预应力新技术在连续梁桥中的应用研究？
根据预弯组合梁的原理，研制了一种新型预应力混凝土梁——预弯钢筋混凝土梁(以下简称PFRC梁，中国专利号Z 94227220103)。在普通钢筋混凝土梁施工方法的基础上，通过预加载条件下受拉侧混凝土的二次技术处理来达到预应力效果。简要介绍了PFRC梁的制造工艺和原理，介绍了试验研究成果及其在三跨连续梁桥(四川省各县民生桥)中的应用和效益分析。
1简介
与普通钢筋混凝土结构相比，预应力混凝土结构不仅节省材料，而且性能更好。但其瓜应用技术复杂，技术要求很高，一定程度上阻碍了预应力的进一步发展和推广。为了简化预应力混凝土的施工工艺，人们做了许多努力，预弯组合梁[1]就是其中之一。这种梁既有预应力梁的良好性能，又省去了常规预应力所必须的留孔、穿索、张拉、锚固、灌浆、封锚等一整套程序。施工作业简化，但钢材用量突然删减增加，在大多数国家和地区难以推广应用。可见，现有的预应力混凝土结构在良好的使用性能、材料的经济性和施工的简便性三个方面还没有达到完美的统一，还需要我们继续努力。为此，周副教授提出了预弯预应力钢筋混凝土梁的思想，并将其应用于一座三跨连续梁桥中，以期找到一种更加合理、经济的结构和预应力施工工艺。
2PFRC梁的技术与原理
以简支梁为例，说明PFRC梁的施工工艺和预应力原理:
(1)采用钢筋混凝土梁的方式制作的具有适当预拱度的梁，与钢筋混凝土梁不同的是，PFRC梁的主筋应为冷拉粗钢筋，并在梁的受拉边缘可能出现裂缝的区域设置预留槽口。该段主筋的净保护层厚度取为箍筋直径。
(2)对徐亮施加预定的垂直载荷p。此时，预留槽口的顶部会出现裂缝。
(3)绑扎受拉侧翼缘的构造钢筋(注意插入式马蹄形箍筋要通过预留槽口插入梁体，以浇筑翼缘混凝土)。
(4)待后浇张拉边翼缘混凝土达到强度后，移除预加荷载P。
基于许用应力法理论，分析了梁在上述加载和卸载过程中跨中截面的应力变化
分析如下。
对钢筋混凝土预留缺口梁的计算截面和应力分布进行了预加载。此时梁的受拉已经开裂(预留槽口的存在人为指定了裂缝的位置和间距)，受拉区只包含在主筋内。若换算截面到其重心轴的惯性距离为I01，则在预载弯矩MY作用下，上缘混凝土的压应力σh1和受拉钢筋的应力σg1分别为:
σh1=MYX1/I01(压力)
σg 1 = nmy(h-x 1)/I 01(La)
其中n表示钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比，X1为上缘到中性轴的距离。
翼缘混凝土浇筑到强度后，卸载预压P相当于施加在梁上的反向预压P，所以跨中截面承受负弯矩MY，此时梁下部将参与受力，计算荷载面和应力分布。设I02为换算截面对其重心轴的特征弯矩，则上下边缘混凝土的应力σh2和σh3以及lyna中钢筋的应力σg2分别为:
H2=MYX2/I02(拉)
σh3=nMY(h-X2)/I02(压力)
σg2=nMY(h0-X2)/I02(压力)
其中X2是从上边缘到中性轴的距离。
分别考虑预加载荷和卸载预加载荷时，梁截面的实际应力分布是支承面应力的叠加。扶梁上下边缘的混凝土应力σhs和σhx以及主筋应力σg分别为:
σhs =σh 1-σH2 = my(x 1/I 01-x2/I 02)(压力)(1)
σhs=σh3=MY(h-X2)/I02(压力)(2)
σg =σg 1-σG2 = nmy[(h0-x 1)/I 01-(h0-x2)/i02](La)(3)
若使用荷载下梁的弯矩为m，则梁的上下边缘的应力为:
σhs = MY(x 1/I 01-X2/I02)MX2/I02(4)
σhs=(MY-M)(h-X2)/I02(5)
