装配式预应力混凝土简支梁桥的构造与设计

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1、3.3 装配式预应力混凝土简支梁桥的构造与设计 装配式钢筋混凝土简支梁桥，常用的经济合理跨径在 20m 以下。跨径增大时，不但钢材 耗量大，而且混凝土开裂现象也往往比较严重，影响结构的耐久性。为了提高简支梁的跨越 能力，可采用预应力混凝土结构。目前，世界上预应力混凝土简支梁的最大跨径已达 76m。 但是，根据建桥实践，当跨径超过 50m 后，不但结构笨重，施工困难，经济性也较差。因此， 我国桥规明确指出：预应力混凝土简支梁桥的标准跨径不宜大于 50m。 3.3.1 横截面设计 3.3.1 横截面设计 1横截面形式 装配式预应力混凝土简支梁桥的横截面类型基本上与钢筋混凝土梁桥类似， 通常也做成

2、T 形、I 形，但为了方便布置预应力束筋和满足锚头布置的需要，下部一般都设有马蹄或加 宽的下缘(见图 3.15b、c)。有时为了提高单梁的抗扭刚度并减小截面尺寸，也采用箱形(见 图 3.15d)。 图 3.26 横向分段装配式梁 由于采用预应力筋施加预压力， 可以提供方便的接头形式，为了使装 配式梁的预制块件进一步减小尺寸和 重量，还可做成横向也分段预制的串 联梁(如图 3.26)。但由于串联梁施工 麻烦，构件预制精度要求高，在国内 使用较少。 2主梁布置 经济分析表明，对于跨径较大的预应力混凝土简支梁桥，当吊装重量不受限制时，采用 较大的主梁间距比较合理，一般可采用 1.82.5m。 3截面

3、尺寸 (1)截面效率指标 为了合理设计预应力混凝土梁的截面尺寸， 首先分析其截 面的受力特点。截面特征如图 3.27 所示： 在预加力阶段和运营阶段， 预应力混凝土梁截面承受双向弯矩。在预加力阶段，施加了偏心预加力，在预加力和自重弯矩的共同作用下， 合力相当作用于截面的下核点（截面上缘应力为零） （如图 3.28a） ；在运营阶段，若计及预应力损失，截面内合力为yN1gMyNyNyyyNNN=，则在结构附 加重力(桥面铺装、人行道、栏杆)弯矩和汽车与人群荷 图 3.27 界面特征 2gM图 3.27 截面特征 载弯矩作用下，合力将从下核点移至上核点（截面下缘应力为零） ，即移动了pMyNxsk

4、kK+=的距离（如图 3.28b） ，则有： 1gyMeN= （3.1） ()()pgxsyyMMkkNN+=+2（3.2） 图 3.28 预应力混凝土简支梁的应力状态 式中：预应力筋距截面下核心的偏心矩； exskk、截面上、下核心距。 由式(3.1)可见，偏心距实际上起到了无偿抵消主梁自重的作用。采用形心较高的 截面，可以加大偏心距，从而节约预应力筋的数量。 e e式(3.2)表明，截面核心距的大小体现了运营阶段承受荷载的能力，而且核心距 K 愈大预应力筋就愈节省。 排除截面梁高 h 的影响， 可用截面效率指标hK= 表示， 故应使尽可能大。 显然，截面形式不同将影响到截面形心位置和截面效

5、率指标的大小。从经济性考虑，通 常希望值在 0.450.5 以上。 实际上，对跨径较大的预应力混凝土简支梁，适当加大翼缘宽度，增加梁的间距，可以 提高截面效率指标。 （2）主梁高度 预应力混凝土简支梁桥的主梁高度取决于采用的汽车荷载等级、 主梁间距及建筑高度等 因素， 可在较大范围内变化。 对于常用的等截面简支梁， 其高跨比的取值范围在 1/151/25， 一般随跨径增大而取较小值，随梁数减少而取较大值，对预应力混凝土 T 形梁一般可取 1/161/18 左右。当桥梁建筑高度不受限制时，采用较大的梁高显然是较经济的，因为加 高腹板使混凝土用量增加不多，而节省预应力筋数量较多。 其他细部尺寸 在

6、预应力混凝土梁中， 由于混凝土所受预应力和预应力束筋弯起， 能抵消荷载剪力的作 用，肋中的主拉应力较小，肋宽一般都由构造和施工要求决定，但不小于 160mm。标准设计 中肋宽为 140160mm。 T 梁上翼缘的厚度按钢筋混凝土梁桥同样的原则来确定。为了减小翼板和梁肋连接处的局部应力集中和便于脱模， 在该处一般还设置折线形承托或圆角， 此时承托的加厚部分应计 算在内。 T 梁下缘的马蹄尺寸应满足预加力阶段的强度要求，同时，从截面效率指标分析，马蹄应当是越宽而矮越经济。 马蹄的具体形状要根据预应力束筋的数量和排列方式确定， 同时 还应考虑施工方便和力筋弯起的要求。具体尺寸建议如下： 马蹄宽度约为

