公路桥梁后张扁锚部分预应力空心板的设计及经济性分析
2014-07-21 07:07殷长利
中国建筑科学 2014年3期
殷长利
摘 要：介绍了后张扁描部分预应力砼空心板梁的设计构思、设计标准、预应力体系选择、预应力度、挠度控制、内力计算方法等。经过足尺空心板梁静载试验证明，设计可靠，并具有显著的技术和经济效益。
关键词：部分预应力；砼空心板梁；后张法扁描体系；经济性分析
1.前言
后张扁锚部分预应力空心板梁，由于采用了预应力和非预应力混合配筋以及扁形群锚体系，使结构兼有预应力混凝土和钢筋混凝土两种结构的优越性，且施工方便灵活，克服了先张全预应力结构反拱大，结构长期处于高压状态，以及生产时需要刚度强度巨大的张拉台座和大吨位的千斤顶等不足之处，充分发挥了结构和扁锚效益。
近十几年来新乡市公路管理局在干线公路桥梁上开展了部分预应力空心板梁结构和作了足尺寸结构试验，并取得成功，该成果经技术鉴定成果水平达到国内领先水平，填补了国内空白，获得交通部科技进步奖，被推荐为“新技术推广项目”，结构经过多年来的实践和不断完善，更显示出显著的技术和经济效益。
本文结合在干线公路上使用跨径为2孔16m（为分析方便选用16m跨径）的后张部分预应力空心板桥的工程实例，对其设计进行简要介绍，并对有关问题进行初步分析，以供桥梁技术人员参考。
1.有关的技术标准
1.1主要尺寸
标准跨径16m，计算跨径15.5m，板梁全长15.96m，梁高0.75m，桥面净空为15.5m+2×0.25m安全带。
1.2载重标准及材料
设计荷载采用公路-Ⅰ级荷载，空心板砼为C40，预应力钢绞线采用φj15，Rgb=1860MPa，非预应力钢筋和其他构造钢筋为I和II级钢筋。
1.3设计依据
遵循《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004，《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004），并参考《部分预应力混凝土结构设计建议》（中国土木工程学会），以及由预应力设备厂提供的扁锚体系有关资料（以下简称《规范》与《建议》）。
2.设计过程及参数选择
2.1空心板断面尺寸拟定
板梁断面仍采用预应力空心板标准图中相应跨径的横断面外形尺寸，并将标准图双孔横断面改为单孔横断面，增大了空心板的挖空率，简化了施工，减少了砼体积和腹板内构造钢筋。
2.2预应力度与用钢量
我国《规范》按正常使用极限状态为标准，采用弯矩比定义预应力度：入=M0/M
式中：M0—消压弯矩，即使构件控制截面边缘（使用荷载作用时）抵消到零时的弯矩；
M—使用荷载控制截面弯矩。
预应力度与用钢量间的关系受结构截面型式、梁高等因素的影响，对于经济用钢量不同的研究结论也不一样。
本桥经计算和分析，按我国目前的钢材价格钢绞线为普通钢筋的2倍，因此本设计采用预应力度入=0.91，预应力钢筋约等于2倍的非预应力钢筋用量。
2.3抗裂安全度
按《规范》结构的抗裂安全系数为KF=MF/M，式中：MF—开裂弯矩，等于消压弯矩与砼抗裂弯矩之和，即MF=M0+γRLW（M0—消压弯矩，γ—塑性系数，RL—砼的抗拉强度，W—截面抵抗矩）。经计算KF=2.17砼未开裂，结构属于部分预应力“A”类构件。
2.4预应力锚固张拉体系的选择
本桥设计选择夹片式扁型群锚体系，预应力孔道采用扁型金属波纹管，这样可以在不增加板厚的情况下，有效的增加内力臂。张拉设备采用了开封中原预应力设备厂研制的QYC—230型轻型千斤顶，最大张拉力230KN，重量16kg，使用轻便灵活。扁锚技术参数见表1。
2.5挠度选择
构件采用部分预应力后，在长期荷载作用下挠度值控制为-0.4cm（上挠度），以减少因砼徐变而产生的预应力损失。
3 设计计算
3.1内力及强度计算
