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）

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]。

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。

3 工字梁優(yōu)化設(shè)計

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

4 工字梁橫向分析

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。

5 結(jié)語

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。