于增明,鄭明萬,郝興臣,解 磊
(濟南市市政工程設(shè)計研究院(集團)有限責(zé)任公司,山東 濟南 250101)
預(yù)應(yīng)力混凝土分先張和后張兩種工藝,就工藝對比可知先張預(yù)應(yīng)力混凝土便于工廠化預(yù)制,具有施工周期短、工序簡潔、節(jié)省材料、維修養(yǎng)護工程量少、耐久性好等特點。先張梁與后張梁相比,雖然增加了預(yù)制場張拉臺座的工作量,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程中可能出現(xiàn)的堵孔、壓漿不密實、預(yù)應(yīng)力失控等影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量與耐久性的問題。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,隨著后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和耐久性問題逐漸暴露,先張法折線預(yù)應(yīng)力也逐漸開始試驗和制作。
我國鐵路部門為解決高原嚴(yán)寒地區(qū)橋梁耐久性問題在本世紀(jì)初于青藏鐵路建設(shè)中開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客運專線鐵路24 m、32 m簡支箱梁試制和試驗研究”項目,通過整孔先張簡支箱梁的試制和試驗,達到驗證設(shè)計、檢驗施工工藝、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)問題,并在河南驛宛高速公路淮河橋工程進行了應(yīng)用。
國外先張預(yù)應(yīng)力梁的應(yīng)用比較廣泛,如前蘇聯(lián)設(shè)計的先張預(yù)應(yīng)力梁定型設(shè)計跨經(jīng)為15.8~33.5 m,最大跨經(jīng)已達69.2 m;美國、德國、意大利、韓國等發(fā)達國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)。
總體來說,大跨度先張折線預(yù)應(yīng)力預(yù)制梁在國內(nèi)的應(yīng)用還處于起步階段,相關(guān)技術(shù)還不成熟,國內(nèi)大面積推廣應(yīng)用的較少。國內(nèi)已有的研究成果為研究開發(fā)大跨度折線配筋先張預(yù)應(yīng)力梁打下了基礎(chǔ)[1-3]。
折線配筋的轉(zhuǎn)向張拉需借施工時固定于臺座制作后埋置于混凝土中的轉(zhuǎn)向器來實現(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,同時保證施工的便易性,是轉(zhuǎn)向器設(shè)計的要點。
目前青藏鐵路、國外高速鐵路及河南省高速公路采用的轉(zhuǎn)向器見圖1~圖3。
青藏鐵路用的轉(zhuǎn)向器形式見圖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,本項目采用一種新的“ψ”型轉(zhuǎn)向器,見圖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:
(1)構(gòu)造簡單、各部件受力明確;
(2)鋼絞線定位準(zhǔn)確,避免張拉過程中滑移;
(3)鋼絞線分組多點彎起,更吻合混凝土結(jié)構(gòu)受力效應(yīng);
(4)材料用量少,費用較低,對混凝土結(jié)構(gòu)影響小;
(5)安裝、拆卸容易;
(6)可用于直腹板亦可用于斜腹板。
目前,常用的空心板及小箱梁結(jié)構(gòu),主要通過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行橫向傳力,見圖5、圖6。
圖5 空心板示意圖
圖6 小箱梁示意圖
其現(xiàn)場鋼筋連接較多,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、支座脫空等問題。
為解決以上問題,減少現(xiàn)場施工,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,見圖7。工字梁之間通過較厚的現(xiàn)澆混凝土橋面板及梁端橫梁作用進行橫向傳力。
圖7 先張折線工字梁示意圖
采用空間網(wǎng)格施加單位力法計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,計算出各梁跨中截面撓度值,然后按下式計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號梁跨中截面引起的第j號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)進行對比,見圖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,對梁的橫向分布系數(shù)影響較大,而工字梁的現(xiàn)澆層厚度從20 cm變?yōu)?5 cm時,對梁的橫向分布系數(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。
當(dāng)現(xiàn)澆層同為20 cm厚的30 m跨徑工字梁,對無橫隔板、有一道橫隔板及有三道橫隔板的情況進行對比,橫向分布系數(shù)的曲線見圖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無橫隔板的工字梁橫向分布系數(shù)最大;對于受力最不利的外側(cè)邊梁,設(shè)置橫隔板對其影響較小,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。
本文針對目前設(shè)置橫隔板的結(jié)構(gòu)形式進行對比分析,相對結(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進行對比。
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無橫隔板的工字梁橫向分布系數(shù)最大;但對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、簡化施工工序,縮短施工周期,具有較好的經(jīng)濟和社會效益。
本文研發(fā)了一種新型先張法折線預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向器,并對傳統(tǒng)的工字梁設(shè)計進行了改進優(yōu)化,對各片梁體進行了橫向分析,保證了梁體共同受力。
同時,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、工序簡潔、節(jié)省材料、維修養(yǎng)護工程量少、耐久性好等特點,能保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量與耐久性的問題,批量生產(chǎn)可減低工程造價,比較適合于成橋高架橋、高速鐵路等標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu),已在濟南市二環(huán)南路、工業(yè)北路等快速路工程中成功的進行了應(yīng)用。