先張法折線預(yù)應(yīng)力工字梁的關(guān)鍵技術(shù)及受力性能研究

于增明，鄭明萬(wàn)，郝興臣，解 磊

（濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101）

1 概述

預(yù)應(yīng)力混凝土分先張和后張兩種工藝，就工藝對(duì)比可知先張預(yù)應(yīng)力混凝土便于工廠化預(yù)制，具有施工周期短、工序簡(jiǎn)潔、節(jié)省材料、維修養(yǎng)護(hù)工程量少、耐久性好等特點(diǎn)。先張梁與后張梁相比，雖然增加了預(yù)制場(chǎng)張拉臺(tái)座的工作量，卻可以省去成孔、穿束、壓漿等工藝。更為重要的是，它完全避免了后張法施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的堵孔、壓漿不密實(shí)、預(yù)應(yīng)力失控等影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量與耐久性的問(wèn)題。傳統(tǒng)的先張法預(yù)應(yīng)力混凝土一般采用直線配束的形式，這種配束方式使得先張混凝土板梁的跨徑一般不大于20 m。近些年來(lái)，隨著后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和耐久性問(wèn)題逐漸暴露，先張法折線預(yù)應(yīng)力也逐漸開(kāi)始試驗(yàn)和制作。

我國(guó)鐵路部門(mén)為解決高原嚴(yán)寒地區(qū)橋梁耐久性問(wèn)題在本世紀(jì)初于青藏鐵路建設(shè)中開(kāi)始了折線配筋先張預(yù)應(yīng)力混凝土梁的研究與應(yīng)用，跨度為24 m，突破了先張梁跨度20 m以下的局限。繼而，合寧鐵路有限公司設(shè)立了“目標(biāo)200～250 km客運(yùn)專線鐵路24 m、32 m簡(jiǎn)支箱梁試制和試驗(yàn)研究”項(xiàng)目，通過(guò)整孔先張簡(jiǎn)支箱梁的試制和試驗(yàn)，達(dá)到驗(yàn)證設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)施工工藝、完善技術(shù)條件等目的。河南省高速公路建設(shè)發(fā)展有限公司按王用中設(shè)計(jì)大師的建議，以“公路工程折線配筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁的研究與應(yīng)用”為題開(kāi)展了研究，積極探索解決折線配筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁在公路工程中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并在河南驛宛高速公路淮河橋工程進(jìn)行了應(yīng)用。

國(guó)外先張預(yù)應(yīng)力梁的應(yīng)用比較廣泛，如前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的先張預(yù)應(yīng)力梁定型設(shè)計(jì)跨經(jīng)為15.8～33.5 m，最大跨經(jīng)已達(dá)69.2 m；美國(guó)、德國(guó)、意大利、韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在高速鐵路的橋梁建設(shè)中均采用折線配筋的先張預(yù)應(yīng)力梁結(jié)構(gòu)。

總體來(lái)說(shuō)，大跨度先張折線預(yù)應(yīng)力預(yù)制梁在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還處于起步階段，相關(guān)技術(shù)還不成熟，國(guó)內(nèi)大面積推廣應(yīng)用的較少。國(guó)內(nèi)已有的研究成果為研究開(kāi)發(fā)大跨度折線配筋先張預(yù)應(yīng)力梁打下了基礎(chǔ)[1-3]。

2 折線預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向器的選型

折線配筋的轉(zhuǎn)向張拉需借施工時(shí)固定于臺(tái)座制作后埋置于混凝土中的轉(zhuǎn)向器來(lái)實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)向器是先張法折線預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，如何減少應(yīng)力損失，避免應(yīng)力集中，同時(shí)保證施工的便易性，是轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

目前青藏鐵路、國(guó)外高速鐵路及河南省高速公路采用的轉(zhuǎn)向器見(jiàn)圖1～圖3。

青藏鐵路用的轉(zhuǎn)向器形式見(jiàn)圖1，這種彎起器通常稱為輥軸式轉(zhuǎn)向器，而如圖2所示臺(tái)灣高速鐵路所用的彎起器則稱為音叉式彎起器，不同之處僅在于彎起器與臺(tái)座底板的錨固裝置。圖3為河南驛宛高速公路淮河橋35 m跨小箱梁的鋼板式彎起器。

圖1 輥軸式轉(zhuǎn)向器

圖2 音叉式彎起器

圖3 鋼板式轉(zhuǎn)向器

上述轉(zhuǎn)向器處折線筋的應(yīng)力損失較大，轉(zhuǎn)向器構(gòu)造復(fù)雜，材料用量大，費(fèi)用也高，與混凝土的結(jié)合較差，較難大面積推廣應(yīng)用。

經(jīng)過(guò)研究比較分析，考慮梁體受力、折線預(yù)應(yīng)力的布置及施工的方便性，本項(xiàng)目采用一種新的“ψ”型轉(zhuǎn)向器，見(jiàn)圖4。

圖4 “ψ”型轉(zhuǎn)向器

與其他類型轉(zhuǎn)向器相比較，“ψ”型轉(zhuǎn)向器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）構(gòu)造簡(jiǎn)單、各部件受力明確；

（2）鋼絞線定位準(zhǔn)確，避免張拉過(guò)程中滑移；

（3）鋼絞線分組多點(diǎn)彎起，更吻合混凝土結(jié)構(gòu)受力效應(yīng)；

（4）材料用量少，費(fèi)用較低，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)影響??；

（5）安裝、拆卸容易；

（6）可用于直腹板亦可用于斜腹板。

3 工字梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，常用的空心板及小箱梁結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)鉸縫或者翼緣濕接縫、橫隔板以及8～10 cm混凝土橋面鋪裝作用進(jìn)行橫向傳力，見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 空心板示意圖

