浅谈先张法预应力梁板结构桥梁设计

2011-08-15郝彦龙

黑龙江交通科技 2011年1期

郝彦龙

(唐山市交通勘察设计院有限公司)

1 前言

梁板结构中，板是一种平面构件，主要承受各种作用产生的弯矩和剪力;梁在梁板结构中，一般为直线形(也有曲线形)构件，主要承受各种作用产生的弯矩和剪力，有时也承受扭矩。小跨径梁板结构桥梁采用预应力设计，即是在工程结构构件承受外荷载之前，对受拉模块中的钢筋，施加预拉应力，提高构件的刚度，推迟裂缝出现的时间，增加构件的耐久性。在结构承受外荷载之前，预先对在外荷载作用下的受拉区施加压应力，以改善结构使用的性能的结构型式称之为预应力结构。梁板结构桥梁中预应力设计包括先张法、后张法。先张法是为了提高钢筋混凝土构件的抗裂性能以及避免钢筋混凝土构件过早出现裂缝，而在混凝土构件预制过程中对其预先施加应力以提高构件性能的一种方法。

2 梁板结构设计简述

梁板结构桥梁多用于小跨径桥梁设计之中，其构造简单，施工方便，而且建筑高度较小。一般梁板结构桥梁分为整体式板桥，包括矩形板、矮肋式板;装配式板桥，包括实心板、空心板;装配-整体组合式，包括先装配板、再整体式板。

梁体结构桥梁的建筑高度小;简单、制作、施工方便可工厂生产;装配式构件重量小;但跨径受到限制，一般钢筋混凝土不超过15m，预应力混凝土连续板桥不超过35m;按静力计算模式：简支板桥，悬臂板桥，连续板桥;简支板桥：采用整体式或装配式，前者跨径4～8m，装配式预应力混凝土板桥跨径可达16m;悬臂板桥：一般做成双悬臂，中间跨径为8～10m，悬臂长度为中间的0.3倍，板的跨中厚度约为跨径的1/14～1/18，支点处为跨中的1.3～1.4倍。

若是连续板桥，即连续跨越形成超静定结构体系，缝少而平稳，弯距降低跨径增大，不需搭板，合理跨径配置(支点卸载)，边跨/中跨=0.7～0.8;若是整体式板桥，通常等截面或矮肋式板，受温度、混凝土收缩、徐变影响易产生纵向裂纹，桥中可设缝释放;若是空心矩形板，主要是为增大跨径，减轻自重，一般预应力混凝土空心板跨径8～16m，板厚40～70cm，可做到 22m，板厚 80～90cm，构造要求板厚(7 cm)，并抗剪复核。

3 先张法预应力梁板结构桥梁设计

3.1 先张法预应力设计简述

先张法是在浇筑混凝土前张拉预应力筋，并将张拉的预应力筋临时锚固在台座或钢模上，然后浇筑混凝土，待混凝土强度达到不低于混凝土设计强度值的75%，保证预应力筋与混凝土有足够的粘结时，放松预应力筋，借助于混凝土与预应力筋的粘结，对混凝土施加预应力的施工工艺。先张法多用于梁体结构中的小构件的制作，一般会在在固定的预制厂生产。

先张法预应力设计中最重要的是台座的设计和制作。台座在先张法构件生产中是主要的承力构件，它必须具有足够的承载能力、刚度和稳定性，以免因台座的变形、倾覆和滑移而引起预应力的损失，以确保先张法生产构件的质量。台座的形式繁多，因地制宜，但一般可分为墩式台座和槽式台座两种。

