哈大客運專線56 m簡支箱梁預應力鋼束布置及梁端應力分析

趙 磊，邵 銘

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142;2.天津泰達濱海站建設開發有限公司，天津 300457)

1 概述

預應力混凝土簡支箱梁具有很好的整體豎向、橫向及扭轉剛度，能夠很好地適應客運專線高速行車的安全性、舒適性要求，有利于減小下部結構尺寸，結構形式美觀。目前，大跨度預應力混凝土簡支箱梁受到運架設備能力的限制，在國內外鐵路客運專線橋梁建設中應用不多［1]。雙線無砟軌道56 m預應力混凝土簡支箱梁為目前國內客運專線鐵路建設中采用的最大簡支梁跨度，其首次被成功應用到哈大客運專線鐵路工程中，在預應力應用技術方面取得很大的進步并收到了良好的經濟效益。結合哈大客運專線56 m預應力簡支箱梁預應力鋼束布置方案比選及鋼束布置對梁端應力分布影響的研究，探討客運專線大跨度預應力混凝土簡支箱梁設計時應注意的幾個問題，為今后客運專線橋梁設計提供參考。

2 預應力鋼束布置方案比選

哈大客運專線56 m簡支箱梁采用的是移動模架造橋機施工，為滿足移動模架造橋機連續施工的工藝特點，對箱梁縱向預應力鋼束布置進行了多種設計方案的比選與優化，下面列舉3種典型方案簡要說明，其中包含1種推薦方案、2種比較方案。

推薦方案:在梁端開槽兩端對稱張拉腹板及底板鋼束，待相鄰孔梁施工完畢，澆筑封錨混凝土，如圖1所示。

圖1 推薦方案梁端錨固區鋼束布置

比較方案一:大部分腹板預應力鋼束張拉端設置在箱梁頂面，頂板開設張拉槽，兩端對稱張拉;剩余腹板鋼束起彎到腹板內側，對稱交錯單端張拉(相臨梁跨腹板開槽);底板預應力鋼束張拉端設在箱內底板頂面，緊靠腹板設鋸齒塊，對稱交錯單端張拉。如圖2所示。

比較方案二:鋼束布置形式與推薦方案相同。不同的是腹板中的所有鋼束均于梁的一側腹板內單端張拉。即梁的后端為非張拉固定端，梁的前端為張拉端。

3種方案的優缺點對比如表1所示。

圖2 比較方案一預應力鋼束布置示意

表1 56 m簡支箱梁預應力鋼束布置方案比較

經過比選，推薦方案的鋼束布置形式緊湊經濟、傳力途徑簡潔、工期優勢明顯，具有很大的綜合優勢，被列為首選方案，在工程建設中予以采納實施。

3 梁端有限元計算結果與分析

哈大客運專線56 m簡支箱梁梁體縱向鋼束張拉工藝為雙端張拉。由于梁跨較大，大批的大噸位鋼束集中在梁端進行錨固，使得梁端局部區域在錨下集中荷載、大噸位支座反力共同作用下受力十分復雜。在一些應力集中部位會出現混凝土應力過大，甚至有可能在這些部位產生裂縫，更有甚者在局部區域發生混凝土壓碎，威脅梁的使用性能。

本次研究利用有限元分析程序Ansys建立梁端等尺寸模型，混凝土單元采用Solid65單元;預應力鋼束單元采用link8單元。考慮到箱梁預應力束的設計和空間布置形式使梁在各種荷載作用下其內部各部位的應力變得相當復雜，在模型中混凝土和鋼束采用分離式建模，通過節點耦合方式實現預應力鋼束與混凝土之間的粘結作用，不考慮鋼束與周圍混凝土的相對滑移。梁端實體模型包括:封錨段，端橫隔板，梁端變截面段，梁跨等截面段。

模型邊界條件取約束支座處箱梁底節點3個方向的位移自由度。對于箱梁剖面端用等效彈簧剛度代替梁的變形剛度，選用combin14單元模擬截面處的約束［2-5]。分析中主要考慮自重荷載和預應力荷載共同作用工況下梁端的應力集中情況。

建模完成后對模型求解，求解得出如下結論:

由圖3可知，支座附近箱梁底板產生2.0 MPa左右拉應力，此處產生拉應力一方面由于在梁端附近箱梁底板部分預應力鋼束向上起彎錨固，使底板底面壓應力減小;另一方面由于在支座位置處作用集中力，由于集中力擴散不均勻使支座周圍部分區域受拉。鑒于以上情況產生的拉應力不大，可以通過在箱梁底板下部對應支座位置處預埋幾層鋼筋網片的辦法改善局部拉應力集中問題。

