装配式预应力混凝土简支梁桥的构造与设计

3.3 装配式预应力混凝土简支梁桥的构造与设计装配式钢筋混凝土简支梁桥，常用的经济合理跨径在20m 以下。

跨径增大时，不但钢材耗量大，而且混凝土开裂现象也往往比较严重，影响结构的耐久性。

为了提高简支梁的跨越能力，可采用预应力混凝土结构。

目前，世界上预应力混凝土简支梁的最大跨径已达76m。

但是，根据建桥实践，当跨径超过50m 后，不但结构笨重，施工困难，经济性也较差。

因此，我国桥规明确指出：预应力混凝土简支梁桥的标准跨径不宜大于50m。

3.3.1 横截面设计1．横截面形式装配式预应力混凝土简支梁桥的横截面类型基本上与钢筋混凝土梁桥类似，通常也做成T 形、I 形，但为了方便布置预应力束筋和满足锚头布置的需要，下部一般都设有马蹄或加宽的下缘(见图3.15b、c)。

有时为了提高单梁的抗扭刚度并减小截面尺寸，也采用箱形(见图3.15d)。

图3.26 横向分段装配式梁 由于采用预应力筋施加预压力，可以提供方便的接头形式，为了使装配式梁的预制块件进一步减小尺寸和重量，还可做成横向也分段预制的串联梁(如图3.26)。

但由于串联梁施工麻烦，构件预制精度要求高，在国内使用较少。

2．主梁布置经济分析表明，对于跨径较大的预应力混凝土简支梁桥，当吊装重量不受限制时，采用较大的主梁间距比较合理，一般可采用1.8～2.5m。

3．截面尺寸(1)截面效率指标为了合理设计预应力混凝土梁的截面尺寸，首先分析其截面的受力特点。

截面特征如图3.27所示： 在预加力阶段和运营阶段，预应力混凝土梁截面承受双向弯矩。

在预加力阶段，施加了偏心预加力，在预加力和自重弯矩的共同作用下，合力相当作用于截面的下核点（截面上缘应力为零）（如图3.28a）；在运营阶段，若计及预应力损失△，截面内合力为y N 1g M y N y N y y y N N N ∆−=′，则在结构附 加重力(桥面铺装、人行道、栏杆)弯矩和汽车与人群荷 图3.27 界面特征 2g M 图3.27截面特征载弯矩作用下，合力将从下核点移至上核点（截面下缘应力为零），即移动了p M y N ′x s k k K +=的距离（如图3.28b），则有：1'g y M e N = （3.1）()()p g x s y y M M k k N N +=+∆−2 （3.2）图3.28预应力混凝土简支梁的应力状态式中：——预应力筋距截面下核心的偏心矩；'e x s k k 、——截面上、下核心距。

①由式(3.1)可见，偏心距实际上起到了无偿抵消主梁自重的作用。

采用形心较高的截面，可以加大偏心距，从而节约预应力筋的数量。

'e 'e ②式(3.2)表明，截面核心距的大小体现了运营阶段承受荷载的能力，而且核心距K 愈大预应力筋就愈节省。

排除截面梁高h 的影响，可用截面效率指标h K =ρ 表示，故应使ρ尽可能大。

显然，截面形式不同将影响到截面形心位置和截面效率指标的大小。

从经济性考虑，通常希望ρ值在0.45～0.5以上。

实际上，对跨径较大的预应力混凝土简支梁，适当加大翼缘宽度，增加梁的间距，可以提高截面效率指标ρ。

（2）主梁高度预应力混凝土简支梁桥的主梁高度取决于采用的汽车荷载等级、主梁间距及建筑高度等因素，可在较大范围内变化。

对于常用的等截面简支梁，其高跨比的取值范围在1/15～1/25，一般随跨径增大而取较小值，随梁数减少而取较大值，对预应力混凝土T 形梁一般可取1/16～1/18左右。

当桥梁建筑高度不受限制时，采用较大的梁高显然是较经济的，因为加高腹板使混凝土用量增加不多，而节省预应力筋数量较多。

⑶其他细部尺寸在预应力混凝土梁中，由于混凝土所受预应力和预应力束筋弯起，能抵消荷载剪力的作用，肋中的主拉应力较小，肋宽一般都由构造和施工要求决定，但不小于160mm。

