先张法折线预应力工字梁的关键技术及受力性能研究

于增明，郑明万，郝兴臣，解 磊

（济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，山东 济南 250101）

1 概述

预应力混凝土分先张和后张两种工艺，就工艺对比可知先张预应力混凝土便于工厂化预制，具有施工周期短、工序简洁、节省材料、维修养护工程量少、耐久性好等特点。先张梁与后张梁相比，虽然增加了预制场张拉台座的工作量，却可以省去成孔、穿束、压浆等工艺。更为重要的是，它完全避免了后张法施工过程中可能出现的堵孔、压浆不密实、预应力失控等影响结构质量与耐久性的问题。传统的先张法预应力混凝土一般采用直线配束的形式，这种配束方式使得先张混凝土板梁的跨径一般不大于20 m。近些年来，随着后张法预应力结构的质量和耐久性问题逐渐暴露，先张法折线预应力也逐渐开始试验和制作。

我国铁路部门为解决高原严寒地区桥梁耐久性问题在本世纪初于青藏铁路建设中开始了折线配筋先张预应力混凝土梁的研究与应用，跨度为24 m，突破了先张梁跨度20 m以下的局限。继而，合宁铁路有限公司设立了“目标200～250 km客运专线铁路24 m、32 m简支箱梁试制和试验研究”项目，通过整孔先张简支箱梁的试制和试验，达到验证设计、检验施工工艺、完善技术条件等目的。河南省高速公路建设发展有限公司按王用中设计大师的建议，以“公路工程折线配筋先张法预应力混凝土梁的研究与应用”为题开展了研究，积极探索解决折线配筋先张法预应力混凝土梁在公路工程中应用的关键技术问题，并在河南驿宛高速公路淮河桥工程进行了应用。

国外先张预应力梁的应用比较广泛，如前苏联设计的先张预应力梁定型设计跨经为15.8～33.5 m，最大跨经已达69.2 m；美国、德国、意大利、韩国等发达国家在高速铁路的桥梁建设中均采用折线配筋的先张预应力梁结构。

总体来说，大跨度先张折线预应力预制梁在国内的应用还处于起步阶段，相关技术还不成熟，国内大面积推广应用的较少。国内已有的研究成果为研究开发大跨度折线配筋先张预应力梁打下了基础[1-3]。

2 折线预应力转向器的选型

折线配筋的转向张拉需借施工时固定于台座制作后埋置于混凝土中的转向器来实现。转向器是先张法折线预应力混凝土构件的关键结构，如何减少应力损失，避免应力集中，同时保证施工的便易性，是转向器设计的要点。

目前青藏铁路、国外高速铁路及河南省高速公路采用的转向器见图1～图3。

青藏铁路用的转向器形式见图1，这种弯起器通常称为辊轴式转向器，而如图2所示台湾高速铁路所用的弯起器则称为音叉式弯起器，不同之处仅在于弯起器与台座底板的锚固装置。图3为河南驿宛高速公路淮河桥35 m跨小箱梁的钢板式弯起器。