从公式(5)可以看出，在荷载不大于0和MY的弯梁作用下，后续浇筑的翼缘混凝土不会产生拉力(暂且不考虑混凝土收缩、徐变和钢筋松弛的影响)，即梁的下翼缘有足够的抗裂能力，因此梁和主筋得到了可靠的保护， 由于下翼缘混凝土及其计算刚度的参与，梁截面在使用荷载下的抗弯刚度显著提高。 虽然梁的腹板有裂缝，但这些裂缝并不穿过梁中的受力钢筋(受拉主筋和箍筋)，不影响结构的受力状态。从钢筋混凝土的角度来说，允许有一些裂缝。
可以看出，PFRC梁是在钢筋混凝土梁的加载条件下，通过分两次浇筑受拉翼缘混凝土来代替常规预应力混凝土中的受拉钢板，使后浇翼缘混凝土在卸载时通过梁中主筋的弹性恢复来获得所需的预应力。
因此，有必要在预制梁体的受拉边缘设置预留槽口，其作用如下:
(1)作为新老混凝土界面的剪切槽；
(2)人为控制荷载作用下裂缝的位置和间距，
(3)浇筑后便于浇筑翼缘的插入式马蹄箍先伸入梁体内，进一步保证新老混凝土结合的整体性；(4)确保受控边缘的法兰内的密封没有初级裂纹，使整个法兰受到应力。
3实验研究简介
3.1试验梁的制作
第一批***5根试验梁用于短期静载试验，其中4根为PFRC梁，其余1根为对比，钢筋混凝土梁(一次性浇筑，不预压)，编号为RCL10-00.0。在PFRC预制梁体中，预留槽口由高5厘米、厚2-3厘米的楔形木板形成。在预压工况下，4根PF梁的纯弯截面及其附近的每个预留缺口顶部都有一条裂缝(宽度小于0.04cm)，相邻两个预留缺口之间没有发现新的裂缝，说明预留缺口达到了人为控制裂缝位置和间距的目的。梁下缘混凝土表面凿毛后，绑扎受拉翼缘结构钢筋(纵筋和插入的马蹄形箍箭头)，受拉翼缘混凝土采用大流动性普通水泥混凝土(坍落度10cm)浇筑，并对混凝土进行加固养护。在移除预加荷载之前，后浇混凝土表面未发现收缩裂缝。
3.2测试方法
本试验的目的是检验在预压条件下，通过在梁端浇筑两次混凝土，能否延缓朗梁开裂，提高梁的抗弯刚度。因此，梁的开裂荷载和变形成为试验观测的重要内容。同时，考虑到工程实践中大部分结构都是承受循环荷载的，先对每根梁进行三次静力循环加载试验，获得部分梁在重复荷载作用下的试验数据，然后继续对梁进行加载，直至梁破坏。
3.3横梁开裂
五根试验梁的第一条裂缝为弯曲裂缝。PCL10-0.0在第一个静荷载的二类荷载作用下，在跨中下边缘产生第一条裂缝。其宽度为0.01mm，高度为3cm。其他梁(PFRC梁)的下翼缘在之前的第二次静力加卸载时未发现裂纹，第一次裂纹均在第三次加载时产生，宽度为0.02-0.03mm，高度为2-3cm。试验表明，PFRC梁下翼缘出现第一条裂缝的位置与第一次浇筑梁体的位置相同。不难得出，PFRC梁的抗裂抗弯Mf为:
Mf=MyrR1Wox(6)
式中:My为预压产生的弯矩；r是塑性影响系数；Wox为扣除梁腹板开裂部分后换算截面对控制边的抵抗矩；R1是低碱的抗拉强度。试验表明，梁的抗裂弯矩实测值与公式(6)计算值一致，从理论和试验两方面证明了在预压条件下，通过分两次浇筑受拉翼缘混凝土，可以将控制翼缘混凝土的开裂延迟到预期程度。
3.4梁的偏转
PCL梁第一次静载后的残余挠度值由于某种原因没有得到，第二次静载后测得的残余挠度为0.18cm(不包括第一次静载后的残余挠度)。根据结构在静态循环荷载作用下的一般规律，可以推断第一次静荷载后的残余挠度将大于0.18cm。梁在第二次静载下的挠度比第一次静载下的挠度大幅度增加，第三次静载下的挠度也大于第一次静载下的挠度，说明梁的弹性恢复能力差，这是RC梁的一大缺点。但第一次静载后四根PF梁的残余挠度均为0.10-0.08cm，第二次卸载至0后几乎没有发现新的残余挠度。此外，三种静载下各种荷载对应的挠度无明显差异，说明PF梁在下翼缘开裂前具有较强的弹性恢复能力，即具有常规预应力混凝土梁的特点。
综上所述，PFRC不仅具有很强的弹性恢复能力，而且具有足够的刚度，既保持了常规预应力碱梁的优越性，又避免了常规预应力混凝土梁预应力过大带来的一些矛盾。