活载作用下的横向分布系数按常规方法，跨中按铰接板法，支点按杠杆法。恒载内力分别按预加应力阶段（仅空心板重）与使用阶段（空心板重+铺装重+安全带栏杆重）计算，由于预应力筋为直线配筋，故仅选择跨中与支点两个截面进行验算。按正常使用与承载能力极限状态进行内力组合。
挠度计算上由于空心板为“A”类构件，构件刚度修正后，采用结构力学公式进行应力和挠度计算。按允许“名义”拉应力来计算预应力钢筋，按强度要求配置非预应力钢筋（具体计算从略）。
3.2构造布置
本设计预应力钢筋为10束φj15钢绞线，普通钢筋为8Φ16，其他构造钢筋同原标准图设计。经优化设计为节省预应力锚具和波纹管，预应力筋经抗拔力试验后，预应力钢筋锚固端采用一端锚固，一端扎花工艺，即用扎花机在钢绞线端头压成“灯笼”形状，锚固在1.2m长范围内与混凝土浇筑一体。
3.3局部承压
空心板底板厚仅13cm，因而在Ny作用下需进行承压验算。验算时由于这种扁型锚垫板的喇叭管与垫板组成整体，因而承压面积Ac不能按《规范》计算，而应作为刚性垫板考虑，而Ac应按扁锚垫板的外轮廓尺寸计算，即采用全部垫板面积作为承压面积考虑。
根据《规范》要求Ac/Ad≥4（Ad一计算底面积），对于本设计Ac/Ad=2.3<4，故在锚下布置间接钢筋来提高混凝土承压强度，经过足尺寸构件的承压试验后证明，现有的锚端设计满足设计要求。
3.4工艺流程
（1）检查构件（或块体）：尤其要认真检查预应力筋的孔道。其孔道必须保证尺寸与位置正确，平顺畅通，无局部弯曲；
（2）穿预应力筋。穿筋前，应检查钢筋（或束）的规格、总长是否符合要求。
（3）预应力筋的张拉顺序应符合设计要求，当设计无具体要求时，可采取分批、分阶段对称张拉。
（4）单根预应力粗钢筋（采用拉伸机张拉螺丝端杆锚固）张拉时，应先少许加力，将垫板位置按设计规定找准，然后按规定张拉程序张拉，测出钢筋实际伸长值，并作好张拉记录。
（5）张拉及顶压：预拉调整以后方可按规定张拉程序张拉。张拉完毕，测出钢丝伸长值，苦与规定符合，就可进行顶压锚塞。顶压锚塞时必须关闭大缸油路，给小缸进油，使小缸活塞猛顶锚塞。
6）灌浆压力一般为0.4～0.6MPa。灌浆顺序应先下后上，避免上层孔道漏浆把下层孔道堵住，待排气孔冒出浓浆后，即堵死排气孔，再压浆至0.6MPa，保持l～2min后，即可堵塞灌浆孔。
4.有关问题的探讨
4.1关于后张法预应力空心板梁的经济性
为了探讨后张预应力空心板梁在材料用量方面的分析比较，现将跨径相同（L =16m）的先张法空心板和后张法预应力混凝土空心板梁的材料用量列出见表2
由表2可见，单片的后张法预应力空心板比先张法空心板预应力钢筋减少54.5%，非预应力筋增加11%，砼减少5.5%，总用钢量减少1.5%。
但需说明的是以上比较还要考虑各种材料的价格差异，张拉台座造价，以及大件运输张拉机具等费用因素。本文分析按
摘 要：介绍了后张扁描部分预应力砼空心板梁的设计构思、设计标准、预应力体系选择、预应力度、挠度控制、内力计算方法等。经过足尺空心板梁静载试验证明，设计可靠，并具有显著的技术和经济效益。
关键词：部分预应力；砼空心板梁；后张法扁描体系；经济性分析
1.前言
后张扁锚部分预应力空心板梁，由于采用了预应力和非预应力混合配筋以及扁形群锚体系，使结构兼有预应力混凝土和钢筋混凝土两种结构的优越性，且施工方便灵活，克服了先张全预应力结构反拱大，结构长期处于高压状态，以及生产时需要刚度强度巨大的张拉台座和大吨位的千斤顶等不足之处，充分发挥了结构和扁锚效益。
近十几年来新乡市公路管理局在干线公路桥梁上开展了部分预应力空心板梁结构和作了足尺寸结构试验，并取得成功，该成果经技术鉴定成果水平达到国内领先水平，填补了国内空白，获得交通部科技进步奖，被推荐为“新技术推广项目”，结构经过多年来的实践和不断完善，更显示出显著的技术和经济效益。
本文结合在干线公路上使用跨径为2孔16m（为分析方便选用16m跨径）的后张部分预应力空心板桥的工程实例，对其设计进行简要介绍，并对有关问题进行初步分析，以供桥梁技术人员参考。
1.有关的技术标准