7、肋宽的 24 倍，并注意马蹄部分(特别是斜坡区)的管道保护层不宜小 于 60mm。 马蹄全宽部分的高度加 1/2 斜坡区高度约为梁高的 0.15O.20 倍，斜坡宜陡于 45o。 为了配合预应力筋的起弯， 在梁端能布置锚具和安放张拉千斤顶， 在靠近支点附近马蹄 部分应逐渐加高， 腹板也应加厚至与马蹄同宽， 加宽的范围最好达到一倍梁高(离锚固端)左右， 从而形成了沿 纵向腹板厚度和马蹄高度都变化的变截面 T 梁。 标准设计中， 一般采用自第一道内横隔梁向 梁端逐渐变化的形式。 4横隔梁布置 沿纵向的横隔梁布置基本上与钢筋混凝土梁桥相同，但中横隔梁应延伸至马蹄的加宽 处。当主梁跨度大、梁较高的情况

8、下，为了减小重量而往往将横隔梁的中部挖空。 3.3.2 配筋构造 3.3.2 配筋构造 预应力混凝土梁内的配筋，除主要的纵向预应力筋外，尚有非预应力纵向受力钢筋、架 立钢筋、箍筋、水平分布钢筋、承受局部应力的钢筋（如锚固端加强钢筋网）和其他构造钢 筋等。 1纵向预应力筋的布置 预应力混凝土简支 T 梁桥， 通常采用后张法施工， 根据简支梁的受力特点通常采用曲线 配筋的形式，其常用的布置方式有图 3.29 中所示的两种。全部主筋直线布置的形式，仅适 用于先张法施工的小跨径梁。 预应力筋一般都采用图 3.29a所示全部弯至梁端锚固的布置形式，这样布置可使张拉操 作简便，预应力筋的弯起角度不大(一般

9、都小于 20o的限值)，对减小摩阻损失有利。 对于钢束根数较多或当梁高受到限制， 以致梁端不能锚固全部钢束时， 可将一部分预应 力筋弯出梁顶(图 3.29b)。这样的布置方式使张拉操作稍趋繁琐，使预应力筋的弯起角度增 大(达 25o30 o)，摩阻引起的预应力损失也随之增大。 图 3.29 预应力混凝土简支梁纵向预应力筋的布置（尺寸单位：m） 预应力筋在梁内的具体位置可以利 用索界的概念来确定。以部分预应力截 面为例，根据使其上、下缘容许出现不 大于规定拉应力的原则，可以按照在最小外荷载（即张拉阶段承受预加力和结构自重弯矩）作用下和最大荷载（即运营阶段承受的预加力以及荷载短期效应组合或荷载长期

10、效应组合弯矩yN1gM yN=M1gM+，其中和分别为后期恒载和活载弯矩）作用下两种情况，分别确定 Ny 在各个截面上偏心距的极限值。由此可绘出如图 3.30 所示的两条曲线。只要使预应力钢索的重心位置位于这 两条曲线所围成的区域内（即索界内） ，就能保证梁的任何截面在各个受力阶段上、下缘应 力均不超过规定值。显然，在实际布置时还要满足混凝土规定保护层的要求。 2gMpM2gMpM图 3.30 索界图 另外，从图 3.30 中还可看出，由于简支梁弯矩向梁端逐渐减小，故索界的上下限也逐 渐上移，这就是必须将大部分预应力筋向梁端逐渐弯起的重要原因之一。 预应力筋弯起的曲线形状可以采用圆弧线、 抛物

11、线或悬链线三种形式。 在矢跨比较小的 情况下， 这三种曲线的坐标值很接近， 工程中通常采用在梁中部保持一段水平直线后按圆弧 弯起的做法。 预应力钢束弯起的曲率半径，应符合下列规定： 对钢丝束、钢绞线，d5mm（d 为钢丝直径）时，不小于 4m； d5mm 时，不小于 6m； 对精轧螺纹钢筋，D25mm（D 为钢筋直径）时，不小于 12m； D25mm 时，不小于 15m。 图 3.31 横截面内钢筋布置 30mm 20mm 40mm 40mm 30mm20mm预应力筋在跨中横截面内的布置，应在保证梁 底保护层和位于索界内的前提下，尽量使其重心靠 下，以增大预应力的偏心距，节省高强钢材。预应 力

