二次张拉体内预应力装配式波形钢腹板梁桥的研发

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二次张拉体内预应力装配式波形钢腹板梁桥的研发

李斐然，袁　波

(河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南　郑州　450052)

摘要： 推导了预应力梁桥梁端效应的计算公式，针对以往波形钢腹板梁桥体外预应力钢束用量大的问题，结合波形钢腹板梁桥梁端效应的分析结果，提出了一种二次张拉体内预应力的装配式波形钢腹板梁桥，并进行了3种不同钢束布置方式的对比分析。结果表明：波形钢腹板梁桥的梁端效应小，与二次张拉体内预应力钢束工艺相结合后，降低了原有装配式波形钢腹板梁桥的复杂度和工程造价，设计和施工上的对比分析结果显示底板短束方案优势较大，是一种适合应用在大跨度装配式梁桥上的结构形式。

关键词： 桥梁工程；装配式波形钢腹板；预应力束；二次张拉；梁端效应

0　引言

波形钢腹板梁设计理论与混凝土梁相似，易于工程师掌握，施工方法与混凝土梁形式相同不需要特殊的施工设备，结构自重减轻使得架设方便，腹板采用钢结构解决了混凝土腹板裂缝问题。汤意[1]等依据这些特点提出了装配式波形钢腹板箱梁桥，实现了组合结构桥梁的装配化制作和施工，使得装配式组合结构桥梁代替传统装配式混凝土桥梁成为可能，其施工方法为：将波形钢腹板梁于工厂内预制完成并张拉体内束后，运抵施工现场浇注湿接缝和横梁混凝土，形成闭口截面的波形钢腹板连续箱梁，待后浇混凝土强度等级满足要求时，张拉体外预应力钢束和支座处顶板负弯矩束。该种装配式波形钢腹板组合梁，由于结构形式和体外束等原因，在实际应用中存在以下缺点：在工厂预制时，波形钢腹板预制梁体内束一次张拉完毕，在混凝土收缩徐变影响下，预制梁体会出现较大反拱，影响架设时施工控制精度以及成桥后结构工作性能[2]；体外预应力钢束造价昂贵、增加了施工工序，锚固上需要采用较厚的横梁，结构形式上需布设体外束转向器以及钢束减震器等附属设施，并且后期更换难度大。鉴于以上问题，体外预应力装配式波形钢腹板组合梁存在一定的局限性。

图1　装配式波形钢腹板箱梁断面图
Fig.1　Cross-section of assembled box beam with corrugated steel webs

1　预应力梁桥的梁端效应

预应力梁桥的梁端效应是指预应力梁桥在采用直线预应力钢束时，由于预应力的张拉造成梁端局部拉应力偏大，比如先张法空心板梁桥通常采用直线形式的配束方式，通常需要设置预应力失效段，以避免直线配束造成的梁端上部拉应力超出混凝土的抗拉应力值，引起上部混凝土开裂[3-4]，因此预应力混凝土空心板梁桥跨径一般不大于20 m。如果可以采取某种措施或结构形式减少梁端效应，则可提高直线底板配束梁桥的跨径。

图2　一般梁的断面形式
Fig.2　Cross-section of general beam

图2所示为一般梁的断面形式示意图，预应力N对截面中性轴产生的弯矩为：

(1)

由形心轴上、下截面的面积矩相等可得：

。

(2)

全截面的面积为：

A=b1t1+h2t2+h3t3+b4t4。

(3)

整个截面的惯性矩为：

(4)

针对矩形截面和波形钢腹板梁截面，分别进行推导：

(1)对于矩形截面，即实心板梁：设定b1=b4=0，t1=t4=0，t2=t3=t，h2=h3=h，式(1)～式(4)可变为,

因此截面上缘应力为：

(5)

截面下缘应力。

(6)

对于实心板梁，当以底板压应力σ2(C50混凝土为16.2 MPa)为控制量时，顶板拉应力σ1=-0.5σ2会完全超出混凝土的抗拉允许值，所以对于实心板梁桥应避免在梁端采用直线预应力钢束。

(2)波形钢腹板梁桥由于腹板的弯折形成了褶皱效应[5]，在抗弯承载力计算时可不考虑腹板的作用，相当于无腹板截面，因此设定：

h4=t4/2+h3，

h1=t1/2+h2,

则。

截面上缘应力：

(7)

令高厚比n1=h1/t，n4=h4/t，

则截面上缘应力：

(8)

截面下缘应力：

(9)

一般梁断面b4≤b1；t≤h1；t≤h4。可得：

(10)

(11)

以30 m跨径的波形钢腹板梁为例，若t=0.2 m，h1=0.84 m，h4=1.16 m，此时σ1≈0，σ2≈2N/A,

(12)