1.1主要尺寸
标准跨径16m，计算跨径15.5m，板梁全长15.96m，梁高0.75m，桥面净空为15.5m+2×0.25m安全带。
1.2载重标准及材料
设计荷载采用公路-Ⅰ级荷载，空心板砼为C40，预应力钢绞线采用φj15，Rgb=1860MPa，非预应力钢筋和其他构造钢筋为I和II级钢筋。
1.3设计依据
遵循《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004，《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004），并参考《部分预应力混凝土结构设计建议》（中国土木工程学会），以及由预应力设备厂提供的扁锚体系有关资料（以下简称《规范》与《建议》）。
2.设计过程及参数选择
2.1空心板断面尺寸拟定
板梁断面仍采用预应力空心板标准图中相应跨径的横断面外形尺寸，并将标准图双孔横断面改为单孔横断面，增大了空心板的挖空率，简化了施工，减少了砼体积和腹板内构造钢筋。
2.2预应力度与用钢量
我国《规范》按正常使用极限状态为标准，采用弯矩比定义预应力度：入=M0/M
式中：M0—消压弯矩，即使构件控制截面边缘（使用荷载作用时）抵消到零时的弯矩；
M—使用荷载控制截面弯矩。
预应力度与用钢量间的关系受结构截面型式、梁高等因素的影响，对于经济用钢量不同的研究结论也不一样。
本桥经计算和分析，按我国目前的钢材价格钢绞线为普通钢筋的2倍，因此本设计采用预应力度入=0.91，预应力钢筋约等于2倍的非预应力钢筋用量。
2.3抗裂安全度
按《规范》结构的抗裂安全系数为KF=MF/M，式中：MF—开裂弯矩，等于消压弯矩与砼抗裂弯矩之和，即MF=M0+γRLW（M0—消压弯矩，γ—塑性系数，RL—砼的抗拉强度，W—截面抵抗矩）。经计算KF=2.17砼未开裂，结构属于部分预应力“A”类构件。
2.4预应力锚固张拉体系的选择
本桥设计选择夹片式扁型群锚体系，预应力孔道采用扁型金属波纹管，这样可以在不增加板厚的情况下，有效的增加内力臂。张拉设备采用了开封中原预应力设备厂研制的QYC—230型轻型千斤顶，最大张拉力230KN，重量16kg，使用轻便灵活。扁锚技术参数见表1。
2.5挠度选择
构件采用部分预应力后，在长期荷载作用下挠度值控制为-0.4cm（上挠度），以减少因砼徐变而产生的预应力损失。
3 设计计算
3.1内力及强度计算
活载作用下的横向分布系数按常规方法，跨中按铰接板法，支点按杠杆法。恒载内力分别按预加应力阶段（仅空心板重）与使用阶段（空心板重+铺装重+安全带栏杆重）计算，由于预应力筋为直线配筋，故仅选择跨中与支点两个截面进行验算。按正常使用与承载能力极限状态进行内力组合。
挠度计算上由于空心板为“A”类构件，构件刚度修正后，采用结构力学公式进行应力和挠度计算。按允许“名义”拉应力来计算预应力钢筋，按强度要求配置非预应力钢筋（具体计算从略）。
3.2构造布置
本设计预应力钢筋为10束φj15钢绞线，普通钢筋为8Φ16，其他构造钢筋同原标准图设计。经优化设计为节省预应力锚具和波纹管，预应力筋经抗拔力试验后，预应力钢筋锚固端采用一端锚固，一端扎花工艺，即用扎花机在钢绞线端头压成“灯笼”形状，锚固在1.2m长范围内与混凝土浇筑一体。
3.3局部承压
空心板底板厚仅13cm，因而在Ny作用下需进行承压验算。验算时由于这种扁型锚垫板的喇叭管与垫板组成整体，因而承压面积Ac不能按《规范》计算，而应作为刚性垫板考虑，而Ac应按扁锚垫板的外轮廓尺寸计算，即采用全部垫板面积作为承压面积考虑。
根据《规范》要求Ac/Ad≥4（Ad一计算底面积），对于本设计Ac/Ad=2.3<4，故在锚下布置间接钢筋来提高混凝土承压强度，经过足尺寸构件的承压试验后证明，现有的锚端设计满足设计要求。
3.4工艺流程
（1）检查构件（或块体）：尤其要认真检查预应力筋的孔道。其孔道必须保证尺寸与位置正确，平顺畅通，无局部弯曲；
