现代桥梁结构3-预弯预应力混凝土梁

预弯预应力混凝土梁


现通过试验来全面、系统地了解预弯预应力混凝土梁在受 力过程中的行为，即其裂缝的形成和开展及其发展规律， 截面应力和刚度的变化等。 图12-3为跨度为12m预弯预应力混凝土试验梁的截面尺寸， 预弯梁为 16Mn 钢焊接而成，上、下翼缘厚为 2.0cm ，宽 为 30.0cm ，腹板厚为 0.8cm ，高度为 46.0cm ，钢梁高度 为50.0cm ，钢梁设计预拱度为 9.28cm ，设计预弯力 Pf 为 280kN。一、二期混凝土立方体抗压强度分别为45.0MPa 和38.0MPa。 试验梁主要测试内容为：钢梁在预弯力作用过程中梁的挠 度、载面应变、预弯梁（一期混凝土浇注后）在卸去预弯 力过程中，钢梁和一期混凝土上所产生应变及梁的回弹拱 度，测预弯预应力（二期混混凝土浇注以后）在外荷作用 下钢梁及一、二期混凝土所产生的应变，挠度及开裂后裂 缝的发展形态和闭合规律等。
预弯预应力混凝土梁
预弯预应力混凝土梁

（一）裂缝的出现和发展形态 当作用荷载达到210kN时，一期混凝土出现第一条裂缝， 然后反复加、卸荷载试验。裂缝条数和宽度逐渐增多和加 大，图12-4为作用力Pf达400kN时的裂缝发展的形态。
预弯预应力混凝土梁

由图12-4可知，一期混凝土开裂后，不仅在梁的 纯弯段，而且在梁的剪跨段也会出现许多微裂缝。 由于劲性钢梁的存在，改变了一期混凝土裂缝发 展的形态，使裂缝在梁上的分布间距较均匀，裂 缝细而密。只要钢梁的应力不达到屈服极限，老 裂缝发展较缓慢，主裂缝特征不明显。当卸载到 一期混凝土的消压弯矩值左右，由于劲性钢梁的 回弹作用，能使裂缝完全闭合。
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1．最大裂缝宽度与荷载关系 根据试验的裂缝观测分析，最大裂缝与作用荷载有下述经 验关系式：

2．最大裂缝宽度与应力的关系 根据试验和分析，重复荷载作用下，预弯预应力混凝土梁 的最大裂缝宽度和一期混凝土的名义拉应力的经验关系为

可以根据以上两式来计算预弯预应力混凝土梁的最大裂缝 宽度。


二、预弯预应力混凝土梁的受力行为 预弯预应力混凝土梁是一种钢－混组合结构，其力学性能 介于钢梁和预应力混凝土梁之间。但在截面上的应力分布、 裂缝的形式和发展等方面与钢梁和预应力混凝土梁及钢筋 混凝土梁均有所不同。 因为预弯预应力混凝土梁截面开裂后，内部的劲性钢梁由 于刚度较大在很大程度上可以改善裂缝的发展形态。截面 一期混凝土开裂之后，当外荷载小于一期混凝土的消压荷 载时，已开裂的裂缝具有良好的闭合性能。通常在使用条 件下允许预弯预应力混凝土梁截面出现裂缝，但同预应力 混凝土梁一样，其缝宽应受到限制。当预弯预应力混凝上 梁截面开裂后，其结构行为和作用机理变得十分复杂，很 难完全从理论上进行结构行为的分析。必须通过试验来探 讨可供工程实用的计算方法。
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二、预弯预应力混凝土梁的特点 预弯预应力混凝土梁不仅能承受较大的外荷载，同时 使建筑高度减到最小。这两种功能不仅在桥梁上有效 大的效益，在高层建筑上也有很好的使用价值，可充 分地利用建筑空间。除此之外，根据研究和工程的使 用实践，无论在技术上还是在经济上还具有下述特点： 1．刚度大：由于劲性钢梁和一期混凝土组成的预弯 预应力梁是一根反拱梁。在外荷载作用下，梁向下的 挠曲变形将会大大减小。劲性钢梁的存在，大大增强 了梁的刚度。因此，在同样的荷载作用下，其截面设 计的比较小，可大大地减轻构件自重、增大跨越能力。
预弯预应力混凝土梁

图 12-1 为 各 种 型 式 的 梁 在 其实用范围内，梁的高跨 比 H/L 与梁跨 L 之间的关系。 可以看出预弯预应力混凝 土梁高跨比在1/30～1/40左 右；预应力混凝土梁和劲 性钢筋混凝土梁的高跨比 在1/18～1/22；预应力混凝 土箱梁和钢箱梁的高跨比 为1/20～1/30。因此，预弯 预应力混凝土梁的刚度比 其它型式梁的刚度都大 。 适用于跨越能力大建筑高 度要求低的地区。
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2．施加预弯力 在距预弯钢梁端 1/4跨处，分别作用一对大小相等的集中 力Pf，将预弯钢梁压成水平直线，如图12-2(b)所示。 对上、下翼缘对称的工字型梁，可根据材料力学梁的弯曲 理论计算出预弯力Pf的大小。

