CN104988844B - 二次张拉预应力装配式波形钢腹板组合梁 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二次张拉预应力装配式波形钢腹板组合梁，包括由多个预制波形钢腹板梁梁体连接而成的组合梁；预制波形钢腹板梁梁体包括波形钢腹板，通过上、下连接件与波形钢腹板相连接的混凝土顶板和混凝土底板；混凝土顶板和混凝土底板的横向连接端分别设置有横向连接钢筋，混凝土顶板和混凝土底板内均衡布置有纵向连接钢筋；在混凝土底板内对称设置有一次张拉预应力孔道和二次张拉预应力孔道，其内分别穿设有一次张拉预应力钢束和二次张拉预应力钢束。本发明还提供了该组合梁的施工方法。由于本发明体内预应力钢束分两次张拉，能够减少预制波形钢腹板梁因收缩徐变所产生的反拱，提高桥梁的架设精度，且提高了结构的使用性能。
Description
技术领域
本发明涉及装配式波形钢腹板组合梁，尤其是涉及一种二次张拉预应力装配式波形钢腹板组合梁，本发明还涉及该组合梁的施工方法。
背景技术
混凝土桥梁一直以来在我国应用最广，但混凝土桥梁砂石用量大、拆除后可重复利用价值小、环境污染大，而钢混组合结构桥梁在保持造价不增加的情况下，最大程度地减少了混凝土用量、钢结构可循环利用，是混凝土桥梁的最佳代替桥型。近年来，随着波形钢腹板在桥梁工程上的不断创新与实践，装配式波形钢腹板组合梁逐渐成为一种重要的钢混组合桥梁结构形式，得到了广泛运用。该种桥梁设计理论与混凝土桥梁相似，易于被工程师掌握，施工方法与混凝土装配式桥梁形式相同，不需要特殊的施工设备，结构自重减轻使得架设方便，腹板采用钢结构解决了混凝土斜裂缝问题。中国专利（CN 102220739 B，发明名称《一种波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁及施工方法》）就公开了现有的装配式波形钢腹板组合梁的详细施工方法：首先将波形钢腹板梁单元（即工字梁单元）于工厂内预制完成并张拉体内束后，运抵施工现场浇筑湿接缝和横梁，形成闭合的波形钢腹板连续梁，待后浇混凝土强度等级满足要求时，张拉支座处顶板负弯矩束及体外预应力钢束。该种装配式波形钢腹板组合梁，由于其预制工序以及结构形式和体外束自身造价较高等原因，在实际应用中存在以下缺点：
1、在工厂预制时，波形钢腹板预制梁单元体内预应力钢束一次张拉完毕，在收缩徐变的影响下，预制梁体会出现较大反拱，影响架设时施工控制精度以及成桥后结构的工作性能；
2、湿接缝在预制梁体架设完毕后浇筑，由于湿接缝需要采用体外钢束的形式施加预应力，导致结构中需布设体外束转向器以及钢束减震器等附属设施，增加了施工工序，影响施工周期；
3、体外预应力钢束需采用环氧涂层作为保护层，其单价高于体内预应力束，增加了该形式桥梁的建造费用；
4、体外钢束由于长期暴露在大气中，其自身的涂层会逐渐劣化，水、灰尘等会对其进行腐蚀，而体外钢束更换难度大，将影响桥梁结构使用的耐久性；
5、如果后浇注的湿接缝采用钢筋混凝土结构，预制部分与后浇部分将存在较大的应力差，在收缩徐变等因素作用下受力不明确。
鉴于以上缺点，现有的装配式波形钢腹板组合梁在实际应用过程中存在一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有装配式波形钢腹板组合梁存在的不足，提供一种二次张拉预应力装配式波形钢腹板组合梁，本发明还提供该组合梁的施工方法。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述的二次张拉预应力装配式波形钢腹板组合梁，包括由多个预制波形钢腹板梁梁体连接而成的组合梁；所述预制波形钢腹板梁梁体包括波形钢腹板，通过上、下连接件与所述波形钢腹板相连接的混凝土顶板和混凝土底板；所述混凝土顶板和混凝土底板的横向连接端分别设置有横向连接钢筋，所述混凝土顶板和混凝土底板内均衡布置有纵向连接钢筋；在所述混凝土底板内对称设置有一次张拉预应力孔道和二次张拉预应力孔道，其内分别穿设有一次张拉预应力钢束和二次张拉预应力钢束。