圖6 小箱梁示意圖

其現(xiàn)場(chǎng)鋼筋連接較多，綁扎量較大，施工難度較大，易造成橫隔板混凝土缺失鋼筋外露、橫隔板折線布置、濕接縫漏水、支座脫空等問(wèn)題。

為解決以上問(wèn)題，減少現(xiàn)場(chǎng)施工，提高結(jié)構(gòu)耐久性，本文提出一種先張法折線預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁結(jié)構(gòu)型式，見(jiàn)圖7。工字梁之間通過(guò)較厚的現(xiàn)澆混凝土橋面板及梁端橫梁作用進(jìn)行橫向傳力。

圖7 先張折線工字梁示意圖

4 工字梁橫向分析

采用空間網(wǎng)格施加單位力法計(jì)算橋梁橫向分布影響線，即分別在各梁跨中截面施加方向朝下的集中力，計(jì)算出各梁跨中截面撓度值，然后按下式計(jì)算橫橋向各梁位置處的影響線坐標(biāo)。

式中：ηij為橫橋向各梁位置處的影響線坐標(biāo)值；fij為單位力Pi作用于第i號(hào)梁跨中截面引起的第j號(hào)梁該截面位置處的撓度值。

本文以目前城市高架橋常用的25.5 m橋?qū)挒槔?，布?1片梁，見(jiàn)圖8。將現(xiàn)澆層分別為15 cm、20 cm、25 cm厚的30 m跨徑工字梁橋的跨中彎矩橫向分布系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖9。

圖8 高架橋工字梁橫向布置（單位：cm）

圖9 不同現(xiàn)澆層厚度的各梁跨中橫向分布系數(shù)

由圖9可知，整體規(guī)律為先張工字梁橋的現(xiàn)澆層厚度越大，其橫向分布系數(shù)整體越小，梁的整體性越好；外側(cè)邊梁受力最不利，但和其它中梁相差并不顯著，各工字梁橫向分布系數(shù)比較均勻。工字梁的現(xiàn)澆層厚度從15 cm變?yōu)?0 cm時(shí)，對(duì)梁的橫向分布系數(shù)影響較大，而工字梁的現(xiàn)澆層厚度從20 cm變?yōu)?5 cm時(shí)，對(duì)梁的橫向分布系數(shù)影響較小。因此，先張工字梁的現(xiàn)澆層厚度選20 cm厚，既能保證梁的橫向受力分布與整體性，有節(jié)約混凝土用量，適當(dāng)降低工程造價(jià)。

當(dāng)現(xiàn)澆層同為20 cm厚的30 m跨徑工字梁，對(duì)無(wú)橫隔板、有一道橫隔板及有三道橫隔板的情況進(jìn)行對(duì)比，橫向分布系數(shù)的曲線見(jiàn)圖10。

圖10 不同橫隔板設(shè)置的各梁跨中橫向分布系數(shù)

由圖10可知，整體規(guī)律為具有三道橫隔板的先張工字梁其橫向分布系數(shù)最小，整體性最好，20 cm無(wú)橫隔板的工字梁橫向分布系數(shù)最大；對(duì)于受力最不利的外側(cè)邊梁，設(shè)置橫隔板對(duì)其影響較小，受力并未得到很大改善。因此，20 cm厚現(xiàn)澆層的先張工字梁可不設(shè)置橫隔板。

本文針對(duì)目前設(shè)置橫隔板的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行對(duì)比分析，相對(duì)結(jié)構(gòu)形式為10 cm厚的現(xiàn)澆層，跨中有一道或者三道橫隔板時(shí)進(jìn)行對(duì)比。

由圖11可知，整體規(guī)律為具有三道橫隔板、現(xiàn)澆層為10 cm的先張工字梁其橫向分布系數(shù)最小，整體性最好，20 cm無(wú)橫隔板的工字梁橫向分布系數(shù)最大；但對(duì)于受力最不利的外側(cè)邊梁，三者的橫向分布系數(shù)幾乎相同。

圖11 相對(duì)10 cm現(xiàn)澆層不同橫隔板設(shè)置的各梁跨中橫向分布系數(shù)

綜上所述，本文確定先張工字梁結(jié)構(gòu)形式選用現(xiàn)澆層為20 cm厚，跨中不設(shè)置橫隔板，既保證了梁的橫向整體性，具有良好的受力性能，又能降低造價(jià)、簡(jiǎn)化施工工序，縮短施工周期，具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研發(fā)了一種新型先張法折線預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向器，并對(duì)傳統(tǒng)的工字梁設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，對(duì)各片梁體進(jìn)行了橫向分析，保證了梁體共同受力。

同時(shí)，先張折線預(yù)應(yīng)力工字梁便于工廠化預(yù)制，具有施工周期短、工序簡(jiǎn)潔、節(jié)省材料、維修養(yǎng)護(hù)工程量少、耐久性好等特點(diǎn)，能保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量與耐久性的問(wèn)題，批量生產(chǎn)可減低工程造價(jià)，比較適合于成橋高架橋、高速鐵路等標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)，已在濟(jì)南市二環(huán)南路、工業(yè)北路等快速路工程中成功的進(jìn)行了應(yīng)用。