3．浇筑一期混凝土 钢梁在预弯力 Pf 作用下，其下缘最大拉应力达[σs]。在这 种受力状态下浇注下缘混凝土，使混凝土裹住钢梁下翼缘， 如图12-2（c）所示。并对混凝土进行快速养护。
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2．抗裂性能好：由于一期混凝土施加了一定的预压应力，在 外荷载作用下，梁下缘混凝土的一部分拉应力被抵消，从而推 迟裂缝的产生，提高了构件的抗裂性。在荷载作用下，当一期 混凝土开裂后使较大荷载转移给劲性钢梁，从而延缓了裂缝的 集中和发展。当移去荷载后，由于劲性钢梁的回弹作用，已开 裂裂缝具有较好地闭合性能。 3．制作简单、省工省料：对一期混凝土施加预应力时，不需 要锚具和张拉台座等。也省去了压浆、封端等工序。施工中， 只需控制劲性钢梁的挠度。预弯预应力混凝土梁可以由预制厂 制造，也可以在现场上浇筑。通常钢梁预弯及一期混凝土浇注 在工厂进行，然后将构件运往现场或桥位，架设后再浇筑二期 混凝土。钢梁还可作为二期混凝土浇注时的支架，施工时可不 阻塞交通，便于交通繁忙地段使用。
预弯预应力混凝土梁

60年代中期，日本进行了研究和开发，而且大量应 用于桥梁工程中。 1968 年日本在大阪建成了第一 座跨度为18.5m的预弯预应力混凝土公路桥玉津桥， 截止1983年日本已建230余座这种类型的桥梁。80 年代后期在铁路桥梁中采用预弯预应力混凝上梁， 如东北新干线女沼跨线桥，冈多线丰田跨线桥及宫 福线第五公庄跨线桥。后者为下承式单线铁路预弯 预应力混凝土简支梁桥，桥跨为36.5m，两侧主梁 为预弯梁，其钢梁梁腹高2.32m ，两主梁上搁置横 梁，其上再搁置道床板。该桥具有建筑高度小、低 噪音、低振动，适用于居民密集地区桥梁建筑。据 1986年的统计，日本用预弯预应力混凝土梁建成的 大楼有23幢。
预弯预应力混凝土梁

第一节 概述 一、基本概念

预弯预应力混凝土梁，又称预弯复合梁或钢—混预弯预应 力组合梁，是一种新型的预应力混凝土结构。它是将一根 屈服强度很高的工字型劲性钢梁，按一定要求的拱曲线做 成预弯钢梁，然后把钢梁的两端搁置在支座上, 并在离两 端约四分之一跨度位置上作用一对大小相等的集中力（或 称预弯力，其大小由设计确定），使预弯劲性钢梁产生一 定的预弯弯矩。预弯劲性钢梁在预弯力矩的作用下使其上 拱度为零，而梁下翼缘处于受拉状态。在这种受拉状态下， 将钢梁下翼缘用高等级混凝土包裹住，待混凝土强度达到 设计强度的 90 ％以上时，卸去作用于钢梁上的预弯力， 则钢梁将发生回弹作用，从而使包裹钢梁下缘的混凝土 （称一期混凝土）被预压而受到了预压应力。然后将梁运 往工地或就位后，再浇注钢梁腹板两侧及上翼缘混凝土 （称为二期混凝土）。于是就构成了预弯预应力混凝土梁。
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第二节 预弯预应力混凝 土梁的基本原理及受力行 为 一、基本原理我们可以利 用图12-2预弯预应力混凝 土梁的制造流程图来说明 其基本原理。
预弯预应力混凝土梁

1．预弯钢梁的制造 预弯预应力混凝土梁首先要有一根事先预弯 好了钢梁作为混凝土预压应力的工具。预弯 钢梁根据需要由钢厂直接轧制而成，也可用 工字钢冷弯而成，或者将钢板按一定的弯曲 度焊接而成。取钢梁的弯曲度（或预拱度） 在预弯力作用下，当弯曲度 f1 接近于零时使 钢梁下翼缘的拉应力接近或达到钢梁的应力 容许值，如图12-2(a)所示。
预弯预应力混凝土梁


4．质量可靠：在预弯预应力梁的制造过程中，由于对钢 梁进行预压、浇注一期混凝土和预弯梁的回弹等，这些加、 卸荷载的过程相当于对钢梁进行了反复的荷载试验。因此， 能保证预弯预应力混凝土梁使用时安全可靠。根据重复荷 载试验，在50%～100％的设计荷载作用下，重复荷载次 数超过200万，则具有一定耐疲劳性能。 5．适用范围广：预弯预应力混凝土梁除用于大跨度、低 梁高的特殊建筑外，所有能采用钢梁和钢筋混凝土梁的场 合，都可以采用预弯预应力混凝土梁。如工业厂房、影剧 院、地下建筑和高层建筑、以及公、铁路桥梁等建筑物。 同时由于它具有耐高温、耐腐蚀、工作时振动和噪音小等 优点。因此，近年来在工程中采用的逐渐增多。
预弯预应力混凝土梁


