公路橋梁是交通建設(shè)中不可缺少的一項設(shè)施，關(guān)于公路橋梁的設(shè)計也是每個工程師都會研究的一個問題。很多著名的大橋也都是由一些優(yōu)秀的設(shè)計師來進(jìn)行設(shè)計的。本文是一篇橋梁工程師論文范文，主要論述了公路橋梁后張扁錨部分預(yù)應(yīng)力空心板的設(shè)計及經(jīng)濟性分析。

 　　摘 要：介紹了后張扁描部分預(yù)應(yīng)力砼空心板梁的設(shè)計構(gòu)思、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、預(yù)應(yīng)力體系選擇、預(yù)應(yīng)力度、撓度控制、內(nèi)力計算方法等。經(jīng)過足尺空心板梁靜載試驗證明，設(shè)計可靠，并具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟效益。

　　關(guān)鍵詞：部分預(yù)應(yīng)力,砼空心板梁,后張法扁描體系,經(jīng)濟性分析

　　Highway Bridges after Zhang Bian anchor part design and economical analysis of prestressed concrete hollow slab

　　Yan Chang-li

　　(Xinxiang City Highway Project Management Consulting Company Founder， Xinxiang 453000)

　　Abstract： The post-tensioned flat depiction partially prestressed concrete hollow girder design concept， design criteria， prestressed system selection， prestressed， deflection control， force calculation methods. After a full-scale hollow Static Load Testing proved that the design and reliable， and has significant technical and economic benefits.

　　Keywords： Partially Prestressed; concrete hollow beam; post-tensioned flat depiction system; Economic Analysis

　　1.前言

　　后張扁錨部分預(yù)應(yīng)力空心板梁，由于采用了預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力混合配筋以及扁形群錨體系，使結(jié)構(gòu)兼有預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼筋混凝土兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，且施工方便靈活，克服了先張全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)反拱大，結(jié)構(gòu)長期處于高壓狀態(tài)，以及生產(chǎn)時需要剛度強度巨大的張拉臺座和大噸位的千斤頂?shù)炔蛔阒�處，充分發(fā)揮了結(jié)構(gòu)和扁錨效益。

　　近十幾年來新鄉(xiāng)市公路管理局在干線公路橋梁上開展了部分預(yù)應(yīng)力空心板梁結(jié)構(gòu)和作了足尺寸結(jié)構(gòu)試驗，并取得成功，該成果經(jīng)技術(shù)鑒定成果水平達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，填補了國內(nèi)空白，獲得交通部科技進(jìn)步獎，被推薦為“新技術(shù)推廣項目”，結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年來的實踐和不斷完善，更顯示出顯著的技術(shù)和經(jīng)濟效益。

　　本文結(jié)合在干線公路上使用跨徑為2孔16m(為分析方便選用16m跨徑)的后張部分預(yù)應(yīng)力空心板橋的工程實例，對其設(shè)計進(jìn)行簡要介紹，并對有關(guān)問題進(jìn)行初步分析，以供橋梁技術(shù)人員參考。

　　1.有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

　　1.1主要尺寸

　　標(biāo)準(zhǔn)跨徑16m，計算跨徑15.5m，板梁全長15.96m，梁高0.75m，橋面凈空為15.5m+2×0.25m安全帶。

　　1.2載重標(biāo)準(zhǔn)及材料

　　設(shè)計荷載采用公路-Ⅰ級荷載，空心板砼為C40，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用φj15，Rgb=1860MPa，非預(yù)應(yīng)力鋼筋和其他構(gòu)造鋼筋為I和II級鋼筋。

　　1.3設(shè)計依據(jù)

　　遵循《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62―2004，《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60―2004)，并參考《部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計建議》(中國土木工程學(xué)會)，以及由預(yù)應(yīng)力設(shè)備廠提供的扁錨體系有關(guān)資料(以下簡稱《規(guī)范》與《建議》)。

