哈大客运专线56 m简支箱梁预应力钢束布置及梁端应力分析

赵 磊，邵 铭

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142;2.天津泰达滨海站建设开发有限公司，天津 300457)

1 概述

预应力混凝土简支箱梁具有很好的整体竖向、横向及扭转刚度，能够很好地适应客运专线高速行车的安全性、舒适性要求，有利于减小下部结构尺寸，结构形式美观。目前，大跨度预应力混凝土简支箱梁受到运架设备能力的限制，在国内外铁路客运专线桥梁建设中应用不多［1]。双线无砟轨道56 m预应力混凝土简支箱梁为目前国内客运专线铁路建设中采用的最大简支梁跨度，其首次被成功应用到哈大客运专线铁路工程中，在预应力应用技术方面取得很大的进步并收到了良好的经济效益。结合哈大客运专线56 m预应力简支箱梁预应力钢束布置方案比选及钢束布置对梁端应力分布影响的研究，探讨客运专线大跨度预应力混凝土简支箱梁设计时应注意的几个问题，为今后客运专线桥梁设计提供参考。

2 预应力钢束布置方案比选

哈大客运专线56 m简支箱梁采用的是移动模架造桥机施工，为满足移动模架造桥机连续施工的工艺特点，对箱梁纵向预应力钢束布置进行了多种设计方案的比选与优化，下面列举3种典型方案简要说明，其中包含1种推荐方案、2种比较方案。

推荐方案:在梁端开槽两端对称张拉腹板及底板钢束，待相邻孔梁施工完毕，浇筑封锚混凝土，如图1所示。

图1 推荐方案梁端锚固区钢束布置

比较方案一:大部分腹板预应力钢束张拉端设置在箱梁顶面，顶板开设张拉槽，两端对称张拉;剩余腹板钢束起弯到腹板内侧，对称交错单端张拉(相临梁跨腹板开槽);底板预应力钢束张拉端设在箱内底板顶面，紧靠腹板设锯齿块，对称交错单端张拉。如图2所示。

比较方案二:钢束布置形式与推荐方案相同。不同的是腹板中的所有钢束均于梁的一侧腹板内单端张拉。即梁的后端为非张拉固定端，梁的前端为张拉端。

3种方案的优缺点对比如表1所示。

图2 比较方案一预应力钢束布置示意

表1 56 m简支箱梁预应力钢束布置方案比较

经过比选，推荐方案的钢束布置形式紧凑经济、传力途径简洁、工期优势明显，具有很大的综合优势，被列为首选方案，在工程建设中予以采纳实施。

3 梁端有限元计算结果与分析

哈大客运专线56 m简支箱梁梁体纵向钢束张拉工艺为双端张拉。由于梁跨较大，大批的大吨位钢束集中在梁端进行锚固，使得梁端局部区域在锚下集中荷载、大吨位支座反力共同作用下受力十分复杂。在一些应力集中部位会出现混凝土应力过大，甚至有可能在这些部位产生裂缝，更有甚者在局部区域发生混凝土压碎，威胁梁的使用性能。

本次研究利用有限元分析程序Ansys建立梁端等尺寸模型，混凝土单元采用Solid65单元;预应力钢束单元采用link8单元。考虑到箱梁预应力束的设计和空间布置形式使梁在各种荷载作用下其内部各部位的应力变得相当复杂，在模型中混凝土和钢束采用分离式建模，通过节点耦合方式实现预应力钢束与混凝土之间的粘结作用，不考虑钢束与周围混凝土的相对滑移。梁端实体模型包括:封锚段，端横隔板，梁端变截面段，梁跨等截面段。

模型边界条件取约束支座处箱梁底节点3个方向的位移自由度。对于箱梁剖面端用等效弹簧刚度代替梁的变形刚度，选用combin14单元模拟截面处的约束［2-5]。分析中主要考虑自重荷载和预应力荷载共同作用工况下梁端的应力集中情况。

建模完成后对模型求解，求解得出如下结论:

