摘要：作者依據預彎複合樑原理研製出一種新的預應力砼樑——預彎應務鋼筋砼樑（以下簡記為PFRC樑，中國專利號Z942272220103），該橋基於普通鋼筋砼樑的施工方式，經過預載入條件下，二次優做受拉邊砼的技術處理來達到預應力效果。本文簡述了PFRC樑的製作工藝及原理，介紹了實驗研究結果及其在三跨連續橋（四川省各山縣民生橋）的應用情況及效益分析。
關鍵詞：預應力新技術連續樑橋試驗研究應用效益
１引言
預應力砼結構較普通鋼筋筋結構不僅用料省，且使用效能好，但其施瓜工藝複雜，技術要求甚高，在一定程度上阻礙了預應力的進一步發展和推廣應用。為簡化預應力砼的施工工藝人們曾進行多方面的努力，預彎複合樑[1]即是其中之一，該樑既具有預應力樑良好的使用效能，又省去了常規預應力所必須的留孔、穿索、張拉、錨固、壓漿、封錨等一整套工序，施工工充得到簡化，但其用鋼量卻急刪增加，以致在大多數國家和地區難以推廣應用。可見，現有的預應力砼結構左良好的使用效能、用料的經濟性及施工的簡易性三方面並未達到完美的統一，尚需我們做出不斷的努力，為此周志詳副教授提出預彎預應力鋼筋砼（以下簡記為PFRC）樑的設想，並在三跨連續樑橋上進行應用研究，以期求得一種更合理和經濟的結構及預應力施工工藝。
２PFRC樑的工藝及原理
現以簡支樑為例，說明PFRC樑的施工工藝及預應力原理：
（1）按鋼筋砼樑方式製作，具有適當預拱度的樑體，與鋼筋砼樑所不同的是PFRC樑受拉主筋宜採用冷拉粗鋼筋，並需在樑的受拉邊可能出現裂縫凶區域設定預留槽口該區段內的主筋淨保護層厚度取為箍筋的直徑。
（2）對許樑施加預定的豎向荷載ｐ，此時，在預留槽口的頂端會出現裂縫。
（3）綁紮受拉邊翼緣的構造鋼筋（注意插入式馬蹄箍筋應通過預留槽口插入先澆樑體內澆注該翼緣的砼）。
（4）待後澆受拉邊翼緣砼達到強度後，卸除預加荷載Ｐ。
現依據容許應力法理論對樑在上述預載入和解除安裝過程中跨中截面應力的變化
分析如下。
對設有預留糟口的鋼筋砼樑作預載入時的計算截面及應力分佈，此時樑的受拉力已開裂（預留槽口的存在即人為地規定了裂縫出現的位置及間距），受拉區僅計入主筋的作用。若換算截面對其重心軸的慣性距為I01，則在預加荷載彎矩MY的作用下上緣砼的壓應力σh1和受拉鋼筋的`應力σg1分別為：
σh1=MYX1/I01（壓）
σg1=nMY(h-X1)/I01（拉）
式中n表示鋼筋彈性模量與砼彈性模量之比，X1為上緣至中性軸的距離。
在後澆下翼緣砼到強度後，卸除預加荷載ｐ相當於樑施加了反向的預載入ｐ，因此跨中截面受到了負彎矩MY的作用，此時樑的下半部分後澆下罷緣砼將參與受力，其計算載面及應力分佈，設換算截面對其重心軸的性矩這I02，則樑緣上下邊緣砼的應力σh2、σh3和鋼筋的應力σg2分別為：
h2=MYX2/I02（拉）
σh3=nMY(h-X2)/I02（壓）
σg2=nMY(h0-X2)/I02（壓）
式中X2為上緣到中性軸的距離。
樑截面的實際應力分佈為單獨考慮預載入和卸除預載入兩種情況載面應力的迭加，幫樑的上、下邊緣砼應力σhs和σhx及主筋應力σg分別為：
σhs=σh1-σh2=MY(X1/I01-X2/I02)（壓）（１）
σhs=σh3=MY(h-X2)/I02（壓）（２）
σg=σg1-σg2=nMY[(h0-X1)/I01-(h0-X2)/I02]（拉）（３）
若樑在使用荷載作用下所受到的彎矩為Ｍ，則樑上、下邊緣礆的應力分別為：
σhs=MY(X1/I01-X2/I02)+MX2/I02（４）
σhs=(MY-M)(h-X2)/I02（５）
由（5）式可見樑在不大於預０加荷載彎上MY，的作用下，其後澆下翼緣砼內不出現拉應，（暫不計砼收縮，徐變及鋼筋鬆馳的影響），即該樑的下翼緣右以具有足夠大的抗裂度，故樑，主筋得到可靠的保護，在使用荷載作用下樑截面的抗彎剛度因下翼緣砼參與工作而得到顯著提高，其計算剛度與同截面的常規預應力砼樑相差元幾，該樑的樑腹雖然尚存裂縫，但這些，縫並不穿過樑內受力鋼筋（受拉主筋和箍筋）且不影響結構的受力狀況，從鋼筋砼的觀點看，念些裂縫是允許存在的。
