雙預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件原理及應(yīng)用簡介
劉會清
我國自20世紀50年代以來，預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)發(fā)展迅速，但是，雙預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在我國橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還是屈指可數(shù)的。近年來，我國的結(jié)構(gòu)工作者在橋梁及建筑結(jié)構(gòu)的加固和新結(jié)構(gòu)的設(shè)計中進行了進一步研究探索。
1．雙預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的工作原理及適用范圍
雙預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件是一種新穎的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)型式，是預(yù)拉預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件與預(yù)壓預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的組合，又稱拉壓預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。所謂預(yù)拉預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，是指在混凝土的受壓區(qū)采用預(yù)壓力筋（件）或其它施力措施，使混凝土產(chǎn)生預(yù)拉預(yù)應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)還須與通常的預(yù)壓預(yù)應(yīng)力方式相結(jié)合，就形成了混凝土受拉區(qū)預(yù)壓、受壓區(qū)預(yù)拉的雙預(yù)應(yīng)力體系。
雙預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的主要特點是：在保證構(gòu)件抗彎能力的同時，可以大幅度降低梁高，構(gòu)件的截面尺寸和自重都將減小。就簡支梁而言，梁高大約能降至原梁高的三分之二。與傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)相比，雙預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在施工時并不需非常特殊的技術(shù)和設(shè)備，只要具有以往的預(yù)應(yīng)力設(shè)計、施工經(jīng)驗就可應(yīng)用。
雙預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件適用于建筑高度受限制的大跨徑預(yù)制吊裝施工的橋梁，特別是在公路與公路立交、公路與鐵路立交以及公路與特殊管線的交叉等方面有較廣闊的應(yīng)用前景。
2.雙預(yù)應(yīng)力技術(shù)在國外公路工程中的應(yīng)用
雙預(yù)應(yīng)力混凝土的概念是英國人K.billig在1950年提出的，當時稱為“PrtenstonedConcrete”.隨后德國F.W.MADER提出了在混凝土梁的受壓和受拉區(qū)分別設(shè)置預(yù)壓和予拉型鋼的“予應(yīng)力型鋼混凝土結(jié)構(gòu)”。1955年奧地利的HansReiffen?鄄stuhl采用特制千斤頂壓縮置于頸縮套管內(nèi)的粗鋼筋，并在套管內(nèi)注入水泥砂漿，待砂漿結(jié)硬后放松鋼筋上的螺帽，從而使混凝土受到拉應(yīng)力。國外在公路工程中利用雙預(yù)應(yīng)力技術(shù)建造的橋梁如：
2.1奧地利的阿爾姆橋
阿爾姆橋橫跨于奧地利阿爾姆河上，是世界上第一座采用雙預(yù)應(yīng)力技術(shù)修建的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋。該橋1976年9月6日開工建設(shè)，于1977年9月27日建成通車。