由图3可知，支座附近箱梁底板产生2.0 MPa左右拉应力，此处产生拉应力一方面由于在梁端附近箱梁底板部分预应力钢束向上起弯锚固，使底板底面压应力减小;另一方面由于在支座位置处作用集中力，由于集中力扩散不均匀使支座周围部分区域受拉。鉴于以上情况产生的拉应力不大，可以通过在箱梁底板下部对应支座位置处预埋几层钢筋网片的办法改善局部拉应力集中问题。

图3 支座对应位置箱梁纵向正应力图

由图4可知，支座处横隔板顶板及腹板与底板相交倒角处横向正应力为拉应力，横向拉应力沿梁体纵向变化为靠近张拉端侧拉应力大于靠近跨中侧拉应力，拉应力最大值为2.5 MPa。分析该处产生如此大的拉应力主要由于，箱梁端部顶板、端隔板就横向受力模式来说，类似于承受均布荷载的简支梁。由于两腹板强大的预压应力最终将传递至全截面，也就是说，此预压力是由端横梁之后的腹板、顶板、底板的反向作用来共同平衡的。因此，可以将由顶板、底板承受的部分腹板预压力理解为纵向对顶板、底板的支座反力，而顶板、底板对梁端部的反向作用相当于向外的均布荷载，这种作用使端部顶板、端隔板产生外侧受拉的横向弯矩，导致其产生横向的拉应力［6-7]，这就是梁端横隔板顶、底板中产生拉应力的原因，设计时应关注该处的应力水平，以保证梁端横隔板在预应力作用下不开裂。

由于预应力的合力作用点偏向顶板，因此底板的横向拉应力较小。然而，由图5可知，恰恰由于此原因，箱梁支座处横隔板底板与腹板倒角处出现竖向拉应力集中现象，最大拉应力达到甚至超过4.0 MPa，由于该部位处于横向和竖向拉应力的交汇区域，受力极为不利，因此应加强该梁段截面的横、竖向配筋，以改善局部拉应力过大的应力集中问题。

图4 支座处箱梁横隔板横向正应力图

图5 支座处箱梁横隔板竖向正应力图

由图6、图7可知，梁端封锚区域由于大吨位预应力钢束的张拉，锚垫板下有压应力集中现象发生，最大主压应力30.0 MPa，如考虑钢束锚下螺旋筋及结构中锚下钢筋的作用压应力会相应降低。但是，鉴于目前国内大跨度预应力简支箱梁梁端大吨位预应力束张拉锚固研究的实例较少，因此该处压应力偏大现象应得到桥梁设计者们的重视［8-10]。

通过以上的分析，证实56 m简支箱梁在预应力和自重荷载作用下，梁端会出现局部混凝土拉应力偏大现象，尤其是在梁端横隔板顶板中横向拉应力集中现象明显;梁端腹板与底板相交的内侧倒角处位于横向拉应力和竖向拉应力叠加区域，应力集中情况比较严重。另外，在梁端腹板及底板大吨位钢束锚垫板附近压应力集中情况明显，而且应力水平较高。

图6 梁端封锚段锚下主拉应力云图

图7 梁端封锚段锚下主压应力云图

4 结语

预应力大跨度简支箱梁的锚具，大都集中布置在梁端腹板上。尽管这种布置方式可以使预应力较快地传递到梁的全截面，但由于其张拉吨位很大，在应力传递段，梁截面变形的不均匀将在横向产生拉应力，有时拉应力较大，甚至会导致梁端隔板发生竖向开裂，进而影响结构的耐久性，应尽量避免。在大跨度预应力混凝土简支箱梁设计中应注意以下方面。

(1)预应力钢束布置应首先考虑对结构传力途径简洁，保证结构安全;其次应结合施工工艺及工程工期的要求使钢束布置最优化;

(2)在布置腹板束和底板束时，应注意横向上布置不宜过分偏向腹板，竖向上也应尽量靠近隔板高度的中心，使梁端截面应力分布尽可能均匀;

(3)在梁端局部应力集中区域可以考虑布置钢筋网片，需要时可以布置多层。例如，在梁端对应支座位置梁内预埋钢筋网片，可以极大改善应力集中问题;

(4)当条件允许时，可以采用部分钢束在箱内锚固的作法，这种布置方式与简支梁的受力特点是相适应的，同时可以减小梁端张拉吨位，有利于梁端局部受力。

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