由此可見PFRC樑是通過在鋼筋砼樑受載條件下二次澆注受拉邊翼緣砼來代替常規預應力砼中的張拉鋼盤，使後澆翼緣砼藉助解除安裝時樑內主筋的彈性恢復獲得所需要的預應力。為此，在先澆樑體的受拉邊設看預留槽口是十分必要的，它具有如下凡個作用：①充當新、舊砼結合介面的剪力槽；②人為地控制荷載下裂縫出現的位置及間距，③便於後澆翼緣的插入式馬蹄箍伸人先澆樑體內，進一步保證新、舊砼結合的整體性；④確保受控邊翼緣範圍內封無原發裂紋存在，使整個翼緣都受到應力的作用。
３試驗研究簡況
３.１試驗樑的製作
第一批試驗樑共５片，用於短期靜載試驗，其中４片為PFRC樑，餘下的一片為與之比較，鋼筋砼樑（一次澆成，不作預載入處理），編號為RCL10-00.0。在PFRC先澆粱體中，以高5cm，厚２-３cm的楔形木板形成預留槽口，在預載入條件下４片PF樑的純彎段及其附近區域內每一個預留槽口的頂端都對應有一條裂縫（其寬度＜0.04cm），在兩相鄰預留槽口之間未發現新的裂縫產生，表明預留槽口達到了人為控制裂縫出現的位置及間距的目的，對樑下緣砼表面進行打毛後邦扎受拉翼緣構造鋼筋（縱筋和插入式馬蹄箍箭），用高流動性普通水泥砼（坍度為10cm）灌注受拉翼緣砼，並對此砼加強養護、直到卸除預載入時均未發現後澆砼表面有收縮裂縫產生。
３．２試驗方法
本次試驗的目的在於考查琅樑通過預載入條件下二次澆注受校邊翼緣砼的處理，是否能夠達到推遲開裂和提高粱的抗彎剛度效果，為此開裂荷載和樑的變形成為試驗觀測的重要內容。同時考慮到工程實踐中多數結構都承受迴圈荷載的作用，故首先對每梧樑進行三次靜力迴圈載入試驗，藉以獲取一些樑在多次重複荷載下的試驗資料，之後即對樑繼續載入至破壞。
３.３樑的開裂
５片試驗樑的第一條裂縫均為彎曲裂縫。PCL10-0.0在第一靜載的第２.５級荷載下即在跨中下緣位置產生第一條裂縫。其寬度為0.01mm，高度為３cm，其餘各樑（PFRC樑）的下翼緣在前二次靜力載入、解除安裝的過程中均未發現裂縫，第一條裂縫均在第三次載入下產生，其寬度為0.02-0.03mm，高度２-３cm，試驗表明，PF樑下翼緣第一條裂縫出現的位置與先澆樑體預留槽口的位置並無必然的聯絡。不難得到PFRC樑的抗裂彎Mf為：
Mf=My+rR1Wox（６）
其中：My為預載入產生的彎矩；r為塑性影響係數；Wox為扣除樑腹已裂部分的換算截面對受控邊緣的抵抗矩；R1為下緣礆的抗拉強度。試驗表明，樑的實測抗裂變矩與按（6）式得到的計算相吻合，從而在理論和試驗兩方面都證實了：通過預載入條件下二次澆注受拉邊翼緣砼的處理後的樑，可以推遲受控翼緣砼的開裂至希望程度。
３．４粱的撓度
PCL樑在第一次靜力載入後的殘餘撓度數值因故未獲得，在第二次靜載後測得殘餘撓度為0.18cm（不包含第一次靜載後殘餘撓度），據結構承受靜力迴圈荷載的一般規律可以推知，其第—次靜載後的殘餘撓度將大於0.18cm，該樑在第二次靜載時各級荷載的撓度較第一次靜載時對應的撓度值有大幅度的增加，第三次靜載的撓度亦大於第一次撓度，說明該樑的彈性恢復能力較差，此為RC樑的一大缺點，而４根PF粱在第一次靜載後的殘餘撓度均在0.10-0.08cm，第二次解除安裝至０後幾乎未發現新的殘餘撓度產生。且三次靜載下各級荷載對應的撓度無明顯差異，表明PF樑在下翼緣開裂前具有較強的彈性恢復能力，即具有常規預應力砼樑的特點。
綜上所述，PFRC不僅具有較強的彈性恢復能力，而且具有足夠大的剛度，保持了常規預應力礆樑的優越性，且避免了常規預應力砼粱因預應力度過大而引起的一些矛盾。
３.５長期受載情況
在靜載試驗的同期，還做了２片樑的室外長期載入試驗，樑的截面同靜載試驗樑，主筋為冷拔鋼絲，所受荷載為該樑預計使用荷載的75％（相當於橋樑恆載），經長達—年的長期觀測表明，樑的撓度和腹部裂縫寬度元明顯變化，樑的下翼緣未發現裂縫。
