双预应力混凝土梁的试验研究

作者：东南大学交通学院安琳

摘要：通过4根双预应力混凝土试验梁的试验，验证了预压钢筋的有效性。在梁端锚固和梁间开洞锚固基础上提出了一种立足于国产材料和设备的新型锚固体系，大大减少了传力锚固后的反拱值。对传力锚固前后洞口局部的混凝土应力进行了有限元分析，指出了预拉钢筋对减小预压过程中较大的局部拉应力是必不可少的。

关键词：预应力混凝土梁；双预应力；锚固；预拱度；模型试验

1概述

随着我国交通事业的发展，建造跨径大、建筑高度小的低高度梁越来越受到人们的重视。双预应力混凝土梁是降低建筑高度的有效方法之一。采用双预应力法修建的预应力混凝土梁，与只用后张或先张法修建的预应力梁比，梁高可降低25%。1977年奥地利教授H.Reiffenstahl用此法设计建造了Alm桥［1］，跨径为76 m，高跨比仅为1/30.4。80年代以来，日本在预压钢筋的锚固方式［2］上做了大量的研究，建造了高跨比为1/37.1的川端桥等一批双预应力混凝土梁桥，这些桥均成功地采用预拉、预压混凝土达到低高度梁的目的。同济大学在90年代前后进行过先压法预拉混凝土的研究。沪杭高速公路上建成的香长公路立交桥和用曹公路立交桥是世界上首次采用先压法［3］预压应力钢筋的两座低高度梁桥。

本文在Alm桥端部锚固方式和日本的梁间开槽锚固方式(见图1)的基础上，提出了一种立足于我国现有设备和材料的预压粗钢筋锚固体系(见图2)，它包括作为预压元件的高强精轧螺纹粗钢筋、锚垫板、螺帽和锚筋，用普通波纹管代替特制的紧缩套管，开洞的数量比日本的减少一半。在施加预压应力阶段，洞口处混凝土局部压应力的分布和拉应力的传递途径与用日本的锚固方式产生的结果相同，但是，传力锚固后的受力情况则不同，在获得相同预加应力效果的前提下，反拱度比日本的减少很多。

关键词：预应力混凝土梁；双预应力；锚固；预拱度；模型试验

1概述

2试验结果和有限元分析

2.1试验概况

梁A和梁B长6.5m，截面为70 cm×50cm，长3m、直径32mm、抗拉强度735 MPa的高强精轧螺纹粗钢筋直线布置在梁上缘。梁C和D长5.5m，除在梁下缘布置了7φj15.24低松弛钢绞线作为预拉钢筋外，其他条件与梁A和B相同。混凝土28 d的抗压强度实测平均值为39.5 MPa。梁A、B和C、D的锚垫板厚度分别为20mm和40mm，4 根直径25mm的Ⅱ级热轧钢筋作为混凝土中的锚筋焊接在锚垫板上。试验梁的开洞处和跨中贴有应变片，千分表用来观测梁的变形，放置在梁端的压力传感器用来观察钢筋中的应力变化。

2.2预压螺纹粗钢筋的应力损失

2.2.1预压钢筋的摩阻损失

由于试验中的预压钢筋是直线布置的，所以预应力钢筋与管道壁间的摩擦引起的应力损失中只包含管道偏差引起的那部分损失，其主要是与钢筋的长度、应力、摩擦系数和施工中的人为因素有关。表1中梁A、B和C的预应力损失值是通过加载端和锚固端的应力差得出的。对于采用普通波纹管和高强粗钢筋作为预压元件时的摩擦系数，建议取0.04～0.055。

2.2.2预压粗钢筋的锚固损失

锚固体系的关键在于螺纹粗钢筋是否能与螺帽紧密吻合，充分发挥粗钢筋强度。在预加应力过程中，螺帽不断地向锚垫板方向旋进，紧紧地依附在锚垫板上。卸掉千斤顶后，将靠这个锚固体系将力传递到混凝土上。锚固引起的损失主要有螺帽和锚垫板之间的微小滑移、锚垫板的变形和混凝土中锚筋的滑移等。通过压力传感器测得梁A和B的锚固损失分别为23.8%和34.9%。表2为梁C和D的锚固损失量，其损失较小的原因是后者锚垫板的刚度大，并在构造上采取了相应的措施防止了锚筋的滑移。

2.3反拱

控制预应力混凝土梁的变形，使其达到设计者所需的反拱要求，以抵消部分外荷载引起的挠度是十分必要的。但是，反拱过大也会带来很多麻烦。所以，希望在获得相同的预加应力效果的前提下，尽量减小反拱度。试验和理论分析都表明，本文提出的锚固体系在传力锚固后的反拱度比预压阶段的反拱度减小一半。用有限元模拟不同的开洞位置和不同的锚固方式后也表明，在获得一样的预加应力效果的前提下，新的锚固方式比日本的锚固方式所引起的反拱值要小得多。图3为试验梁C在加载过程中的反拱值，传力锚固后反拱值降至0.95 mm,17 h、34 h和82 h后分别回到1.11 mm、1.30 mm1.32 mm。

图3

2.4静载试验

梁D在预拉钢筋张拉锚固后，对预压钢筋施加压力。为研究双预应力混凝土梁的受力全过程，用千斤顶对试验梁D进行四分点加载至破坏。梁受拉区的预拉钢绞线的端部放置了1个压力传感器，用来观测预压钢筋过程中对预拉钢筋的影响。预压粗钢筋端部也放置了1个压力传感器，用来观测粗钢筋的应力变化。根据所测得的混凝土应变值，横断面上的应变协调关系仍然存在。当加载至120 kN时在加载点的下部出现第1条裂缝，上缘混凝土压碎时的荷载为200 kN。试验梁的弯曲破坏特性与只有预拉钢筋的预应力混凝土梁基本相同。

3局部应力分析

由于预应力混凝土可以看成是匀质弹性体，采用ALGOR FEAS 软件来分析锚固前后混凝土局部应力的分布情况。分析表明，预压应力阶段，洞口两侧的拉应力较大，但试验过程中未出现混凝土开裂，其原因是由于预拉钢筋放置的位置较高，使得部分拉应力被抵消。锚固后的拉应力传递主要是靠混凝土和钢筋之间的粘结力，所以应采取必要的构造措施提高粘结效果。

4结论

(1) 文中提出的锚固装置基于国产材料和设备，是一种十分有效的锚固体系，和日本的锚固体系相比，不但减少开洞数量，并且减小了传力锚固后的反拱度。

(2) 当采用普通波纹管和高强粗钢筋时，提出了0.04～0.055的摩擦系数参考值。为了减小预应力的损失，建议锚垫板的刚度一定要保证，并采取必要的构造措施保证钢筋和混凝土之间的粘结力。

(3) 在预压应力阶段，洞口附近的混凝土拉应力很大，可将预拉钢筋在此处抬高重心，帮助抵消一部分拉应力。

(4) 静载试验表明：双预应力混凝土梁的弯曲破坏形态与仅配预拉钢筋的混凝土梁基本相同。