3.5长期负荷
在静载试验的同一时期，对两根梁进行了室外长期加载试验。梁的截面与静载试验梁相同，主筋为冷拉钢丝，荷载为梁预期使用荷载的75%(相当于桥梁恒载)。经过一年的长期观测，梁腹部裂缝的挠度和宽度元素发生了明显变化，梁的下翼缘未发现裂缝。
4PFRC在连续梁桥中的应用
4.1桥梁概述
民生桥位于四川省名山县中心。它是一座横跨名山河，连接河两岸主要街道的城市桥梁。桥宽20m，桥轴线与河床轴线夹角45°，主梁总长61m。
4.2结构设计
考虑到材料的经济性、施工的简便性和良好的使用性，本桥改为三跨连续斜梁桥。该桥断面由四个现浇混凝土T梁组成，间距380cm，高度130cm。
在设计中，故意降低有弯矩的主梁的刚度，增加负弯矩的短梁的刚度，从而降低正弯矩梁的长度和峰值，增加负弯矩梁的长度和峰值。因此，正弯矩梁设计为普通钢筋混凝土梁，避免下翼缘二次浇筑混凝土，负弯矩梁设计为PFRC梁，预应力钢筋采用冷拉ⅳ级钢筋。预压下需要在主梁顶部进行的二次浇筑混凝土，可与桥面连接。
主梁的内力分析由桥梁专用程序计算。正弯矩梁按普通钢筋混凝土梁(RC梁)设计，负弯矩梁按PFRC梁设计。其极限承载力满足规范要求，梁在施工和使用阶段的应力计算满足桥梁规范要求。预压阶段的计算截面为扣除受拉区混凝土面积后的换算截面，卸载预压阶段及后期使用阶段的计算截面为扣除梁腹开裂部分混凝土面积(计入后浇混凝土面积)后的计算截面，主梁斜截面按普通钢筋混凝土梁强度设计。
4.3施工要点
为降低转体成本，避免使用大型起重设备，本桥主梁拟采用现浇混凝土，采用现场支撑模板，主要步骤如下:
(1)脚手架模板用于浇筑主梁和RC梁段的桥面板混凝土；
(2)在主梁混凝土达到14d龄期和设计强度的80%后拆除支架；
(3)安装人行道板和RC梁段桥面铺装；
(4)对桥梁进行预压；
(5)用微膨胀混凝土浇筑PFRC梁段的桥面和桥布，并填满所有预留槽口。
(6)混凝土达到14d龄期后，卸载预压，桥梁于1995+2月18日建成通车。
5效益分析
目前国内外常用的预应力混凝土有两种，即常规预应力混凝土梁(简称TPC；通过拉伸钢筋使混凝土获得所需的预应力)和预弯组合梁(简称PFRC；；借助卸载时受载钢梁的弹性，可以获得混凝土所需的预应力。
与TPC梁相比，PFRC梁简化了施工工序，省去了留孔、穿索、锚固、灌浆、封锚等一系列复杂工序。这是TPC所必需的，并降低了施工技术要求，无需锚具、锚垫和局部钢筋。受拉主箭头可根据强度要求在适当位置切断，可节省材料:PFRC混凝土获得的预应力与梁抵抗外荷载所需预应力的分布和大小一致。
与PFSC相比，PFRC的用钢量明显减少，施工更简单，更适用。
PFRC技术在名山民生大桥的应用，比原设计常规预应力混凝土梁节省了240套XM157-7钢绞线群锚和2500米φ65波纹管，省去了张拉设备，简化了施工工艺，全桥用工减少了2953个工日。由于采用连续梁桥，支座数量减少，桥墩和桥台圬工减少约670m3，共计。连续梁桥方案在梁高不变的情况下增大了主孔跨度，有利于泄洪和与环境的协调，具有明显的社会效益。
6结论
(1)的试验研究和理论分析表明，PFRC梁在预加竖向荷载的条件下，通过浇筑带受拉翼缘混凝土的过程，可以达到提高梁正截面抗裂性和抗弯刚度的目的，且施工比常规受力混凝土梁简单，受力合理，比预组合梁节约钢材，因此PFRC技术是合理可行的。
(2)PFRC梁不仅在名山县民生大桥三跨连续梁中得到成功应用，而且在四川德阳镜湖大桥和永川市同兴大桥中得到了成功应用，表明其在工程实践中是可行的，并取得了明显的技术经济效益。
(3)PFRC梁的设计理论和施工技术有待进一步研究和完善。
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