阿爾姆橋與阿爾姆河斜交角520，立面位于R=2600m豎曲線上，計算跨徑76m，凈跨徑74.5m，橋面總寬10.6m，其中車行道寬7.2m，人行道寬1.25m和2.15m。設(shè)計荷載為兩輛平面面積15m2的250KN載重車，人群荷載集度為4KN/m2。
上部結(jié)構(gòu)采用變截面簡支箱梁，支點梁高2.3m，跨中梁高2.5m，梁底按R=9000m圓弧設(shè)計。箱梁為單箱單室，底寬6m，懸臂長1.93m，頂?shù)装寰?.3m，跨中截面腹板厚0.6m，在支點腹板加寬至2.6m，漸變段長12m。
箱梁的預(yù)拉應(yīng)力筋采用80束VT120L鋼絞線，每束由12根組成，面積99mm2，張拉力564.86KN，全橋共用58.60t，主要布置于底板。預(yù)壓應(yīng)力筋采用96根φ36mm圓鋼，預(yù)應(yīng)力平均600KN，全橋共用61.00t，主要布置于頂板及懸臂上。預(yù)應(yīng)力筋縱向按二次拋物線形式布置，拉、壓預(yù)應(yīng)力筋交叉錨于梁端腹板。預(yù)拉應(yīng)力筋采用φ67mm套管，預(yù)壓應(yīng)力筋采用φ43mm局部壓扁套管。
阿爾姆橋上部結(jié)構(gòu)共用B45號混凝土650m3，高強鋼119.60t，普通鋼筋61.04t。其材料用量指標為混凝土0.807m3/m2，高強鋼0.1485t/m2，普通鋼筋0.076t/m2。阿爾姆橋上部結(jié)構(gòu)的高跨比為h/L=1/30.4。
2.2日本的川端橋
川端橋建于1984年12月至1985年3月，橋長58.6m，橋?qū)?.3m，凈寬2.5m，是一座正交人行天橋。其設(shè)計荷載為人群集度3.43KN/m2，上部結(jié)構(gòu)為雙預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，高跨比為1/37.1，下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺，雙排PC樁基。
箱梁梁長58.48m，計算跨徑57.58m。箱梁底寬2.6m，頂板懸臂較短，僅為0.25m。箱梁梁高：梁端為1.0m，跨中為1.55m，按2.4%拋物線變化。跨中頂板及底板厚度均為0.18m，而距梁端10.24m至4.24m范圍內(nèi)，底板由0.18m漸變?yōu)?.55m；頂板厚度在梁端12.24m至4.24m范圍內(nèi)改為0.4m。梁端4.24m區(qū)段則設(shè)計成實心斷面。這樣設(shè)計是由于考慮了受拉鋼索的布設(shè)、受壓鋼筋的錨固以及內(nèi)模修建等因素。
受拉鋼索采用13根12φj15.24mm鋼絞線，錨下控制張拉力21289.5KN。受壓鋼筋為20根SBPR95/110粗鋼筋，直徑φ32mm，錨下控制預(yù)壓力為5721.2KN。在設(shè)計荷載作用下，受拉鋼索張拉力取用17478.3KN，受壓鋼筋預(yù)壓力取用5178.3KN，跨中截面混凝土上緣應(yīng)力為13.5MPa（壓應(yīng)力容許值為13.72MPa），混凝土下緣應(yīng)力為-1.1MPa（拉應(yīng)力容許值為-1.47MPa）。
3.雙預(yù)應(yīng)力技術(shù)在我國公路工程中的應(yīng)用
3.1河北承德大屯橋
大屯橋位于河北灤平縣大屯村畔，距美麗的避暑勝地承德市約40公里。該橋處于國道112線，橫跨于牦牛河上，跨徑3-40m，全長125m。橋面凈寬：凈-11.4+2x0.5m護欄。設(shè)計荷載：汽車—超20級，掛車—120。上部結(jié)構(gòu)為雙預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁；下部為柱式橋墩、肋板式橋臺，鉆孔嵌巖樁基。該橋于2000年10月建成通車。
大屯橋主梁采用小箱梁型式，橫橋向共設(shè)5片，梁長39.9m，計算跨徑39m，梁高1.35m，高跨比1/28.9。箱梁頂寬2.1m，底寬1m，頂、底板厚0.15m，翼板懸臂長0.35m。跨中截面腹板厚0.16m，梁端1.475m范圍腹板厚0.32m，梁端1.475m—2.975m腹板厚度由0.32m漸變?yōu)?.16m，隔板間距6.5m。主梁采用50號混凝土預(yù)制。