　　2.設(shè)計過程及參數(shù)選擇

　　2.1空心板斷面尺寸擬定

　　板梁斷面仍采用預(yù)應(yīng)力空心板標(biāo)準(zhǔn)圖中相應(yīng)跨徑的橫斷面外形尺寸，并將標(biāo)準(zhǔn)圖雙孔橫斷面改為單孔橫斷面，增大了空心板的挖空率，簡化了施工，減少了砼體積和腹板內(nèi)構(gòu)造鋼筋。

　　2.2預(yù)應(yīng)力度與用鋼量

　　我國《規(guī)范》按正常使用極限狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)，采用彎矩比定義預(yù)應(yīng)力度：入=M0/M

　　式中：M0―消壓彎矩，即使構(gòu)件控制截面邊緣(使用荷載作用時)抵消到零時的彎矩;

　　M―使用荷載控制截面彎矩。

　　預(yù)應(yīng)力度與用鋼量間的關(guān)系受結(jié)構(gòu)截面型式、梁高等因素的影響，對于經(jīng)濟用鋼量不同的研究結(jié)論也不一樣。

　　本橋經(jīng)計算和分析，按我國目前的鋼材價格鋼絞線為普通鋼筋的2倍，因此本設(shè)計采用預(yù)應(yīng)力度入=0.91，預(yù)應(yīng)力鋼筋約等于2倍的非預(yù)應(yīng)力鋼筋用量。

　　2.3抗裂安全度

　　按《規(guī)范》結(jié)構(gòu)的抗裂安全系數(shù)為KF=MF/M，式中：MF―開裂彎矩，等于消壓彎矩與砼抗裂彎矩之和，即MF=M0+γRLW(M0―消壓彎矩，γ―塑性系數(shù)，RL―砼的抗拉強度，W―截面抵抗矩)。經(jīng)計算KF=2.17砼未開裂，結(jié)構(gòu)屬于部分預(yù)應(yīng)力“A”類構(gòu)件。

　　2.4預(yù)應(yīng)力錨固張拉體系的選擇

　　本橋設(shè)計選擇夾片式扁型群錨體系，預(yù)應(yīng)力孔道采用扁型金屬波紋管，這樣可以在不增加板厚的情況下，有效的增加內(nèi)力臂。張拉設(shè)備采用了開封中原預(yù)應(yīng)力設(shè)備廠研制的QYC―230型輕型千斤頂，最大張拉力230KN，重量16kg，使用輕便靈活。扁錨技術(shù)參數(shù)見表1。

　　2.5撓度選擇

　　構(gòu)件采用部分預(yù)應(yīng)力后，在長期荷載作用下?lián)隙戎悼刂茷?0.4cm(上撓度)，以減少因砼徐變而產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失。

　　3 設(shè)計計算

　　3.1內(nèi)力及強度計算

　　活載作用下的橫向分布系數(shù)按常規(guī)方法，跨中按鉸接板法，支點按杠桿法。恒載內(nèi)力分別按預(yù)加應(yīng)力階段(僅空心板重)與使用階段(空心板重+鋪裝重+安全帶欄桿重)計算，由于預(yù)應(yīng)力筋為直線配筋，故僅選擇跨中與支點兩個截面進(jìn)行驗算。按正常使用與承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行內(nèi)力組合。 　　撓度計算上由于空心板為“A”類構(gòu)件，構(gòu)件剛度修正后，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)公式進(jìn)行應(yīng)力和撓度計算。按允許“名義”拉應(yīng)力來計算預(yù)應(yīng)力鋼筋，按強度要求配置非預(yù)應(yīng)力鋼筋(具體計算從略)。