本发明所述的二次张拉预应力装配式波形钢腹板组合梁的施工方法为：首先在预制场预制波形钢腹板梁梁体，并张拉一次预应力钢束；现场施工桥台或桥墩，安装临时支座；将预制好的波形钢腹板梁梁体运抵施工现场，利用吊装设备将所述预制梁梁体吊装至桥台或桥墩上的指定位置；绑扎或焊接相邻预制梁体顶、底板的横向连接钢筋，绑扎或焊接相邻预制梁梁体的纵向连接钢筋，然后浇注横梁和梁体之间的湿接缝，使主梁形成封闭的箱型断面和连续结构；待横梁和湿接缝的混凝土强度满足要求后，张拉混凝土底板中的二次预应力钢束，张拉墩顶负弯矩钢束，拆除临时支座，形成一跨简支梁或者多跨连续梁体系，结束施工。
如果不考虑等待湿接缝混凝土强度达到要求的时间周期，二次预应力钢束也可以在横梁浇注前张拉，这时，其施工方法为：首先在预制场预制波形钢腹板梁梁体，并张拉一次预应力钢束；现场施工桥台或桥墩，安装临时支座；将预制好的波形钢腹板梁梁体运抵施工现场，利用吊装设备将所述预制梁梁体吊装至桥台或桥墩上的指定位置；绑扎或焊接相邻预制梁梁体顶、底板的横向连接钢筋，浇筑相邻预制梁梁体之间的湿接缝，待湿接缝混凝土强度达到要求后，张拉预制梁梁体混凝土底板中的二次预应力钢束；然后绑扎或焊接相邻预制梁梁体的纵向连接钢筋，浇筑横梁，待横梁混凝土达到一定强度后，张拉墩顶负弯矩钢束，拆除临时支座，形成一跨简支梁或者多跨连续梁体系，结束施工。
本发明相较于现有的装配式钢腹板组合梁，具有以下优点：
（1）由于本发明体内预应力钢束分两次张拉：预制波形钢腹板梁梁体时先张拉一次预应力钢束，待组合后的主梁架设完毕，并且湿接缝浇注后再张拉二次体内预应力钢束，能够减少预制波形钢腹板梁因收缩徐变所产生的反拱，提高桥梁的架设精度。
（2）本发明取消了波形钢腹板桥梁中常用的体外预应力钢束，减免了体外钢束所需设置的转向器及钢束减震等附属设施，简化了桥梁结构，能够降低成本及缩短施工工期，且不需考虑后期运营过程中体外钢束的防腐及更换等问题（体外钢束正常的使用年限为30年左右，体内预应力钢束可保证使用100年且无需更换），提高了结构的使用性能。
（3）本发明中的二次预应力钢束可多点平行进行张拉施工，施工速度快。
（4）本发明中所用的预应力钢束均为常规预应力钢绞线，不需要采用特殊的预应力钢绞线。
（5）本发明结构中，当湿接缝浇筑完成后，才需张拉混凝土底板中预留的二次预应力钢束，因此，在湿接缝中具有纵桥向预压应力，能够提高结构的整体性及安全性。
附图说明
图1是本发明预制波形钢腹板梁的结构示意图。
图2是本发明装配式波形钢腹板组合梁的结构示意图。
图3是图2的横断面放大图。
图4-6是本发明二次张拉预应力钢束的三种锚固形式。
图7是常规梁的断面图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做更进一步详细的叙述。
本发明所述的二次张拉预应力装配式波形钢腹板组合梁，包括由多个预制波形钢腹板梁梁体连接而成的组合梁；本发明所用的预制波形钢腹板梁梁体如图1所示，包括波形钢腹板1-1，通过剪力键1-4或其他形式的上、下连接件与波形钢腹板1-1相连接的混凝土顶板1-2和混凝土底板1-3；混凝土顶板1-2和混凝土底板1-3的横向连接端分别设置有横向连接钢筋1-5，混凝土顶板1-2和混凝土底板1-3内均衡布置有纵向连接钢筋1-6；在混凝土底板1-3内对称设置有一次张拉预应力孔道和二次张拉预应力孔道，其内分别穿设有一次张拉预应力钢束1-7和二次张拉预应力钢束1-8；将相邻预制波形钢腹板梁梁体的横向连接钢筋1-5及纵向连接钢筋1-6通过焊接或绑扎的形式相互连接在一起，波形钢腹板1-1通过螺栓或焊接进行连接，预制波形钢腹板梁梁体之间通过湿接缝2和横梁3进行连接，如图2、图3所示，即形成一跨或多跨的波形钢腹板组合梁。