大屯橋箱梁的拉壓預(yù)應(yīng)力筋均布置于腹板內(nèi)。預(yù)拉鋼束設(shè)于底部，按曲線形式布索，錨于梁端。預(yù)壓鋼筋設(shè)于頂部，按直線形式布置，分別錨于距梁端4.025m和8.025m處槽口內(nèi)。預(yù)拉鋼束采用68根φj15.24mm270級高強度低松弛鋼絞線，波紋管成孔。預(yù)壓筋采用6根φ32mm高強K40Si2MnV精軋螺紋粗鋼筋，穿入雙向扁管預(yù)埋梁內(nèi)。使用階段箱梁跨中截面混凝土上緣應(yīng)力為13.6MPa，混凝土下緣應(yīng)力為0.9MPa。
3.2上海護渠橋
上海護渠橋位于上海市閔行區(qū)顓橋鎮(zhèn)李家圈附近，處于上海4號線北段連接莘莊立交與奉浦大橋的快速干道上。上海市原引水管渠從該橋下穿過，斜交角470，引水管寬17.56m，兩側(cè)保護距離要求不小于5m。護渠橋分為上下行兩座獨立大橋，橋?qū)?3m，橋面凈寬12m，兩橋相距11m，按斜交角120o設(shè)計。設(shè)計荷載：汽車—超20級，掛車—120。
上部結(jié)構(gòu)為先壓法拉壓預(yù)應(yīng)力混凝土簡支工字梁，橫橋向共布置10片梁，梁長45m，計算跨徑43.08m，梁高1.45m，高寬比為1/29.7。工字梁上翼板寬1.15m，下翼板寬0.95m。跨中截面翼板邊緣厚0.18m，腹板厚0.25m。而梁端1.75m范圍腹板厚0.95m，并且在梁端10.25m—1.75m范圍內(nèi)，下翼緣邊緣厚度由0.18m漸變到0.63m。工字梁每隔5m垂直于梁體設(shè)一道隔板。每片工字梁上緣共布設(shè)了8束φ32x8mm高強30CrMnSi調(diào)質(zhì)鋼管，并在距梁端10m前后兩次向下彎出，錨于四塊齒板上。
每片工字梁下緣布置了6束10φ15.24mm270級低松弛鋼絞線，錨于梁端加寬的腹板上。主梁采用50號混凝土澆筑，在使用階段跨中截面混凝土上緣應(yīng)力為14.5MPa，混凝土下緣應(yīng)力為1.2MPa。
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劉會清
我國自20世紀50年代以來，預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)發(fā)展迅速，但是，雙預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在我國橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還是屈指可數(shù)的。近年來，我國的結(jié)構(gòu)工作者在橋梁及建筑結(jié)構(gòu)的加固和新結(jié)構(gòu)的設(shè)計中進行了進一步研究探索。
1．雙預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的工作原理及適用范圍
雙預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件是一種新穎的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)型式，是預(yù)拉預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件與預(yù)壓預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的組合，又稱拉壓預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。所謂預(yù)拉預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，是指在混凝土的受壓區(qū)采用預(yù)壓力筋（件）或其它施力措施，使混凝土產(chǎn)生預(yù)拉預(yù)應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)還須與通常的預(yù)壓預(yù)應(yīng)力方式相結(jié)合，就形成了混凝土受拉區(qū)預(yù)壓、受壓區(qū)預(yù)拉的雙預(yù)應(yīng)力體系。