12、筋在满足构造要求的同时，尽量相互靠拢，以减 小下马蹄的尺寸，减小梁体自重。直线管道的净距 不应小于 40mm，并不小于管道直径的 0.6 倍。此外 还应将适当数量的预应力筋布置在腹板中线处，以 便于弯起。直线形管道保护层厚度应满足表 3.1 的 要求，对曲线形管道，其曲线平面内側受曲线预应 力钢筋的挤压，混凝土保护层在曲线平面内和平面 外均受剪，梁底面保护层和侧面保护层均需加厚， 其值应依据桥规计算确定。横截面内预应力筋 的布置如图 3.31 所示，d 为管道的内直径，应比预 应力筋直径至少大 lOmm。 2纵向预应力筋的锚固 预应力筋的锚固分两种情形： 在先张法梁中， 钢丝或钢筋主要靠混凝土

13、的握裹力锚固在 梁体内；在后张法梁中，则通过各类锚具锚固在梁端或梁顶。此处仅介绍后张法的锚固： 在后张法锚固构造中，锚具底部对混凝土作用着很大的压力，而直接承压的面积不大， 应力非常集中。在锚具附近不仅有很大的压应力，还有很大的拉应力。因此，锚具在梁端的 布置必须遵循一定的原则： （1）锚具的布置应尽量减小局部应力。一般地，集中、过大的锚具不如分散、小型的 有利。 （2）锚具应在梁端对称于竖轴布置，以免产生过大的横向不平衡弯矩。 （3）锚具之间应留有足够的净距，以便能安装张拉设备，方便施工作业。 为了防止锚具附近混凝土出现裂缝， 还必须配置足够的间接钢筋 （包括加强钢筋网和螺 旋筋）予以加强。

14、间接钢筋应根据局部抗压承载力计算确定，配置加强钢筋网的范围一般是 一倍于梁高的区域。另外，锚具下还应设置厚度不小于 16mm 的钢垫板，以扩大承载面积， 减小混凝土应力。图 3.32 为梁端锚固区的配筋构造示例。 图 3.32 梁端的垫板和加强钢筋网 图 3.33 预制钢筋混凝土端板和叉形钢筋网 （尺寸单位：cm） 也可以采用带有预埋锚具的预制钢筋混凝土端 板来锚固预应力筋，如图 3.33 所示。此时除了加强 钢筋骨架外，锚具下设置两层叉形钢筋网，施工起 来也比较方便。 目前用于预应力钢绞线的锚具（如 OVM 锚）已 包括了钢垫板和螺旋筋在内的整套抵抗锚固区局部 承压所需要的加强措施，故不需要

15、再配置上述的加 强钢筋。 施加预应力之后，应在锚具周围设置构造钢筋 与梁体连接，并浇筑混凝土封锚，以保护锚具不致 锈蚀。封锚混凝土的强度等级不应低于构件本身混 凝土强度等级的 80%，且不低于 C30。 3其他钢筋的布置 预应力混凝土梁与钢筋混凝土梁一样， 要按规定的构造要求布置箍筋、 架立钢筋和纵向 水平分布钢筋等。由于弯起的预应力筋对梁肋混凝土提供了预剪力，主拉应力较小，一般可 不设斜筋。另外，预应力混凝土梁还要设置其他的非预应力钢筋。 （1）箍筋的配置 预应力混凝土 T 形梁的腹板内应设置直径不小于 10mm 的箍筋，且采用带肋钢筋，间距 不大于 250mm；自支座中心起长度不小于一倍梁

16、高范围内，应采用闭合式箍筋，间距不大于 100mm，用来加强梁端承受局部应力。纵向预应力筋集中布置在下缘的马蹄部分，该部分的 混凝土承受很大的压应力，因此，必须另外设置直径不小于 8mm 的闭合式加强箍筋，其间距 不大于 200mm(见图 3.31)。此外，马蹄内尚应设置直径不小于 12mm 的定位钢筋。 （2）非预应力纵向受力钢筋 在预应力混凝土简支梁中， 将非预应力的钢筋与预应力筋协同配置， 有时可达到补充局 部梁段内强度不足，满足极限强度要求，或更好地分布 裂缝和提高梁体韧性等效果，使简支梁的设计更加经济 合理。 图 3.34 无预应力纵向受力钢筋 （虚线）的布置 先张法施工的小跨度梁，如果采用直线布筋形式， 张拉阶段支点附近无法平衡的负弯矩会在梁顶引起过高 的拉应力，为了防止因此可能产生的开裂，可适当布置 如图 3.