图1 辊轴式转向器

图2 音叉式弯起器

图3 钢板式转向器

上述转向器处折线筋的应力损失较大，转向器构造复杂，材料用量大，费用也高，与混凝土的结合较差，较难大面积推广应用。

经过研究比较分析，考虑梁体受力、折线预应力的布置及施工的方便性，本项目采用一种新的“ψ”型转向器，见图4。

图4 “ψ”型转向器

与其他类型转向器相比较，“ψ”型转向器具有以下优点：

（1）构造简单、各部件受力明确；

（2）钢绞线定位准确，避免张拉过程中滑移；

（3）钢绞线分组多点弯起，更吻合混凝土结构受力效应；

（4）材料用量少，费用较低，对混凝土结构影响小；

（5）安装、拆卸容易；

（6）可用于直腹板亦可用于斜腹板。

3 工字梁优化设计

目前，常用的空心板及小箱梁结构，主要通过铰缝或者翼缘湿接缝、横隔板以及8～10 cm混凝土桥面铺装作用进行横向传力，见图5、图6。

图5 空心板示意图

图6 小箱梁示意图

其现场钢筋连接较多，绑扎量较大，施工难度较大，易造成横隔板混凝土缺失钢筋外露、横隔板折线布置、湿接缝漏水、支座脱空等问题。

为解决以上问题，减少现场施工，提高结构耐久性，本文提出一种先张法折线预应力混凝土工字梁结构型式，见图7。工字梁之间通过较厚的现浇混凝土桥面板及梁端横梁作用进行横向传力。

图7 先张折线工字梁示意图

4 工字梁横向分析

采用空间网格施加单位力法计算桥梁横向分布影响线，即分别在各梁跨中截面施加方向朝下的集中力，计算出各梁跨中截面挠度值，然后按下式计算横桥向各梁位置处的影响线坐标。

式中：ηij为横桥向各梁位置处的影响线坐标值；fij为单位力Pi作用于第i号梁跨中截面引起的第j号梁该截面位置处的挠度值。

本文以目前城市高架桥常用的25.5 m桥宽为例，布置11片梁，见图8。将现浇层分别为15 cm、20 cm、25 cm厚的30 m跨径工字梁桥的跨中弯矩横向分布系数进行对比，见图9。

图8 高架桥工字梁横向布置（单位：cm）

图9 不同现浇层厚度的各梁跨中横向分布系数

由图9可知，整体规律为先张工字梁桥的现浇层厚度越大，其横向分布系数整体越小，梁的整体性越好；外侧边梁受力最不利，但和其它中梁相差并不显著，各工字梁横向分布系数比较均匀。工字梁的现浇层厚度从15 cm变为20 cm时，对梁的横向分布系数影响较大，而工字梁的现浇层厚度从20 cm变为25 cm时，对梁的横向分布系数影响较小。因此，先张工字梁的现浇层厚度选20 cm厚，既能保证梁的横向受力分布与整体性，有节约混凝土用量，适当降低工程造价。

当现浇层同为20 cm厚的30 m跨径工字梁，对无横隔板、有一道横隔板及有三道横隔板的情况进行对比，横向分布系数的曲线见图10。

图10 不同横隔板设置的各梁跨中横向分布系数

由图10可知，整体规律为具有三道横隔板的先张工字梁其横向分布系数最小，整体性最好，20 cm无横隔板的工字梁横向分布系数最大；对于受力最不利的外侧边梁，设置横隔板对其影响较小，受力并未得到很大改善。因此，20 cm厚现浇层的先张工字梁可不设置横隔板。

本文针对目前设置横隔板的结构形式进行对比分析，相对结构形式为10 cm厚的现浇层，跨中有一道或者三道横隔板时进行对比。

由图11可知，整体规律为具有三道横隔板、现浇层为10 cm的先张工字梁其横向分布系数最小，整体性最好，20 cm无横隔板的工字梁横向分布系数最大；但对于受力最不利的外侧边梁，三者的横向分布系数几乎相同。

图11 相对10 cm现浇层不同横隔板设置的各梁跨中横向分布系数

综上所述，本文确定先张工字梁结构形式选用现浇层为20 cm厚，跨中不设置横隔板，既保证了梁的横向整体性，具有良好的受力性能，又能降低造价、简化施工工序，缩短施工周期，具有较好的经济和社会效益。

5 结语

本文研发了一种新型先张法折线预应力转向器，并对传统的工字梁设计进行了改进优化，对各片梁体进行了横向分析，保证了梁体共同受力。

同时，先张折线预应力工字梁便于工厂化预制，具有施工周期短、工序简洁、节省材料、维修养护工程量少、耐久性好等特点，能保证结构质量与耐久性的问题，批量生产可减低工程造价，比较适合于成桥高架桥、高速铁路等标准化结构，已在济南市二环南路、工业北路等快速路工程中成功的进行了应用。