施工实例1
本发明的二次张拉预应力装配式波形钢腹板组合梁的施工方法为：
一、预制波形钢腹板梁梁体：
1）一次预应力钢束采用后张法时，其预制过程为：绑扎混凝土顶板1-2和底板1-3内的普通钢筋，通过剪力键1-4（或者其他连接形式）将波形钢腹板1-1与混凝土顶、底板内的钢筋连接，并预埋一次张拉预应力孔道和二次张拉预应力孔道；架设混凝土模板，浇筑混凝土顶板1-2和混凝土底板1-3。在绑扎钢筋的过程中预留横向和纵向连接钢筋1-5及1-6，待顶板1-2和底板1-3的混凝土强度满足标准后，拆除模板，张拉底板内第一次预应力钢束1-7，完成一次预应力钢束为后张法的梁体预制。
2) 一次预应力钢束采用先张法时，其预制过程为：绑扎混凝土顶板1-2和底板1-3内的普通钢筋，通过剪力键1-4（或者其他连接形式）将波形钢腹板1-1与混凝土顶、底板内的钢筋连接，通过先张法预应力台座张拉一次预应力钢束1-7，同时预埋二次张拉预应力孔道，穿设二次张拉预应力钢束1-8；架设混凝土模板，浇筑混凝土顶板1-2和混凝土底板1-3。在绑扎钢筋的过程中预留横向和纵向连接钢筋1-5及1-6，待顶板1-2和底板1-3的混凝土强度满足标准后，拆除模板，切断先张的一次预应力钢束1-7，完成一次预应力钢束为先张法的梁体预制。
二、组合梁架设与浇注湿接缝和横梁
如图2-3所示，现场施工桥台或者桥墩4，安装临时支座5，并将预制好的梁体用吊机等吊装至桥台或桥墩4上，绑扎或者焊接相邻两预制梁之间的横向连接钢筋1-5，绑扎或者焊接箱梁预制梁中的梁端的纵向连接钢筋1-6，浇筑横梁3并浇筑梁体之间的湿接缝2，使主梁形成封闭的箱型断面和连续结构。
三、张拉二次预应力钢束和负弯矩钢束
待横梁3和湿接缝2的混凝土强度满足要求后，穿设并张拉混凝土底板内的二次预应力钢束1-8：实际施工时，底板中二次预应力钢束可以采用短束锚固形式（如图4所示），也可以采用墩顶交叉短束锚固（如图5所示）或采用底板通长钢束形式锚固（如图6所示），注意：采用墩顶交叉短束锚固或底板通长钢束锚固形式时，需要在本步骤穿设二次张拉预应力钢束1-8，而不能在步骤一中提前预穿钢束；然后张拉支座上部负弯矩预应力钢束6，完成二次预应力钢束1-8和负弯矩钢束6的张拉；拆除临时支座5，将支撑转换到永久支座上，完成结构体系转换，结束施工。
施工实例2
如果二次预应力钢束在横梁浇注前张拉，这时，其施工方法为：
一、预制波形钢腹板梁梁体，具体步骤同施工实例1。
二、组合梁架设与二次预应力钢束施工
如图2、图4所示，现场施工桥台或者桥墩4，安装临时支座5，并将预制好的梁体用吊机等设备吊装至桥台或桥墩4上，绑扎或者焊接相邻两预制梁之间的横向连接钢筋1-5，然后浇筑相邻梁体之间的湿接缝2，使主梁形成封闭的箱型断面，见图3；待湿接缝2的混凝土强度满足要求后，张拉混凝土底板1-3内的二次预应力钢束1-8（从图4中可以看出，底板中二次预应力钢束为短束锚固形式），完成二次预应力钢束的施工。
三、体系转换
绑扎或者焊接相邻预制梁梁端的纵向连接钢筋1-6，而后浇筑横梁3，待横梁3的混凝土强度满足要求后，张拉支座上部负弯矩预应力钢束6，拆除临时支座5，将支撑转换到永久支座--桥台或者桥墩4上，形成一跨或者多跨的连续梁结构，完成结构体系转换，结束施工。
下面对波形钢腹板梁体内预应力钢束分二次进行张拉的可行性及效果进行详细的分析：