跨径进一步增大时，n1和n2进一步增大，梁端效应将更不明显。

由式(12)可看出，波形钢腹板不产生抗弯惯性矩，预应力施加在底板上时，顶板应力基本为0，底板应力相当于预应力直接施加在底板上，该特点使得波形钢腹板梁在大跨度装配式梁桥上应用底板束具有明显的优势，而不会出现端部顶板拉应力过大的问题，即波形钢腹板梁能避免常规混凝土梁桥中梁端效应的产生。

2　二次张拉体内预应力波形钢腹板梁桥的研发

目前几乎所有的波形钢腹板梁桥均采用了体外预应力钢束[6-7]，是由于把混凝土腹板改为波形钢腹板后无法施加预应力腹板钢束。对于装配式波形钢腹板箱梁桥，由于需要在顶底板湿接缝中施加预应力，使整箱成为预应力混凝土A类构件，需要在湿接缝浇注完毕后通过体外预应力施加预应力荷载。如果将体外预应力钢束改为体内预应力钢束，一方面可以避免钢束更换的问题，另一方面还可以避免使用减震器、转向块等特殊构件，降低施工难度和造价。

在二次张拉预应力技术研究方面，Chang-Su Shim[8]在组合梁桥的预制桥面板中采用二次张拉预应力为支点负弯矩区域施加预应力；张哲[9]在金马大桥设计中提出了一种后穿长束的先简支后连续T梁结构形式；刘端阳[10]对后穿长束和短束的受力性能进行了对比研究；邵旭东[11]将预应力芯棒的概念进行了延伸，部分梁体先行预制和预压，然后现浇梁体剩余部分，形成装配—整体式桥梁结构，但这种结构形式需要分两次浇注混凝土，增加了施工工序，新旧混凝土之间存在温度、收缩徐变[12]等效应的耦合，不易于设计控制。这些研究主要是针对于支点负弯矩施加的二次张拉预应力，或者通过预应力叠合结构消除端部效应，实质上仍属于传统先张法预制梁桥和先简支后连续的施工工艺，这些方法对混凝土桥梁和常规组合结构桥梁在底板上施加二次预应力钢束时仍会导致梁端拉应力偏大。

结合大跨径波形钢腹板梁桥梁端效应不明显的特点和二次张拉体内底板预应力钢束方案，研发的新型装配式波形钢腹板梁桥增加了预制梁底板内预应力钢束数量，取消了原有桥梁结构中的体外束，将体内底板预应力钢束分二阶段张拉，有3种二次张拉体内预应力钢束布置方案可供采用(如图3所示)，分别为底板短束方案、底板交叉束方案、底板通长束方案。图4所示为一次钢束和二次钢束梁体横断面上的位置。

图3　三种二次张拉体内预应力钢束方案
Fig.3　Three schemes of twice tensioning internal prestressed tendons

图4　二次张拉体内预应力钢束梁断面图
Fig.4　Cross-section of twice tensioned internal prestressed tendons beam

对于底板短束设计方案，施工时在工厂预制波形钢腹板梁，并将二期张拉的预应力钢束直接穿在预制梁体里面；将预制梁安装在桥墩或桥台上后，绑扎或者焊接预制梁的横向连接钢筋，浇注梁体间的湿接缝，使主梁形成封闭的箱形断面；待湿接缝混凝土强度满足要求后，张拉二次底板预应力钢束，完成二次预应力钢束的施工。而对于另外两种施工方案，在预制梁时不能提前将钢束放在预制梁体内，需将预制梁安装在桥墩或桥台上后，绑扎或者焊接预制梁的横向连接钢筋，安装预应力钢束，然后浇注梁体之间的湿接缝，使主梁形成封闭的箱形断面；待湿接缝混凝土强度满足要求后，张拉二次底板预应力钢束，完成二次预应力钢束的施工。3种方案的优缺点比较见表1。结合各项指标可以看到，底板短束设计方案在施工上对预应力钢束要求较低，不需要后期穿钢束，优势相对较大。

表1　二次张拉钢束设计方案比较

Tab.1　Comparison of design schemes of twice tensioning tendons

指标底板短束方案底板交叉束方案底板通长束方案横隔板厚度小大小齿块数量多无少钢束定位难度小大大平行施工全部部分不能穿束难度小大大

3　二次张拉体内预应力波形钢腹板梁桥的试设计

某桥梁宽度16.5 m，桥面净宽2×15.75 m，中央分隔带宽2 m，上部结构为50 m装配式波形钢腹板梁，下部结构为桩柱式墩，摩擦桩基础。分别按图3所示的3种方案设计为50 m二次张拉体内预应力装配式波形钢腹板梁，施工上均采用先简支后连续施工工艺，二次预应力钢束均采用19根截面面积为140 mm2的φS15.2的低松弛高强度钢绞线，图5所示为试设计采用的装配式波形钢腹板梁断面。

