预弯预应力组合梁双榀预压

谢波

中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：

预弯预应力组合梁简称预弯梁，是一种由预弯钢梁和砼组合而成的新型预应力－砼组合结构，是上海市首次采用的新梁型、新工艺，它具有梁高小，施工方便（不需锚具和压浆设备）等特点，特别适用于梁高受限制的跨线桥、城市桥、地下建筑，其工程整体经济效益较好。

预弯梁特点及施工难点

该工程中的三座大桥的预弯梁跨度均为40m，每跨半幅为9片中梁＋2片边梁。裸钢梁全长38.76m，材质为Q345C钢，单片钢梁重21t。钢梁腹板厚20mm，高1110mm，上翼缘和下翼缘为变厚形式，浇筑混凝土后形成的组合梁全长38.82m，起吊重50t，单孔安装后桥全宽16m。

施工地处上海城区，可供制梁场地有限，加工工期紧，若采用单榀预压技术，不仅要求场地面积大，而且需对地基进行加固、打入锚桩处理，现场不具备条件。

采用双榀预压施工，技术含量高，40m跨的预弯梁在国内尚无借鉴经验，但双榀预压施工周期比采用单榀预压工艺缩短近一半。

预弯梁工作原理

预弯梁施工的基本原理是事先用高强钢材制作成抛物线形的预弯钢梁，在钢梁两端简支的状态下，在距梁端1/4～1/3跨度的位置上作用一对大小相等的集中载荷，通过分级加载给钢梁施加弯矩。在保持钢梁下翼缘受拉的状态下，下翼缘板用高强度混凝土包裹，然后进入持荷期和混凝土强度增长期，待混凝土和弹性模量达到设计强度的95%以上后，分级卸载，通过钢梁的回弹使下翼缘混凝土产生预压应力。最后再浇筑腹板和上翼缘板混凝土，从而构成预弯预应力组合梁（见图1）。

a.正反向两榀梁置于支架上

b.双榀同时加载至设计挠度后浇筑一期混凝土

c.一期混凝土强度和弹模到设计值95%后卸载

d.上榀梁翻转

e.浇筑底板混凝土

施工方案

根据施工现场具备的条件和周边环境影响，预弯梁施工决定采用双榀同时预压工艺，以减少城区场地占用面积和加快施工进度。工艺流程为：场地建设加力设备安装正反成对钢梁进场第一片钢梁放入支架调正、支护第二片钢梁吊入支架并支立于第一片钢梁上调正、支护第二片钢梁分级（每50kN）预压加载下片梁限位上片梁继续加载至设计挠度持荷消除焊接残余应力分级（每50kN）卸载重新分级（每50kN）加载至设计挠度锁定预弯力浇筑一期混凝土（下翼缘板）一期混凝土养护至强度和弹性模量至设计值的95%以上释放预弯力，对一期混凝土施加预应力将上片梁翻转、倒置浇筑腹板混凝土安装预弯组合梁整跨浇筑上翼缘板混凝土。

在整个施工工艺流程中，加载是所有工序中的主要控制点，因为钢梁的腹板极薄，仅有20mm，而梁长38.76m，设计文件对于预弯钢梁要求腹板中线偏差<1mm，侧弯值<3mm。要求加压时，加力点要严格控制在腹板中线上，防止腹板偏心受压而使整个钢梁横向弯曲失稳。横向支护也必须牢固，有足够的抵抗横向力的作用，这对施工设备和操作人员都需具备高精度，严要求。

施工控制

根据施工现场具备的条件和制约因素，预弯梁加载采用双榀预压技术。施工中通过设在两端的反力支架形成自平衡体系，这样，地基仅承受两榀钢梁重力即可（见图1，图3）。

由于钢梁跨度较大，而横向刚度又小，钢梁在预弯力作用下容易发生横向屈曲，因此，在梁端附近及跨间的适当位置安装一些限制钢梁横向变形的支撑装置（见图1，图4）。

为保证加载时上、下两榀梁同时受力，且不偏心，加载力的作用点必须与上下钢梁腹板中线均重合为一条铅垂线。否则，一旦加压，就将使钢梁偏心受压，发生横向弯曲失稳。

在加压过程中，由于下榀梁受重力影响，其挠度先到设计值，而上榀梁尚需克服自重影响，实际加压值要大于下榀梁，故在下榀梁到设计挠度后，在加力点需设置限位装置，使下榀梁在后续加压过程中，在加力点处产生支点反力，不再下挠，上榀梁则继续发生变化至设计挠度为止。