圖3 支座對應位置箱梁縱向正應力圖

由圖4可知，支座處橫隔板頂板及腹板與底板相交倒角處橫向正應力為拉應力，橫向拉應力沿梁體縱向變化為靠近張拉端側拉應力大于靠近跨中側拉應力，拉應力最大值為2.5 MPa。分析該處產生如此大的拉應力主要由于，箱梁端部頂板、端隔板就橫向受力模式來說，類似于承受均布荷載的簡支梁。由于兩腹板強大的預壓應力最終將傳遞至全截面，也就是說，此預壓力是由端橫梁之后的腹板、頂板、底板的反向作用來共同平衡的。因此，可以將由頂板、底板承受的部分腹板預壓力理解為縱向對頂板、底板的支座反力，而頂板、底板對梁端部的反向作用相當于向外的均布荷載，這種作用使端部頂板、端隔板產生外側受拉的橫向彎矩，導致其產生橫向的拉應力［6-7]，這就是梁端橫隔板頂、底板中產生拉應力的原因，設計時應關注該處的應力水平，以保證梁端橫隔板在預應力作用下不開裂。

由于預應力的合力作用點偏向頂板，因此底板的橫向拉應力較小。然而，由圖5可知，恰恰由于此原因，箱梁支座處橫隔板底板與腹板倒角處出現豎向拉應力集中現象，最大拉應力達到甚至超過4.0 MPa，由于該部位處于橫向和豎向拉應力的交匯區域，受力極為不利，因此應加強該梁段截面的橫、豎向配筋，以改善局部拉應力過大的應力集中問題。

圖4 支座處箱梁橫隔板橫向正應力圖

圖5 支座處箱梁橫隔板豎向正應力圖

由圖6、圖7可知，梁端封錨區域由于大噸位預應力鋼束的張拉，錨墊板下有壓應力集中現象發生，最大主壓應力30.0 MPa，如考慮鋼束錨下螺旋筋及結構中錨下鋼筋的作用壓應力會相應降低。但是，鑒于目前國內大跨度預應力簡支箱梁梁端大噸位預應力束張拉錨固研究的實例較少，因此該處壓應力偏大現象應得到橋梁設計者們的重視［8-10]。

通過以上的分析，證實56 m簡支箱梁在預應力和自重荷載作用下，梁端會出現局部混凝土拉應力偏大現象，尤其是在梁端橫隔板頂板中橫向拉應力集中現象明顯;梁端腹板與底板相交的內側倒角處位于橫向拉應力和豎向拉應力疊加區域，應力集中情況比較嚴重。另外，在梁端腹板及底板大噸位鋼束錨墊板附近壓應力集中情況明顯，而且應力水平較高。

圖6 梁端封錨段錨下主拉應力云圖

圖7 梁端封錨段錨下主壓應力云圖

4 結語

預應力大跨度簡支箱梁的錨具，大都集中布置在梁端腹板上。盡管這種布置方式可以使預應力較快地傳遞到梁的全截面，但由于其張拉噸位很大，在應力傳遞段，梁截面變形的不均勻將在橫向產生拉應力，有時拉應力較大，甚至會導致梁端隔板發生豎向開裂，進而影響結構的耐久性，應盡量避免。在大跨度預應力混凝土簡支箱梁設計中應注意以下方面。

(1)預應力鋼束布置應首先考慮對結構傳力途徑簡潔，保證結構安全;其次應結合施工工藝及工程工期的要求使鋼束布置最優化;

(2)在布置腹板束和底板束時，應注意橫向上布置不宜過分偏向腹板，豎向上也應盡量靠近隔板高度的中心，使梁端截面應力分布盡可能均勻;

(3)在梁端局部應力集中區域可以考慮布置鋼筋網片，需要時可以布置多層。例如，在梁端對應支座位置梁內預埋鋼筋網片，可以極大改善應力集中問題;

(4)當條件允許時，可以采用部分鋼束在箱內錨固的作法，這種布置方式與簡支梁的受力特點是相適應的，同時可以減小梁端張拉噸位，有利于梁端局部受力。

［1]劉效堯，朱新實.預應力技術及材料設備［M].北京:人民交通出版社，1998.

［2]何旭輝，黎 微.錨固區布置對預應力T梁梁端局部應力影響研究［J].城市道橋與防洪，2009(6):185-188.

［3]肖 飛.大跨度預應力混凝土簡支箱梁的梁端應力分析［J].鐵道標準設計，2004(8):78-80.

［4]博弈創作室.ANSYS7.0基礎教程與實例詳解［M].北京:中國水力水電出版社，2004.

［5]朱爾玉，劉 磊.現代橋梁預應力結構［M].北京:清華大學出版社，2008.

［6]楊熙坤，楊 冰.混凝土及鋼筋混凝土局部承壓楔劈理論(下)［J].低溫建筑技術，2000(1):18-24.

［7]陳偉慶，張 強.南京長江二橋索梁錨固區模型試驗分析［J].西南交通大學學報，2001，36(2):186-189.

［8]TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范［S].

［9]TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S].

［10]TB10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)［S].