（2）穿预应力筋。穿筋前，应检查钢筋（或束）的规格、总长是否符合要求。
（3）预应力筋的张拉顺序应符合设计要求，当设计无具体要求时，可采取分批、分阶段对称张拉。
（4）单根预应力粗钢筋（采用拉伸机张拉螺丝端杆锚固）张拉时，应先少许加力，将垫板位置按设计规定找准，然后按规定张拉程序张拉，测出钢筋实际伸长值，并作好张拉记录。
（5）张拉及顶压：预拉调整以后方可按规定张拉程序张拉。张拉完毕，测出钢丝伸长值，苦与规定符合，就可进行顶压锚塞。顶压锚塞时必须关闭大缸油路，给小缸进油，使小缸活塞猛顶锚塞。
6）灌浆压力一般为0.4～0.6MPa。灌浆顺序应先下后上，避免上层孔道漏浆把下层孔道堵住，待排气孔冒出浓浆后，即堵死排气孔，再压浆至0.6MPa，保持l～2min后，即可堵塞灌浆孔。
4.有关问题的探讨
4.1关于后张法预应力空心板梁的经济性
为了探讨后张预应力空心板梁在材料用量方面的分析比较，现将跨径相同（L =16m）的先张法空心板和后张法预应力混凝土空心板梁的材料用量列出见表2
由表2可见，单片的后张法预应力空心板比先张法空心板预应力钢筋减少54.5%，非预应力筋增加11%，砼减少5.5%，总用钢量减少1.5%。
但需说明的是以上比较还要考虑各种材料的价格差异，张拉台座造价，以及大件运输张拉机具等费用因素。本文分析按
摘 要：介绍了后张扁描部分预应力砼空心板梁的设计构思、设计标准、预应力体系选择、预应力度、挠度控制、内力计算方法等。经过足尺空心板梁静载试验证明，设计可靠，并具有显著的技术和经济效益。
关键词：部分预应力；砼空心板梁；后张法扁描体系；经济性分析
1.前言
后张扁锚部分预应力空心板梁，由于采用了预应力和非预应力混合配筋以及扁形群锚体系，使结构兼有预应力混凝土和钢筋混凝土两种结构的优越性，且施工方便灵活，克服了先张全预应力结构反拱大，结构长期处于高压状态，以及生产时需要刚度强度巨大的张拉台座和大吨位的千斤顶等不足之处，充分发挥了结构和扁锚效益。
近十几年来新乡市公路管理局在干线公路桥梁上开展了部分预应力空心板梁结构和作了足尺寸结构试验，并取得成功，该成果经技术鉴定成果水平达到国内领先水平，填补了国内空白，获得交通部科技进步奖，被推荐为“新技术推广项目”，结构经过多年来的实践和不断完善，更显示出显著的技术和经济效益。
本文结合在干线公路上使用跨径为2孔16m（为分析方便选用16m跨径）的后张部分预应力空心板桥的工程实例，对其设计进行简要介绍，并对有关问题进行初步分析，以供桥梁技术人员参考。
1.有关的技术标准
1.1主要尺寸
标准跨径16m，计算跨径15.5m，板梁全长15.96m，梁高0.75m，桥面净空为15.5m+2×0.25m安全带。
1.2载重标准及材料
设计荷载采用公路-Ⅰ级荷载，空心板砼为C40，预应力钢绞线采用φj15，Rgb=1860MPa，非预应力钢筋和其他构造钢筋为I和II级钢筋。
1.3设计依据
遵循《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004，《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004），并参考《部分预应力混凝土结构设计建议》（中国土木工程学会），以及由预应力设备厂提供的扁锚体系有关资料（以下简称《规范》与《建议》）。
2.设计过程及参数选择
2.1空心板断面尺寸拟定
板梁断面仍采用预应力空心板标准图中相应跨径的横断面外形尺寸，并将标准图双孔横断面改为单孔横断面，增大了空心板的挖空率，简化了施工，减少了砼体积和腹板内构造钢筋。
2.2预应力度与用钢量
我国《规范》按正常使用极限状态为标准，采用弯矩比定义预应力度：入=M0/M
式中：M0—消压弯矩，即使构件控制截面边缘（使用荷载作用时）抵消到零时的弯矩；
M—使用荷载控制截面弯矩。