图5　试设计用波形钢腹板梁断面尺寸(单位:cm)
Fig.5　Cross-sectional dimensions of beam with corrugated steel webs foe trial design(unit:cm)

3种方案的主要计算结果比较见表2。从表2可以看出，3种方案的计算结果差别不明显。对于跨中，预制部分短期效应组合下仅底板短钢束方案不出现拉应力，其他两个方案均有一定的拉应力，这是由于短束方案对底板压应力最有效；对于支点，预制部分短期效应组合下底板短束方案拉应力最大，但满足规范对A类构件的要求，这是由于短束方案支点预应力通过束偏少。对于跨中，现浇部分在短期效应组合下3种方案跨中均有拉应力，但均可满足规范对A类构件的要求；对于支点，现浇部分在短期效应组合下3种方案应力状态均良好，仅有底板交叉束方案相对较差，这是由于二次预应力钢束锚固位置偏下，造成顶板易开裂。长期效应组合下，交叉钢束方案与通长钢束方案在一定程度上不满足要求，需要增加预应力钢束型号，会造成钢束偏大的问题。

表2　3种方案的主要计算结果对比

Tab.2　Comparison of main calculation results of 3 schemes

计算结果选项预制部分现浇部分ABCABC短期组合跨中底板应力/MPa-1.4 1.2 0.6 1.11.81.8支点顶板应力/MPa1.0-0.30.6-0.20.6-0.6长期组合跨中底板应力/MPa-2.6-0.1-0.6-0.40.60.6支点顶板应力/MPa-0.4-1.1-0.6-1.2 -0.5-1.5

注：(1)应力以受拉为正，受压为负；(2)A为底板短束方案，B为底板交叉束方案，C为底板通长束方案。

预应力和混凝土的材料用量比较见表3，从表3可以看出，3种方案材料指标整体差别不大，但底板短束方案由于减少了横梁混凝土的用量，其混凝土指标最低；交叉束方案对支点位置的应力状况改善较好，减少了支点负弯矩的用量，其预应力指标最低；通长束方案各项指标基本均衡。

表3　3种方案的的材料用量比较

Tab.3　Comparison of material usage of 3 schemes

用量ABC预应力钢束/(kg·m-2)22.3420.9221.77混凝土/(m3·m-2)0.500.5480.521

结合施工上的便捷性、理论分析结果和混凝土用量指标3个方面，可认为底板短束方案效果最佳，适合在工程中应用。

4　结论

本文推导了波形钢腹板梁的预应力张拉梁端效应计算公式，提出了一种二次张拉体内预应力的装配式波形钢腹板梁，并进行了不同钢束布置方案下的比较，所得主要结论如下：

(1)实心板梁桥的预应力梁端效应明显，而波形钢腹板梁由于腹板的褶皱效应，使得预应力底板钢束的梁端效应很小，并且随着跨径的增大这种效应越来越微弱；

(2)二次张拉体内底板预应力钢束设计方案与波形钢腹板梁桥相结合能够取消波形钢腹板梁桥中常采用的体外预应力钢束，简化了结构中所含构件，减小施工复杂度和工程造价；

(3)多种形式的底板钢束方案对于先简支后连续的装配式波形钢腹板梁桥方案都是可行的，但底板短钢束设计方案与常规混凝土梁桥的施工顺序相同，并且各项计算结果均能较好地符合设计规范要求，适合作为推荐预应力布置形式。

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收稿日期：2015-09-28

基金项目：河南省交通科技重点项目 (2011PⅡ07)

作者简介：李斐然(1983-)，男，河南禹州人，高级工程师，工学博士.([e-mail])

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.07.013

中图分类号：U448.21+8

文献标识码： A

文章编号： 1002-0268(2016)07-0086-05

Development of Assembled Corrugated-steel-web Beam Bridge with Twice Tensioning Internal Prestress

LI Fei-ran, YUAN Bo

(Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co., Ltd., Zhengzhou Henan 450052, China)

Abstract： The calculation formula of beam-end effect of prestressed concrete beam bridges is derived. Focusing on the problem of large usage amount of external tendons for conventional corrugated-steel-web beam bridge, combining with the analysis results of the beam-end effect of the corrugated-steel-web beam bridge, a new kind of assembled corrugated-steel-web beam bridge with twice tensioning internal prestress is put forward, and 3 ways of tendon arrangement are compared and analyzed. The result shows that (1) the beam-end effects are less significant for beam bridges; (2) after combining with the twice tensioning internal prestressed tendon technique, the complexity and project cost of the original corrugated-steel-web beam bridge are reduced. Comparison analysis result of design and construction shows that the scheme of bottom slab with short tendons has greater advantage, which is a proper structure type for long span assembled beam bridges.

Key words： bridge engineering; assembled corrugated steel web; prestressed tendon; twice tension;beam-end effect