雙預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的主要特點是：在保證構(gòu)件抗彎能力的同時，可以大幅度降低梁高，構(gòu)件的截面尺寸和自重都將減小。就簡支梁而言，梁高大約能降至原梁高的三分之二。與傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)相比，雙預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在施工時并不需非常特殊的技術(shù)和設(shè)備，只要具有以往的預(yù)應(yīng)力設(shè)計、施工經(jīng)驗就可應(yīng)用。
雙預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件適用于建筑高度受限制的大跨徑預(yù)制吊裝施工的橋梁，特別是在公路與公路立交、公路與鐵路立交以及公路與特殊管線的交叉等方面有較廣闊的應(yīng)用前景。
2.雙預(yù)應(yīng)力技術(shù)在國外公路工程中的應(yīng)用
雙預(yù)應(yīng)力混凝土的概念是英國人K.billig在1950年提出的，當時稱為“PrtenstonedConcrete”.隨后德國F.W.MADER提出了在混凝土梁的受壓和受拉區(qū)分別設(shè)置預(yù)壓和予拉型鋼的“予應(yīng)力型鋼混凝土結(jié)構(gòu)”。1955年奧地利的HansReiffen?鄄stuhl采用特制千斤頂壓縮置于頸縮套管內(nèi)的粗鋼筋，并在套管內(nèi)注入水泥砂漿，待砂漿結(jié)硬后放松鋼筋上的螺帽，從而使混凝土受到拉應(yīng)力。國外在公路工程中利用雙預(yù)應(yīng)力技術(shù)建造的橋梁如：
2.1奧地利的阿爾姆橋
阿爾姆橋橫跨于奧地利阿爾姆河上，是世界上第一座采用雙預(yù)應(yīng)力技術(shù)修建的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋。該橋1976年9月6日開工建設(shè)，于1977年9月27日建成通車。
阿爾姆橋與阿爾姆河斜交角520，立面位于R=2600m豎曲線上，計算跨徑76m，凈跨徑74.5m，橋面總寬10.6m，其中車行道寬7.2m，人行道寬1.25m和2.15m。設(shè)計荷載為兩輛平面面積15m2的250KN載重車，人群荷載集度為4KN/m2。
上部結(jié)構(gòu)采用變截面簡支箱梁，支點梁高2.3m，跨中梁高2.5m，梁底按R=9000m圓弧設(shè)計。箱梁為單箱單室，底寬6m，懸臂長1.93m，頂?shù)装寰?.3m，跨中截面腹板厚0.6m，在支點腹板加寬至2.6m，漸變段長12m。
箱梁的預(yù)拉應(yīng)力筋采用80束VT120L鋼絞線，每束由12根組成，面積99mm2，張拉力564.86KN，全橋共用58.60t，主要布置于底板。預(yù)壓應(yīng)力筋采用96根φ36mm圓鋼，預(yù)應(yīng)力平均600KN，全橋共用61.00t，主要布置于頂板及懸臂上。預(yù)應(yīng)力筋縱向按二次拋物線形式布置，拉、壓預(yù)應(yīng)力筋交叉錨于梁端腹板。預(yù)拉應(yīng)力筋采用φ67mm套管，預(yù)壓應(yīng)力筋采用φ43mm局部壓扁套管。
阿爾姆橋上部結(jié)構(gòu)共用B45號混凝土650m3，高強鋼119.60t，普通鋼筋61.04t。其材料用量指標為混凝土0.807m3/m2，高強鋼0.1485t/m2，普通鋼筋0.076t/m2。阿爾姆橋上部結(jié)構(gòu)的高跨比為h/L=1/30.4。
2.2日本的川端橋
川端橋建于1984年12月至1985年3月，橋長58.6m，橋?qū)?.3m，凈寬2.5m，是一座正交人行天橋。其設(shè)計荷載為人群集度3.43KN/m2，上部結(jié)構(gòu)為雙預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，高跨比為1/37.1，下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺，雙排PC樁基。