3.2 先张法预应力墩式台座结构设计

墩式台座由承力台墩、台面与横梁三部分组成，其长度宜为50～150m。台座的承载力应根据构件张拉力的大小，可按台座每米宽的承载力为200～500kN设计台座。承力台墩一般埋置在地下，具有足够的承载力、刚度和稳定性。台墩的稳定性验算包括抗倾覆验算和抗滑移验算。台墩的坑倾覆验算按照K1=M/M1=GL/(Pj×e1)进行计算，K1为抗倾覆完全系数，应不小于1.50;M为倾覆力矩(N·m)，由预应力筋的张拉力产生;Pj为预应力筋的张拉力(N);e1为预应力筋的张拉力合作用点至倾覆点的力臂(m);M1为抗倾覆力矩(N·m)，由台墩自重和主动土压力等产生;G为台墩的自重(N);L为台墩重心至倾覆点的力臂;Ep为台墩左侧面主动土压力的合力(N)，当台墩埋置深度很浅时，可忽略不计;e2为主动土压力合力重心至倾覆点的力臂(m)。台墩抗滑移验算按照K2=N1/Pj进行计算，K2为抗滑移安全系数，应不小于1.30;N1为抗滑移力，一般应有台面的抗滑移力N'，台面右侧面的被动土压力的合力Ep'和台墩自重产生的摩阻力F组成，其中以N'为主要抗滑移力，当台面采用C10～C15混凝土时，厚60mm，台面每米宽抵能力取150～250kN;厚80mm，台面每米宽抵抗能力取200～250kN;厚100mm，台面每米宽低抗能力取250～300kN;当采用混凝土台面，并与合墩共同工作时，一般可不进行抗滑移验算，而应验算台面的承载能力。

台面一般是在夯实的碎石垫层上浇筑一层厚度为60～100mm的混凝土而成。台面主要需要进行计算就是水平承载力N'，一般计算公式为 N'=φ ×Ac× fc/(K1× K2)，φ 为轴心受压纵向弯曲系数，取=1;Ac为台面截面面积(m2);fc为混凝土轴心抗压强度计算值(MPa);K1为台面承载力超载系数，取1.2;K2为考虑台面不均匀和其他影响因素的附加完全系数，取1.5。台面伸缩缝可根据当地温差和经验设置，一般均为10m;也可采用预应力滑动台面，不留伸缩缝。

台座的两端设置固定预应力钢丝的钢制横梁，一般用型钢制作，在设计横梁时，除考虑在张拉力的作用下有一定的强度外，应特别注意其变形，以减少预应力损失。

3.3 先张法预应力槽式台座结构设计

槽式台座由钢筋混凝土压杆、上下横梁及台面组成。

槽式台座一般低于地面，台座的长度一般不超过50m，承载力可大于1000kN以上。在槽式台座中常采用四横梁式成组张拉装置，用千斤顶张拉，预应力筋张拉后用锚固夹具将顶力筋直接锚固于横梁上，锚固夹具都可以重复使用，要求工作可靠、加工方便、成本低或多次周转使用;预应力钢丝的锚固夹具常采用圆锥齿板式锚固夹具，预应力钢筋常采用螺丝端杆锚固钢筋。

槽式台座由端柱、传力柱、垫柱、横梁等共同工作，其水平力几乎全部传给传力柱，不存在倾覆和滑移问题，所以在槽式台座的验算中主要进行传力柱的强度计算。若是已知张拉控制应力为1 370MPa，φs15.20钢铰线截面面积为139.98mm2，先张法一片空心板钢铰线最多为15根(φs15.20)，设计的槽式张拉台座由3个传力柱承受2槽空心板张拉力，则可计算传力柱正截面实际需要承受力 Nj，Nj=(1 370×106×139.98×10-6×15×2)/3=1 917 726 N。

槽式台座承受预应力筋张拉力的结构型式属于配有纵向钢筋和普通箍筋的轴心受压构件，则其正截面承载能力Nu=φγb(RaA/γC+Rg'Ag'/γS)，Ra为混凝土抗压设计强度;Ry 为纵向钢筋抗压设计强度;A为构件截面面积;Ag'为纵向钢筋截面面积;φ为纵向弯曲系数;γb为构件工作条件系数;γC为在混凝土强度设计采用值基础上的混凝土安全系数;γS为在钢筋强度设计采用值基础上的钢筋安全系数。Ra值取决于混凝土设计强度和标准，张拉台座一般采用C20混凝土，其Ra=11 MPa。Rg'值决定于使用的热轧钢筋的强度，在套作中使用的多为Ⅱ级螺纹钢Φ12和Φ16，Rg'=340MPa。以Ⅱ级螺纹钢Φ12和 Φ16位标准，Ag'=4×π ×(16/2)2+4×π ×(12/2)2=1 256.6mm2;台座传力柱两端固定视为均匀不移动铰，柱的长细比λ=LO/b，LO为传力柱的计算长度，b为传力柱截面的最短边，则得到 λ =LO/b=8.0/0.57=14.04≈14，因此，由《钢筋混凝土构件的纵向弯曲系数φ》可知，Φ=0.92。另外，钢筋的强度安全系数 γS=1.25;混凝土的强度安全系数 γC=1.25，工作条件系数 γb=0.95。