一种在混凝土的拉、压区同时配置预拉和预压预应力筋、形成拉、压双向作用预应力体系的结构。

双预应力体系是一种特殊的体内有粘结预应力体系，分为两部分：预加拉应力材料和相应锚固系统，其同一般有粘结预应力体系相同；预加压应力材料及相应锚固系统，其工艺较特殊。2）预加压应力材料①预加压应力材料主要为：粗钢筋和钢管；

②粗钢筋和钢管分别用于后压法和先压法对

混凝土受拉区施加预拉力。

预压应力筋拉锚式锚固方式预压应力筋顶锚式锚固方式与加载系统预压应力筋第一种锚固方式为拉锚式。预压应力筋的锚头（螺帽）顶压在设有锚固拉筋的锚头支承体上，可锚固于构件的端面或中间。预压应力筋第二种锚固方式是顶锚式。预压应力筋的锚头（螺帽）直接顶压在预埋支承垫板的混凝土体上,锚固于构件端面的情况，这种锚固方式须在梁上预设锚固槽和顶压槽，分别用于固定锚头（螺帽）和放置千斤顶.3）锚固及预压方式钢绞线—钢管先压应力系统钢筋—钢管先压应力系统

采用先压法的预压应力管为高强度合金无缝钢管

钢管预压时将发生弯曲变形，依其长短不同而表现为刚性或柔性特点4）锚固区结构构造预压应力管端部梁体构造示意预压应力筋端部梁体构造较长的柔性管一般将管端部分下弯至顶板下缘并形成齿块构造

较短的刚性管则在管端梁顶处开槽口对于采用后压法非通长布置的预压应力筋，构件顶面应预留千斤顶的顶压槽与钢筋上锚槽先压钢管法40米（梁高1.3m)双预应力简支梁（上海）后压精轧螺纹钢筋法40米（梁高1.35m)简支梁三、预弯预应力混凝土组合梁桥结构性能与关键构造1、历史1）、预弯组合梁的设计概念来源于比利时的A.Lipski工程师，由L.Baes等教授1949提出了基本设计方法；60年代并在欧洲申请专利技术；2）、亚洲的日本、韩国，约在20世纪70年代，大量应用于公路、铁路交通的跨线及立交桥梁；3）、我国的预弯梁研究最早开始于二十世纪80年代的上海同济大学。近几年哈尔滨、长沙等有近十座跨线立交应用。

2、设计思想①预弯组合梁的工作机理是通过施加预弯集中力使裸钢梁产生预弯；

②在预弯力释放后，利用钢梁的恢复弹性变形能，对下缘混凝土施加一定的预压力；

可认为是自应力的钢骨预应力混凝土结构。典型跨中截面：

制作流程

制作流程3、适用范围及应用优点1）预制拼装，高跨比可以达到或小于1/40；因此适合于跨线及立交桥梁,可有效缩短引桥长度。2）低高度下，弯、剪刚度大；3）钢骨混凝土具有的承载力高，较好的延性性能；4）抗腐蚀、锈蚀，耐久性好；5）可工厂化生产，不需锚具及张拉设备等。

4、关于设计的原则1）材料预弯组合梁的材料主要有高强度的钢、混凝土组成；

钢材要求具有较高的屈服强度，宜用Q345-C、D级的低合金高强度结构钢；下缘预应力混凝土宜用高标号低收缩、徐变混凝土；2）总体布置①组合梁的高度按桥面设计标高及净空要求确定，高跨比控制在1/20~1/40；②预制拼装施工，组合梁宽度（间距）按桥面布置及合理的梁高宽比确定；③组合梁的钢骨可采用变截面梁高，以节约钢材；④加强横向联系，横梁数量益多于普通T梁（如各1/8点）。3）主要计算①施工阶段承载能力极限状态应满足规范要求，正常使用阶段按部分预应力混凝土构件要求设计；②恒载考虑各施工阶段的内力叠加，活载横向分布计算按刚接梁法；③必须计入混凝土的收缩徐变效应对组合梁内力重分布的影响，尤其是预应力损失的效应；截面应力状态4）应力状态5）设计控制指标①钢梁制作的预拱度f，施工过程中变位的控制；②预弯集中力的位置及大小P；③钢梁的容许使用应力可取钢材屈服极限的0.8~0.9倍；④考虑收缩徐变三年后一期混凝土（下翼缘）的有效预应力。5、一般构造处理1）截面构造①钢梁上下翼板及腹板的宽厚比限值②一期混凝土（下翼缘）的面积。高：20~30cm、宽：50~100cm。2）局部构造

①提高腹板承载力、提高局部稳定的竖向加劲肋；②钢与混凝土间的剪切粘结—抗剪器（剪力钉等）③包裹钢材的混凝土净保护层厚度、构造钢筋选择。一期混凝土截面构造示意a）截面混凝土最小构造尺寸；b一期混凝土截面钢筋构造

腹板混凝土截面构造二期混凝土截面构造a）钢梁顶面抗剪钉；b）二期混凝土截面钢筋构造6、施工工艺-双榀预压方法1）钢梁的加工及要求严格控制焊缝质量