为了保证预弯梁上、下翼缘混凝土与埋在混凝土中 的劲性钢梁有很好的粘结性能，使两者能共同工作 （防止由于钢梁的回弹，使钢梁两端向跨中收缩的 趋势），从而产生钢梁与混凝土整体变形。在钢梁 的翼缘上必须事先设置一定数量的抗剪连接器（或 称剪力连接键）。 预弯预应力混凝土梁与预应力混凝土梁有所不同。 预弯钢梁由于钢梁本身有较大的抗弯刚度，除在回 弹时对一期混凝土施加预压应力外，钢梁本身也要 承担相当一部分弯曲荷载。故能克服梁的过大变形， 并可延缓和限制使用阶段混凝土裂缝的发展。
预弯预应力混凝土梁

（二）梁的刚度及挠度计算 1．刚度特性 预弯预应力梁在重复荷载作用下，跨中挠度与荷载关系如 图12-5所示。由图可以看出，循环加载与挠度的关系可近 似用一条折线来表示。对重复荷载其转折点在梁下翼缘一 期混凝土消压荷载附近（对第一次静载其转折处应在第一 条裂缝出现时荷载）。由于钢梁本身具有较大的刚度，即 使一期混凝土开裂而使预压应力消失，但当作用荷载小于 消压荷载时，因钢梁的回弹作用仍可使已开裂的裂缝闭合， 则仍能使一期混凝土处于连续状态。此时梁的截面刚度， 仍可近似地视为不开裂的预弯预应力混凝土梁的全截面刚 度。当作用的外荷载大于消压荷载时，已开裂的截面一期 混凝土处于张开状态，则梁的刚度有所减小。
预弯预应源自文库混凝土梁


我国在工程中应用预弯预应力混凝土梁起步较晚， 1986 年交通部天津水运工程科学研究所首先开展了有关预弯预 应力混凝土梁的施工工艺和力学性能的试验研究，取得一 批有价值的研究成果。随后一些院校也开展了这方面的研 究工作。 1988 年在我国辽宁的桓仁县用预弯预应力混凝 土梁建成了国内第一座跨度为16m的二跨公路桥。此后在 其他地区也陆续地建成一些公路跨线桥。其中湖南长沙市 袁家岭和新中路立交桥采用了该类型梁。袁家岭立交桥跨 度为17m，梁高为0.52m ，其中钢梁高为0.38m，腹板厚 为 1.2cm ，翼缘宽为 0.25m ，厚为 1.6cm ，混凝土为 C25 级，其高跨比为1/32.7。 由于预弯预应力混凝土梁具有许多优越性，不仅适用于简 支梁，也可用于连续梁。预计今后在桥梁及其它建筑工程 中会得到更广泛地应用。
预弯预应力混凝土梁

从上述预弯预应力混凝土梁的制造流程中可 以看出，原来的预弯钢梁完全包裹在混凝土 内，对一期混凝上来说，它是使下翼缘一期 混凝土获得预压应力的工具。而在后期荷载 作用时，而形成一根劲性配筋的混凝土梁。 因此，预弯预应力混凝土梁具有预应力混凝 土梁和钢梁的双重特性。
预弯预应力混凝土梁
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三、发展概况 预弯预应力混凝土梁的设计思想是比利时工程师利 普斯基（A.Lipski）在 1949 年首先提出来的。随后 他和贝阿斯（ L.Beas ）教授合作于 1954 年提出了 初步设计和计算方法，经过多年的研究和实践，获 得专利权，并成立预弯公司开展业务。首先在欧洲 一些国家应用于港口、桥梁、地下工程及工业与民 用建筑。由于预弯预应力梁具有施工速度快、吊装 重量轻、抗裂、抗震性能好等优点。得到工程界的 重视，并相继在英国、德国、法国和美国得到应用 和推广。
预弯预应力混凝土梁



4．卸去预弯力Pf 当一期混凝土达到一定强度后（通常应达到设计强度的90％左 右），卸去预弯力 Pf。这时钢梁回弹，由于钢梁的回弹作用给 下缘混凝土施加了预压应力。同时预弯梁产生一定的上拱度f2， 如图12-2(d)所示。钢梁回弹后的上拱度约为原预拱度的55%～ 75％。值得注意的是：从钢梁回弹拱度大小可以大致了解钢梁 与一期混凝土的粘结情况。如果钢梁回弹拱度过大，说明钢梁 与一期混凝土可能产生滑移或出现分离现象。 5．浇筑二期混凝土 在钢梁腹板两侧和上翼缘浇筑二期混凝土，这样便形成了预弯 预应力混凝土梁，如图12-2(e)所示。在浇筑二期混凝土时应保 证与一期混凝土有良好的连接，并注意混凝土的密实，防止蜂 窝和孔洞。由于二期混凝土是在刚梁卸荷载回弹之后浇注。因 此，二期混凝土未受到预压应力作用。