箱梁梁長58.48m，計算跨徑57.58m。箱梁底寬2.6m，頂板懸臂較短，僅為0.25m。箱梁梁高：梁端為1.0m，跨中為1.55m，按2.4%拋物線變化。跨中頂板及底板厚度均為0.18m，而距梁端10.24m至4.24m范圍內(nèi)，底板由0.18m漸變?yōu)?.55m；頂板厚度在梁端12.24m至4.24m范圍內(nèi)改為0.4m。梁端4.24m區(qū)段則設(shè)計成實心斷面。這樣設(shè)計是由于考慮了受拉鋼索的布設(shè)、受壓鋼筋的錨固以及內(nèi)模修建等因素。
受拉鋼索采用13根12φj15.24mm鋼絞線，錨下控制張拉力21289.5KN。受壓鋼筋為20根SBPR95/110粗鋼筋，直徑φ32mm，錨下控制預(yù)壓力為5721.2KN。在設(shè)計荷載作用下，受拉鋼索張拉力取用17478.3KN，受壓鋼筋預(yù)壓力取用5178.3KN，跨中截面混凝土上緣應(yīng)力為13.5MPa（壓應(yīng)力容許值為13.72MPa），混凝土下緣應(yīng)力為-1.1MPa（拉應(yīng)力容許值為-1.47MPa）。
3.雙預(yù)應(yīng)力技術(shù)在我國公路工程中的應(yīng)用
3.1河北承德大屯橋
大屯橋位于河北灤平縣大屯村畔，距美麗的避暑勝地承德市約40公里。該橋處于國道112線，橫跨于牦牛河上，跨徑3-40m，全長125m。橋面凈寬：凈-11.4+2x0.5m護欄。設(shè)計荷載：汽車—超20級，掛車—120。上部結(jié)構(gòu)為雙預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁；下部為柱式橋墩、肋板式橋臺，鉆孔嵌巖樁基。該橋于2000年10月建成通車。
大屯橋主梁采用小箱梁型式，橫橋向共設(shè)5片，梁長39.9m，計算跨徑39m，梁高1.35m，高跨比1/28.9。箱梁頂寬2.1m，底寬1m，頂、底板厚0.15m，翼板懸臂長0.35m。跨中截面腹板厚0.16m，梁端1.475m范圍腹板厚0.32m，梁端1.475m—2.975m腹板厚度由0.32m漸變?yōu)?.16m，隔板間距6.5m。主梁采用50號混凝土預(yù)制。
大屯橋箱梁的拉壓預(yù)應(yīng)力筋均布置于腹板內(nèi)。預(yù)拉鋼束設(shè)于底部，按曲線形式布索，錨于梁端。預(yù)壓鋼筋設(shè)于頂部，按直線形式布置，分別錨于距梁端4.025m和8.025m處槽口內(nèi)。預(yù)拉鋼束采用68根φj15.24mm270級高強度低松弛鋼絞線，波紋管成孔。預(yù)壓筋采用6根φ32mm高強K40Si2MnV精軋螺紋粗鋼筋，穿入雙向扁管預(yù)埋梁內(nèi)。使用階段箱梁跨中截面混凝土上緣應(yīng)力為13.6MPa，混凝土下緣應(yīng)力為0.9MPa。
3.2上海護渠橋
上海護渠橋位于上海市閔行區(qū)顓橋鎮(zhèn)李家圈附近，處于上海4號線北段連接莘莊立交與奉浦大橋的快速干道上。上海市原引水管渠從該橋下穿過，斜交角470，引水管寬17.56m，兩側(cè)保護距離要求不小于5m。護渠橋分為上下行兩座獨立大橋，橋?qū)?3m，橋面凈寬12m，兩橋相距11m，按斜交角120o設(shè)計。設(shè)計荷載：汽車—超20級，掛車—120。
上部結(jié)構(gòu)為先壓法拉壓預(yù)應(yīng)力混凝土簡支工字梁，橫橋向共布置10片梁，梁長45m，計算跨徑43.08m，梁高1.45m，高寬比為1/29.7。工字梁上翼板寬1.15m，下翼板寬0.95m。跨中截面翼板邊緣厚0.18m，腹板厚0.25m。而梁端1.75m范圍腹板厚0.95m，并且在梁端10.25m—1.75m范圍內(nèi)，下翼緣邊緣厚度由0.18m漸變到0.63m。工字梁每隔5m垂直于梁體設(shè)一道隔板。每片工字梁上緣共布設(shè)了8束φ32x8mm高強30CrMnSi調(diào)質(zhì)鋼管，并在距梁端10m前后兩次向下彎出，錨于四塊齒板上。
每片工字梁下緣布置了6束10φ15.24mm270級低松弛鋼絞線，錨于梁端加寬的腹板上。主梁采用50號混凝土澆筑，在使用階段跨中截面混凝土上緣應(yīng)力為14.5MPa，混凝土下緣應(yīng)力為1.2MPa。
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