先張法折線預應力工字梁的關鍵技術及受力性能研究

于增明，鄭明萬，郝興臣，解 磊

（濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，山東 濟南 250101）

1 概述

預應力混凝土分先張和后張兩種工藝，就工藝對比可知先張預應力混凝土便于工廠化預制，具有施工周期短、工序簡潔、節省材料、維修養護工程量少、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的堵孔、壓漿不密實、預應力失控等影響結構質量與耐久性的問題。傳統的先張法預應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，隨著后張法預應力結構的質量和耐久性問題逐漸暴露，先張法折線預應力也逐漸開始試驗和制作。

我國鐵路部門為解決高原嚴寒地區橋梁耐久性問題在本世紀初于青藏鐵路建設中開始了折線配筋先張預應力混凝土梁的研究與應用，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立了“目標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，達到驗證設計、檢驗施工工藝、完善技術條件等目的。河南省高速公路建設發展有限公司按王用中設計大師的建議，以“公路工程折線配筋先張法預應力混凝土梁的研究與應用”為題開展了研究，積極探索解決折線配筋先張法預應力混凝土梁在公路工程中應用的關鍵技術問題，并在河南驛宛高速公路淮河橋工程進行了應用。

國外先張預應力梁的應用比較廣泛，如前蘇聯設計的先張預應力梁定型設計跨經為15.8～33.5 m，最大跨經已達69.2 m；美國、德國、意大利、韓國等發達國家在高速鐵路的橋梁建設中均采用折線配筋的先張預應力梁結構。

總體來說，大跨度先張折線預應力預制梁在國內的應用還處于起步階段，相關技術還不成熟，國內大面積推廣應用的較少。國內已有的研究成果為研究開發大跨度折線配筋先張預應力梁打下了基礎[1-3]。

2 折線預應力轉向器的選型

折線配筋的轉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向器來實現。轉向器是先張法折線預應力混凝土構件的關鍵結構，如何減少應力損失，避免應力集中，同時保證施工的便易性，是轉向器設計的要點。

目前青藏鐵路、國外高速鐵路及河南省高速公路采用的轉向器見圖1～圖3。

青藏鐵路用的轉向器形式見圖1，這種彎起器通常稱為輥軸式轉向器，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 輥軸式轉向器

圖2 音叉式彎起器

圖3 鋼板式轉向器

上述轉向器處折線筋的應力損失較大，轉向器構造復雜，材料用量大，費用也高，與混凝土的結合較差，較難大面積推廣應用。

經過研究比較分析，考慮梁體受力、折線預應力的布置及施工的方便性，本項目采用一種新的“ψ”型轉向器，見圖4。

圖4 “ψ”型轉向器

與其他類型轉向器相比較，“ψ”型轉向器具有以下優點：

（1）構造簡單、各部件受力明確；

（2）鋼絞線定位準確，避免張拉過程中滑移；

（3）鋼絞線分組多點彎起，更吻合混凝土結構受力效應；

（4）材料用量少，費用較低，對混凝土結構影響小；

（5）安裝、拆卸容易；

（6）可用于直腹板亦可用于斜腹板。

3 工字梁優化設計

目前，常用的空心板及小箱梁結構，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，減少現場施工，提高結構耐久性，本文提出一種先張法折線預應力混凝土工字梁結構型式，見圖7。工字梁之間通過較厚的現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。

式中：ηij為橫橋向各梁位置處的影響線坐標值；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橋寬為例，布置11片梁，見圖8。將現澆層分別為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 不同現澆層厚度的各梁跨中橫向分布系數

由圖9可知，整體規律為先張工字梁橋的現澆層厚度越大，其橫向分布系數整體越小，梁的整體性越好；外側邊梁受力最不利，但和其它中梁相差并不顯著，各工字梁橫向分布系數比較均勻。工字梁的現澆層厚度從15 cm變為20 cm時，對梁的橫向分布系數影響較大，而工字梁的現澆層厚度從20 cm變為25 cm時，對梁的橫向分布系數影響較小。因此，先張工字梁的現澆層厚度選20 cm厚，既能保證梁的橫向受力分布與整體性，有節約混凝土用量，適當降低工程造價。

當現澆層同為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，橫向分布系數的曲線見圖10。

圖10 不同橫隔板設置的各梁跨中橫向分布系數

由圖10可知，整體規律為具有三道橫隔板的先張工字梁其橫向分布系數最小，整體性最好，20 cm無橫隔板的工字梁橫向分布系數最大；對于受力最不利的外側邊梁，設置橫隔板對其影響較小，受力并未得到很大改善。因此，20 cm厚現澆層的先張工字梁可不設置橫隔板。

本文針對目前設置橫隔板的結構形式進行對比分析，相對結構形式為10 cm厚的現澆層，跨中有一道或者三道橫隔板時進行對比。

由圖11可知，整體規律為具有三道橫隔板、現澆層為10 cm的先張工字梁其橫向分布系數最小，整體性最好，20 cm無橫隔板的工字梁橫向分布系數最大；但對于受力最不利的外側邊梁，三者的橫向分布系數幾乎相同。

圖11 相對10 cm現澆層不同橫隔板設置的各梁跨中橫向分布系數

綜上所述，本文確定先張工字梁結構形式選用現澆層為20 cm厚，跨中不設置橫隔板，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，具有較好的經濟和社會效益。

5 結語

本文研發了一種新型先張法折線預應力轉向器，并對傳統的工字梁設計進行了改進優化，對各片梁體進行了橫向分析，保證了梁體共同受力。

同時，先張折線預應力工字梁便于工廠化預制，具有施工周期短、工序簡潔、節省材料、維修養護工程量少、耐久性好等特點，能保證結構質量與耐久性的問題，批量生產可減低工程造價，比較適合于成橋高架橋、高速鐵路等標準化結構，已在濟南市二環南路、工業北路等快速路工程中成功的進行了應用。