上下两榀梁均到达设计挠度后，持荷一段时间，分级卸载至初始状态以消除残余应力。而后再重新分级加压使上、下梁达到设计挠度，锁定预弯力。

在加载到位后，上下两榀梁浇筑一期混凝土（下翼缘板），因需待强度和弹模达设计值的95%后方可卸载。在此期间，预弯力不得损失，因此，加载后必须持荷。

加载和持荷期间，均定期检测钢梁挠度的变化，发生异常及时停止，查清原因后再实施。

施工过程

将已加工好的一榀正向钢梁以两端简支状态下置于端支架上，支点位置与梁跨支点重合，调正钢梁，使其腹板中线铅直，并通过横向可调支撑，控制钢梁的侧弯值<3mm。

在正向钢梁的加力点处放置2台200t的千斤顶，千斤顶作用点与腹板中线重合，将反向钢梁置于千斤顶上，千斤顶作为支点支撑。调正钢梁，使其腹板中线铅直，并通过横向可调支撑，控制上钢梁侧弯<3mm，腹板中线与下钢梁腹板中线重合。

放置端支架的上横梁，使端支架形成框架，检查各连接件牢固后即可开始加载。

加载时分级进行，每级50kN，同时检测上、下钢梁的挠度变化和侧弯值。

分级卸除预弯力，测量剩余拱度。

重新分级加载，加载过程以钢梁挠度值加以控制，并同时以测力计读出所加预弯力，下片钢梁达到设计值后，通过限位装置，使下片钢梁不发生挠度变化，上片钢梁继续加压，上下钢梁跨中最终挠度均控制在97mm，并持荷保持预弯力不变。

在浇筑一期混凝土后，待其强度和弹性模量达到设计值的95%以上时，分级卸载，混凝土在钢梁的弹性回缩下受压，从而形成预应力混凝土。

将上片组合梁吊出支架并翻转后，上、下梁均可浇筑腹板混凝土，形成预弯预应力组合梁。在整跨梁安装后，再浇筑桥面混凝土，使组合梁形成整跨一体。

工艺分析

因大跨度预弯梁双片同时预压技术目前在国内尚属首次，有效地控制和准确地分析预弯梁加压值和变形值对混凝土产生的预应力具有十分重要的作用，因为预弯梁的混凝土预应力主要来源于钢梁的变形，而钢梁的变形除材料本身外取决于预弯力值的大小。故此，在施工中必须对预弯力和变形值进行监控，以确保工程质量。

上下两榀梁在加载时，因重力影响，在集中力作用下，虽然可保持两端和跨中的应力一致，但其它断面不会相等,取1/8L，1/4L，1/2L处可得：

Mqx=1/2qlx-1/2qx2

MPx=Px x∈[0,a]

MPx=Pax∈[a,l-a]

上榀梁：

∑M= MPx- Mqx

下榀梁：

∑M= MPx +Mqx

q=210/38.76=5.42kN/m

在不同断面处M值为：

L＝38.76m 1/8L 1/4L 1/2L

上榀梁 1/8P1l-7/128ql2 1/4P1L-3/32ql2 3/10P1l-1/8ql2

下榀梁 1/8P2l +7/128ql2 1/4P2L+ 3/32ql2 3/10P2l +1/8ql2

ΔM 1/8(P1-P2)l -7/64ql2 1/4(P1-P2)l-3/16ql2 3/10(P1-P2)l- 1/4ql2

当ΔM＝0(施工中通过下榀梁限位装置实现)时，上下榀梁应力一致，此时加力值在1/8L处ΔP＝184kN，1/4L处ΔP＝158kN，1/2L处ΔP＝175kN,

为便于施工时控制梁的线形和跨中应力，加压时上下榀梁保持跨中处挠度相等，此时上下梁体对应点位应力差值最大为5MPa，满足了设计要求。

结束语

综上所述，对预弯梁加、卸预弯力的过程，是用千斤顶作用在钢梁上的一对预弯力与加力框架的内力保持平衡。这种施工方法不需要带有地锚的基础，对施工场地没有特殊的要求，而且一次能制作两榀梁，施工方便、效率高，基础投资少，加载设备也比较简单。随着城市建设规模的扩大，尤其在多层立交和净空要求高的地区，采用预弯梁具有很大的优越性，能收到较高的经济效益和很好的社会效益。