　　3.2構(gòu)造布置

　　本設(shè)計預(yù)應(yīng)力鋼筋為10束φj15鋼絞線，普通鋼筋為8Φ16，其他構(gòu)造鋼筋同原標(biāo)準(zhǔn)圖設(shè)計。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計為節(jié)省預(yù)應(yīng)力錨具和波紋管，預(yù)應(yīng)力筋經(jīng)抗拔力試驗后，預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固端采用一端錨固，一端扎花工藝，即用扎花機在鋼絞線端頭壓成“燈籠”形狀，錨固在1.2m長范圍內(nèi)與混凝土澆筑一體。

　　3.3局部承壓

　　空心板底板厚僅13cm，因而在Ny作用下需進(jìn)行承壓驗算。驗算時由于這種扁型錨墊板的喇叭管與墊板組成整體，因而承壓面積Ac不能按《規(guī)范》計算，而應(yīng)作為剛性墊板考慮，而Ac應(yīng)按扁錨墊板的外輪廓尺寸計算，即采用全部墊板面積作為承壓面積考慮。

　　根據(jù)《規(guī)范》要求Ac/Ad≥4(Ad一計算底面積)，對于本設(shè)計Ac/Ad=2.3<4，故在錨下布置間接鋼筋來提高混凝土承壓強度，經(jīng)過足尺寸構(gòu)件的承壓試驗后證明，現(xiàn)有的錨端設(shè)計滿足設(shè)計要求。

　　3.4工藝流程

　　(1)檢查構(gòu)件(或塊體)：尤其要認(rèn)真檢查預(yù)應(yīng)力筋的孔道。其孔道必須保證尺寸與位置正確，平順暢通，無局部彎曲;

　　(2)穿預(yù)應(yīng)力筋。穿筋前，應(yīng)檢查鋼筋(或束)的規(guī)格、總長是否符合要求。

　　(3)預(yù)應(yīng)力筋的張拉順序應(yīng)符合設(shè)計要求，當(dāng)設(shè)計無具體要求時，可采取分批、分階段對稱張拉。

　　(4)單根預(yù)應(yīng)力粗鋼筋(采用拉伸機張拉螺絲端桿錨固)張拉時，應(yīng)先少許加力，將墊板位置按設(shè)計規(guī)定找準(zhǔn)，然后按規(guī)定張拉程序張拉，測出鋼筋實際伸長值，并作好張拉記錄。

　　(5)張拉及頂壓：預(yù)拉調(diào)整以后方可按規(guī)定張拉程序張拉。張拉完畢，測出鋼絲伸長值，苦與規(guī)定符合，就可進(jìn)行頂壓錨塞。頂壓錨塞時必須關(guān)閉大缸油路，給小缸進(jìn)油，使小缸活塞猛頂錨塞。

　　6)灌漿壓力一般為0.4～0.6MPa。灌漿順序應(yīng)先下后上，避免上層孔道漏漿把下層孔道堵住，待排氣孔冒出濃漿后，即堵死排氣孔，再壓漿至0.6MPa，保持l～2min后，即可堵塞灌漿孔。

　　4.有關(guān)問題的探討

　　4.1關(guān)于后張法預(yù)應(yīng)力空心板梁的經(jīng)濟性

　　為了探討后張預(yù)應(yīng)力空心板梁在材料用量方面的分析比較，現(xiàn)將跨徑相同(L =16m)的先張法空心板和后張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁的材料用量列出見表2

　　由表2可見，單片的后張法預(yù)應(yīng)力空心板比先張法空心板預(yù)應(yīng)力鋼筋減少54.5%，非預(yù)應(yīng)力筋增加11%，砼減少5.5%，總用鋼量減少1.5%。

　　但需說明的是以上比較還要考慮各種材料的價格差異，張拉臺座造價，以及大件運輸張拉機具等費用因素。本文分析按4座輕型框架式張拉臺座的材料數(shù)量，因而得出一般分析結(jié)果，即當(dāng)預(yù)制空心板梁數(shù)量少于156塊時采用后張法是較經(jīng)濟的。