预应力度与用钢量间的关系受结构截面型式、梁高等因素的影响，对于经济用钢量不同的研究结论也不一样。
本桥经计算和分析，按我国目前的钢材价格钢绞线为普通钢筋的2倍，因此本设计采用预应力度入=0.91，预应力钢筋约等于2倍的非预应力钢筋用量。
2.3抗裂安全度
按《规范》结构的抗裂安全系数为KF=MF/M，式中：MF—开裂弯矩，等于消压弯矩与砼抗裂弯矩之和，即MF=M0+γRLW（M0—消压弯矩，γ—塑性系数，RL—砼的抗拉强度，W—截面抵抗矩）。经计算KF=2.17砼未开裂，结构属于部分预应力“A”类构件。
2.4预应力锚固张拉体系的选择
本桥设计选择夹片式扁型群锚体系，预应力孔道采用扁型金属波纹管，这样可以在不增加板厚的情况下，有效的增加内力臂。张拉设备采用了开封中原预应力设备厂研制的QYC—230型轻型千斤顶，最大张拉力230KN，重量16kg，使用轻便灵活。扁锚技术参数见表1。
2.5挠度选择
构件采用部分预应力后，在长期荷载作用下挠度值控制为-0.4cm（上挠度），以减少因砼徐变而产生的预应力损失。
3 设计计算
3.1内力及强度计算
活载作用下的横向分布系数按常规方法，跨中按铰接板法，支点按杠杆法。恒载内力分别按预加应力阶段（仅空心板重）与使用阶段（空心板重+铺装重+安全带栏杆重）计算，由于预应力筋为直线配筋，故仅选择跨中与支点两个截面进行验算。按正常使用与承载能力极限状态进行内力组合。
挠度计算上由于空心板为“A”类构件，构件刚度修正后，采用结构力学公式进行应力和挠度计算。按允许“名义”拉应力来计算预应力钢筋，按强度要求配置非预应力钢筋（具体计算从略）。
3.2构造布置
本设计预应力钢筋为10束φj15钢绞线，普通钢筋为8Φ16，其他构造钢筋同原标准图设计。经优化设计为节省预应力锚具和波纹管，预应力筋经抗拔力试验后，预应力钢筋锚固端采用一端锚固，一端扎花工艺，即用扎花机在钢绞线端头压成“灯笼”形状，锚固在1.2m长范围内与混凝土浇筑一体。
3.3局部承压
空心板底板厚仅13cm，因而在Ny作用下需进行承压验算。验算时由于这种扁型锚垫板的喇叭管与垫板组成整体，因而承压面积Ac不能按《规范》计算，而应作为刚性垫板考虑，而Ac应按扁锚垫板的外轮廓尺寸计算，即采用全部垫板面积作为承压面积考虑。
根据《规范》要求Ac/Ad≥4（Ad一计算底面积），对于本设计Ac/Ad=2.3<4，故在锚下布置间接钢筋来提高混凝土承压强度，经过足尺寸构件的承压试验后证明，现有的锚端设计满足设计要求。
3.4工艺流程
（1）检查构件（或块体）：尤其要认真检查预应力筋的孔道。其孔道必须保证尺寸与位置正确，平顺畅通，无局部弯曲；
（2）穿预应力筋。穿筋前，应检查钢筋（或束）的规格、总长是否符合要求。
（3）预应力筋的张拉顺序应符合设计要求，当设计无具体要求时，可采取分批、分阶段对称张拉。
（4）单根预应力粗钢筋（采用拉伸机张拉螺丝端杆锚固）张拉时，应先少许加力，将垫板位置按设计规定找准，然后按规定张拉程序张拉，测出钢筋实际伸长值，并作好张拉记录。
（5）张拉及顶压：预拉调整以后方可按规定张拉程序张拉。张拉完毕，测出钢丝伸长值，苦与规定符合，就可进行顶压锚塞。顶压锚塞时必须关闭大缸油路，给小缸进油，使小缸活塞猛顶锚塞。
6）灌浆压力一般为0.4～0.6MPa。灌浆顺序应先下后上，避免上层孔道漏浆把下层孔道堵住，待排气孔冒出浓浆后，即堵死排气孔，再压浆至0.6MPa，保持l～2min后，即可堵塞灌浆孔。
4.有关问题的探讨
4.1关于后张法预应力空心板梁的经济性
为了探讨后张预应力空心板梁在材料用量方面的分析比较，现将跨径相同（L =16m）的先张法空心板和后张法预应力混凝土空心板梁的材料用量列出见表2
由表2可见，单片的后张法预应力空心板比先张法空心板预应力钢筋减少54.5%，非预应力筋增加11%，砼减少5.5%，总用钢量减少1.5%。
但需说明的是以上比较还要考虑各种材料的价格差异，张拉台座造价，以及大件运输张拉机具等费用因素。本文分析按