现有的混凝土桥梁和直腹板组合结构桥梁均存在明显的梁端效应。梁端效应是指在采用直线预应力钢束时，由于预应力的张拉造成梁端局部拉应力偏大，比如先张法空心板梁桥通常采用直线形式的配筋方式，为了避免梁端效应通常需要设置预应力失效段，以避免直线配束造成的梁端上部拉应力超出混凝土的抗拉应力值，引起上部混凝土开裂。因此，对于底板配直线预应力钢束的混凝土板梁桥，其跨径一般不超过20m，直腹板组合结构桥梁一般不采用底板预应力钢束，而波形钢腹板由于存在褶皱效应，采用直线预应力钢束时则不会产生梁端效应，并且跨径越大梁端效应约弱，具体分析过程如下：
常规梁的断面结构如图7所示：预应力N对截面中性轴产生的弯矩为：
（1）
由上下截面的面积矩相等可得：
（2）
全截面的面积为：
（3）
整个截面的惯性矩为：
（4）
（1） 对于矩形截面，也就是实心板梁：设定
式（1~4）可变为
因此截面上缘应力：（5）
截面下缘应力：（6）
对于实心板梁，当以底板压应力（C50混凝土为16.2MPa）为控制量时，顶板拉应力会完全超出允许值，所以对于实心板梁桥应避免在梁端采用直线预应力钢束。
（2）波形钢腹板桥梁由于腹板的弯折形成了褶皱效应，在抗弯承载力计算时可不考虑腹板的作用，相当于无腹板截面，因此设定：
则：
截面上缘应力：（7）
令高厚比
则截面上缘应力：（8）
截面下缘应力：（9）
一般梁断面，可得
（10）
（11）
以30m跨径的波形钢腹板梁为例，若
此时（12）
跨径进一步增大时，和进一步增大，梁端效应将更不明显。
由式（12）可看出，波形钢腹板不产生抗弯惯性矩，预应力施加在底板上时，顶板应力基本为0，底板应力相当于预应力直接施加在底板上，该特点使得波形钢腹板梁在大跨度装配式桥梁上应用底板束具有明显的优势，不会出现端部顶板拉应力过大的问题，即波形钢腹板梁能避免梁端效应的产生。这种独特的优势使得二次张拉底板预应力钢束成为可能。
Claims (2)
1.一种二次张拉预应力装配式波形钢腹板组合梁，包括由多个预制波形钢腹板梁梁体连接而成的组合梁；所述预制波形钢腹板梁梁体包括波形钢腹板，通过上、下连接件与所述波形钢腹板相连接的混凝土顶板和混凝土底板；所述混凝土顶板和混凝土底板的横向连接端分别设置有横向连接钢筋，所述混凝土顶板和混凝土底板内均衡布置有纵向连接钢筋；其特征在于：在所述混凝土底板内对称设置有一次张拉预应力孔道和二次张拉预应力孔道，其内分别穿设有一次张拉预应力钢束和二次张拉预应力钢束；施工时首先在预制场预制波形钢腹板梁梁体，并张拉一次预应力钢束；现场施工桥台或桥墩，安装临时支座；将预制好的波形钢腹板梁梁体运抵施工现场，利用吊装设备将所述预制梁梁体吊装至桥台或桥墩上的指定位置；绑扎或焊接相邻预制梁体顶、底板的横向连接钢筋，绑扎或焊接相邻预制梁梁体的纵向连接钢筋，然后浇注横梁和梁体之间的湿接缝，使主梁形成封闭的箱型断面和连续结构；待横梁和湿接缝的混凝土强度满足要求后，张拉混凝土底板中的二次预应力钢束，张拉墩顶负弯矩钢束，拆除临时支座，形成一跨简支梁或者多跨连续梁体系，结束施工。
2.权利要求1所述的二次张拉预应力装配式波形钢腹板组合梁，其特征在于：施工时首先在预制场预制波形钢腹板梁梁体，并张拉一次预应力钢束；现场施工桥台或桥墩，安装临时支座；将预制好的波形钢腹板梁梁体运抵施工现场，利用吊装设备将所述预制梁梁体吊装至桥台或桥墩上的指定位置；绑扎或焊接相邻预制梁梁体顶、底板的横向连接钢筋，浇筑相邻预制梁梁体之间的湿接缝，待湿接缝混凝土强度达到要求后，张拉预制梁梁体混凝土底板中的二次预应力钢束；然后绑扎或焊接相邻预制梁梁体的纵向连接钢筋，浇筑横梁，待横梁混凝土达到一定强度后，张拉墩顶负弯矩钢束，拆除临时支座，形成一跨简支梁或者多跨连续梁体系，结束施工。
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