４PFRC在連續樑橋中的應用
４.１橋樑概況
民生橋位於四川省名山縣城中心，為跨越名山河連線兩岸主街道的城市橋樑，橋寬20m，橋軸線與河床軸線的交角為45°，主樑全長61m，設計荷載為-20，掛-100，人群400km/m2。原設計上部結構為３跨20m跨徑的後張預應力砼簡支斜樑嬌，橋樑橫斷面由12片Ｔ形樑構成，下部構造為重力式墩臺。
４.２結構設計
經綜合考慮用材的經濟性，施工的簡易性及良好的使用性，本橋更改為三跨連續斜粱橋，橋樑橫斷面由４片現澆砼Ｔ型樑構成，主樑間距380cm，高130cm。
設計中著意減小了主粱彎矩粱段的剛度，增大了負彎短樑的剛度，從而減小了正彎矩粱段的長度及彎矩峰值，增大了負彎矩粱段的長度及彎矩峰值，故在正彎矩樑段按普通鋼筋砼粱設計，避免了在下翼緣進行二次澆注砼，在負彎矩樑段按PFRC粱設計，預應力鋼筋採用冷拉Ⅳ級鋼筋，預載入下需在主樑頂面進行的二次澆注砼可與橋面鋪裝同期進行，施工工序與普通鋼筋砼相近，卻節省了大量鋼材並增加了橋樑的使用效能。
主樑內力分析採用橋粱專用程式計算，正彎矩樑段按普通鋼筋砼樑（RC樑）設計，負彎矩樑按PFRC樑設計，其極限承載力滿足規範的要求，樑在施工及使用階段的應力驗算滿足《橋規》的要求，預載入階段的計算截面為扣除受拉區砼面積的換算截面，卸除預載入及其以後的使用階段的計算截面為扣除樑腹己裂部分砼面積（計人後澆砼面積）的換算截面。主樑斜截項按普通鋼筋砼樑進行強度設計。
４.３施工要點
為減少旋工費用，避免大型起吊裝置的使用，本橋主樑擬定為就地支架立模現澆砼，其主要步驟如下：
（1）支架立模澆注主樑及RC樑段的橋道板砼；
（2）待主樑砼達到14d齡期和80％的設計強度後拆除支架；
（3）安裝人行道板及澆注RC樑段的橋面鋪裝；
（4）對橋進行預載入；
（5）用微膨脹砼澆注PFRC樑段的橋道板和橋面料裝砼，要求灌滿全部預留槽口，
（6）待砼達14d齡期後，卸除預加荷載，該橋於1995年12月18日建成通車。
５效益分析
目前國內外常用的預應力砼有兩種，即常規預應力砼樑（簡記為TPC；通過張拉綱筋使砼獲得所需的預應力）和預彎複合樑（簡記為PFRC；藉助受載後的鋼樑在解除安裝時的彈性恢復並獲得砼所需的預應力）。
PFRC樑較TPC樑簡化了施工工藝，省去了TPC所必須的留孔、穿索、錨固、灌漿、封錨等一系列複雜的工藝，且不用張拉機具，降低了施工技術要求，無需錨具及錨下墊板和區域性加強鋼筋，受拉主箭可根據強度要求在適當的位置切斷，放可節省材料：PFRC中砼所獲得的預應力與樑抵抗外荷載所需的預應力的分佈及大小相吻合，其預載入方式與使用階段樑受載情況一致，預載入過程即對樑進行一次質量檢驗，故受力合理，使用安全。
與PFSC相比PFRC用鋼量顯著減少，施工更為簡便，適用性廣。
在名山民生橋應用PFRC技術，與原設計常規預應力砼樑相比，節省XM157-7型鋼絞線群錨240套，φ65波紋管2500m，省去了張拉裝置，簡化了施工工藝，全橋所需人工減少2953個工日，因採用連續樑橋減小了支座數量，使橋樑墩臺圬工數量減少約670m3，總計使橋樑造價降低38萬元，佔全橋總造價的21.6％。連續樑橋方案在樑高不變的條件下增大了主孔跨徑，利於排洪和與環境的協調，具有明顯的社會效益。
６結論
（1）試驗研究和理論分析表明：PFRC樑通過預加豎向荷載條件下後澆受拉力翼緣砼的工藝處理後、能夠達提高梁的正截面抗裂度和抗彎剛度之目的，且較常規應力砼樑施工簡便，受力合理，較預複合樑節省鋼材，故PFRC技術是合理可行的。
（2）PFRC樑不僅在名山縣民生橋三跨連續樑上得到成功應用，而且在四川德陽旌湖大橋和永川市通興橋上也成功應用，表明其在工程實踐中切實可行，並取得明顯的技術經濟效益。
（3）PFRC樑在設計理論和施工工藝方面尚有待於進一步的研究和完善。