标准设计中肋宽为140～160mm。

T 梁上翼缘的厚度按钢筋混凝土梁桥同样的原则来确定。

为了减小翼板和梁肋连接处的局部应力集中和便于脱模，在该处一般还设置折线形承托或圆角，此时承托的加厚部分应计算在内。

T梁下缘的马蹄尺寸应满足预加力阶段的强度要求，同时，从截面效率指标ρ分析，马蹄应当是越宽而矮越经济。

马蹄的具体形状要根据预应力束筋的数量和排列方式确定，同时还应考虑施工方便和力筋弯起的要求。

具体尺寸建议如下：①马蹄宽度约为肋宽的2～4倍，并注意马蹄部分(特别是斜坡区)的管道保护层不宜小于60mm。

②马蹄全宽部分的高度加1/2斜坡区高度约为梁高的0.15～O.20倍，斜坡宜陡于45o。

为了配合预应力筋的起弯，在梁端能布置锚具和安放张拉千斤顶，在靠近支点附近马蹄部分应逐渐加高，腹板也应加厚至与马蹄同宽，加宽的范围最好达到一倍梁高(离锚固端)左右，从而形成了沿纵向腹板厚度和马蹄高度都变化的变截面T梁。

标准设计中，一般采用自第一道内横隔梁向梁端逐渐变化的形式。

4．横隔梁布置沿纵向的横隔梁布置基本上与钢筋混凝土梁桥相同，但中横隔梁应延伸至马蹄的加宽处。

当主梁跨度大、梁较高的情况下，为了减小重量而往往将横隔梁的中部挖空。

3.3.2配筋构造预应力混凝土梁内的配筋，除主要的纵向预应力筋外，尚有非预应力纵向受力钢筋、架立钢筋、箍筋、水平分布钢筋、承受局部应力的钢筋（如锚固端加强钢筋网）和其他构造钢筋等。

1．纵向预应力筋的布置预应力混凝土简支T梁桥，通常采用后张法施工，根据简支梁的受力特点通常采用曲线配筋的形式，其常用的布置方式有图3.29中所示的两种。

全部主筋直线布置的形式，仅适用于先张法施工的小跨径梁。

预应力筋一般都采用图3.29a所示全部弯至梁端锚固的布置形式，这样布置可使张拉操作简便，预应力筋的弯起角度不大(一般都小于20o的限值)，对减小摩阻损失有利。

对于钢束根数较多或当梁高受到限制，以致梁端不能锚固全部钢束时，可将一部分预应力筋弯出梁顶(图3.29b)。

这样的布置方式使张拉操作稍趋繁琐，使预应力筋的弯起角度增大(达25o～30 o)，摩阻引起的预应力损失也随之增大。

图3.29预应力混凝土简支梁纵向预应力筋的布置（尺寸单位：m）预应力筋在梁内的具体位置可以利用索界的概念来确定。

以部分预应力截面为例，根据使其上、下缘容许出现不大于规定拉应力的原则，可以按照在最小外荷载（即张拉阶段承受预加力和结构自重弯矩）作用下和最大荷载（即运营阶段承受的预加力以及荷载短期效应组合或荷载长期效应组合弯矩y N 1g M 'y N ∑=M 1g M ++，其中和分别为后期恒载和活载弯矩）作用下两种情况，分别确定Ny 在各个截面上偏心距的极限值。

由此可绘出如图3.30所示的两条曲线。

只要使预应力钢索的重心位置位于这两条曲线所围成的区域内（即索界内），就能保证梁的任何截面在各个受力阶段上、下缘应力均不超过规定值。

显然，在实际布置时还要满足混凝土规定保护层的要求。

2g M p M 2g M pM 图3.30 索界图 另外，从图3.30中还可看出，由于简支梁弯矩向梁端逐渐减小，故索界的上下限也逐渐上移，这就是必须将大部分预应力筋向梁端逐渐弯起的重要原因之一。

预应力筋弯起的曲线形状可以采用圆弧线、抛物线或悬链线三种形式。

在矢跨比较小的情况下，这三种曲线的坐标值很接近，工程中通常采用在梁中部保持一段水平直线后按圆弧弯起的做法。

预应力钢束弯起的曲率半径，应符合下列规定：对钢丝束、钢绞线，d≤5mm（d 为钢丝直径）时，不小于4m；d>5mm 时，不小于6m；对精轧螺纹钢筋，D≤25mm（D 为钢筋直径）时，不小于12m；D>25mm 时，不小于15m。