　　4.2關(guān)于錨具的選擇及質(zhì)量要求

　　4.2.1對于后張法空心板梁，由于其為薄壁型結(jié)構(gòu)，選用合適的錨具也是一個十分重要的問題，選用扁錨體系，要求底板最小厚度13cm，波紋管最小彎曲半徑2m，當(dāng)板厚大于18cm時，可選用鐓頭錨具，預(yù)應(yīng)力孔道采用抽拔成孔，預(yù)應(yīng)力鋼筋用高強鋼絲束時較為經(jīng)濟。

　　4.2.2預(yù)應(yīng)力混凝土工程的質(zhì)量要求

　　(1)對工程質(zhì)量的檢驗，除一般混凝土、鋼筋混凝土工程的應(yīng)有檢驗項目外，尚應(yīng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼材編束、孔道預(yù)留、施加預(yù)應(yīng)力、孔道壓漿等項目的施工檢驗以及預(yù)應(yīng)力筋、張拉機具、錨夾具的質(zhì)量檢查、檢驗。

　　(2)預(yù)應(yīng)力束的力筋應(yīng)梳理順直，不得扭絞，表明不應(yīng)有損傷。

　　(3)單根力筋不允許有斷筋、斷絲、或滑移。

　　(4)同一截面預(yù)應(yīng)力筋接頭面積不超過預(yù)應(yīng)力積總面積到25%，接頭的質(zhì)量應(yīng)符合規(guī)范要求。

　　(5)預(yù)應(yīng)力筋張拉時，混凝土強度和齡期必須符合設(shè)計要求，并應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計規(guī)定的順序進(jìn)行操作。

　　(6)采用扁錨不得有斜歪、破裂。

　　(7)制孔管道應(yīng)安裝牢固，接頭密合，彎曲園順。錨墊板平面應(yīng)與孔道軸線垂直。

　　(8)壓漿工作在5℃以下進(jìn)行時，應(yīng)采取防凍保溫措施。

　　(9)壓漿的水泥漿性能和強度應(yīng)符合施工技術(shù)規(guī)范要求，壓漿時排氣、排水孔應(yīng)有原漿溢出后方可關(guān)閉。

　　(10)應(yīng)按設(shè)計和規(guī)范要求澆筑封錨混凝土。

　　5.結(jié)語

　　5.1與同跨徑的全預(yù)應(yīng)力砼空心板梁相比，后張法空心板梁造價雖然略高，但當(dāng)所需的空心板的數(shù)量不多時、預(yù)制生產(chǎn)和大件運輸受條件限制時仍體現(xiàn)出其性能優(yōu)良、施工簡便靈活的優(yōu)點，綜合經(jīng)濟效益顯著。

　　5.2采用BM錨固體系及部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在空心板高度不增加的情況下有效的增加了內(nèi)力臂，增加結(jié)構(gòu)的抵抗彎矩，相對的節(jié)省了鋼筋和砼。

　　5.3由于應(yīng)用部分預(yù)應(yīng)力理論，采用混合配筋，使結(jié)構(gòu)在延性、彈性等性能上都具有優(yōu)良的品質(zhì)，對結(jié)構(gòu)的裂縫控制也可以根據(jù)工程條件來掌握。該種結(jié)構(gòu)很有推廣實用價值。

　　參考文獻(xiàn)

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　　橋梁工程師論文發(fā)表期刊推薦《世界橋梁》雜志創(chuàng)辦于1973年，原名為《國外橋梁》，于2002年更名。現(xiàn)由中國鐵路工程總公司主管，中鐵大橋局集團(tuán)有限公司主辦，中鐵大橋局集團(tuán)武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司出版。主要刊載世界橋梁工程領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)，包括設(shè)計理論、施工技術(shù)及管理、建筑材料、試驗研究及理論計算等方面的實踐經(jīng)驗和理論探討，并重點突出報道世界各國橋梁工程領(lǐng)域的新理論、新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料、新方法及最新科研成果。