图3.31横截面内钢筋布置 30mm 20mm 40mm 40mm 30mm20mm 预应力筋在跨中横截面内的布置，应在保证梁底保护层和位于索界内的前提下，尽量使其重心靠下，以增大预应力的偏心距，节省高强钢材。

预应力筋在满足构造要求的同时，尽量相互靠拢，以减小下马蹄的尺寸，减小梁体自重。

直线管道的净距不应小于40mm ，并不小于管道直径的0.6倍。

此外还应将适当数量的预应力筋布置在腹板中线处，以便于弯起。

直线形管道保护层厚度应满足表3.1的要求，对曲线形管道，其曲线平面内側受曲线预应力钢筋的挤压，混凝土保护层在曲线平面内和平面外均受剪，梁底面保护层和侧面保护层均需加厚，其值应依据《桥规》计算确定。

横截面内预应力筋的布置如图3.31所示，d 为管道的内直径，应比预应力筋直径至少大lOmm。

2．纵向预应力筋的锚固预应力筋的锚固分两种情形：在先张法梁中，钢丝或钢筋主要靠混凝土的握裹力锚固在梁体内；在后张法梁中，则通过各类锚具锚固在梁端或梁顶。

此处仅介绍后张法的锚固：在后张法锚固构造中，锚具底部对混凝土作用着很大的压力，而直接承压的面积不大，应力非常集中。

在锚具附近不仅有很大的压应力，还有很大的拉应力。

因此，锚具在梁端的布置必须遵循一定的原则：（1）锚具的布置应尽量减小局部应力。

一般地，集中、过大的锚具不如分散、小型的有利。

（2）锚具应在梁端对称于竖轴布置，以免产生过大的横向不平衡弯矩。

（3）锚具之间应留有足够的净距，以便能安装张拉设备，方便施工作业。

为了防止锚具附近混凝土出现裂缝，还必须配置足够的间接钢筋（包括加强钢筋网和螺旋筋）予以加强。

间接钢筋应根据局部抗压承载力计算确定，配置加强钢筋网的范围一般是一倍于梁高的区域。

另外，锚具下还应设置厚度不小于16mm 的钢垫板，以扩大承载面积，减小混凝土应力。

图3.32为梁端锚固区的配筋构造示例。

图3.32梁端的垫板和加强钢筋网图3.33预制钢筋混凝土端板和叉形钢筋网 （尺寸单位：cm ）也可以采用带有预埋锚具的预制钢筋混凝土端板来锚固预应力筋，如图3.33所示。

此时除了加强钢筋骨架外，锚具下设置两层叉形钢筋网，施工起来也比较方便。

目前用于预应力钢绞线的锚具（如OVM 锚）已包括了钢垫板和螺旋筋在内的整套抵抗锚固区局部承压所需要的加强措施，故不需要再配置上述的加强钢筋。

施加预应力之后，应在锚具周围设置构造钢筋与梁体连接，并浇筑混凝土封锚，以保护锚具不致锈蚀。

封锚混凝土的强度等级不应低于构件本身混凝土强度等级的80%，且不低于C30。

3．其他钢筋的布置预应力混凝土梁与钢筋混凝土梁一样，要按规定的构造要求布置箍筋、架立钢筋和纵向水平分布钢筋等。

由于弯起的预应力筋对梁肋混凝土提供了预剪力，主拉应力较小，一般可不设斜筋。

另外，预应力混凝土梁还要设置其他的非预应力钢筋。

（1）箍筋的配置预应力混凝土T 形梁的腹板内应设置直径不小于10mm 的箍筋，且采用带肋钢筋，间距不大于250mm；自支座中心起长度不小于一倍梁高范围内，应采用闭合式箍筋，间距不大于100mm，用来加强梁端承受局部应力。

纵向预应力筋集中布置在下缘的马蹄部分，该部分的混凝土承受很大的压应力，因此，必须另外设置直径不小于8mm 的闭合式加强箍筋，其间距不大于200mm(见图3.31)。