鐵路混凝土箱梁是否設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋的探討

魯雪冬 宋曉東

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031

橋梁橫向預(yù)應(yīng)力筋是保證梁體橫向抗彎和抗扭能力的主要受力鋼筋，常布置在寬幅梁和長(zhǎng)懸臂梁頂板中，用以限制結(jié)構(gòu)在自重及荷載作用下頂板產(chǎn)生的橫向裂縫，對(duì)于寬幅橋梁和橫向裝配式橋梁有顯著作用。

隨著鐵路列車速度的提高，鐵路橋梁結(jié)構(gòu)形式從早期的裝配式T梁逐漸過(guò)渡到整體式箱梁［1-2］。對(duì)于梁部橫向預(yù)應(yīng)力筋，不同設(shè)計(jì)單位設(shè)置的方式和數(shù)量差異較大。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，小跨度結(jié)構(gòu)多不設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋，但大跨度簡(jiǎn)支箱梁及主跨大于56 m的連續(xù)箱梁（剛構(gòu)）頂板幾乎都設(shè)置了橫向預(yù)應(yīng)力筋。因此，有必要針對(duì)鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁開展橫向預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置因素分析，從結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)性、施工工藝及結(jié)構(gòu)耐久性等方面分析設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋的效用及影響。這對(duì)于優(yōu)化工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有重要的意義，可為后續(xù)鐵路混凝土箱梁的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 現(xiàn)狀分析

鐵路橋梁以預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁和連續(xù)箱梁為主，其中簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)在橋梁總里程中所占比重較大。以京滬高速鐵路為例，正線橋梁244座，總長(zhǎng)1061 km，其中最常用跨度32 m雙線整孔簡(jiǎn)支箱梁共計(jì)27973孔，全線簡(jiǎn)支梁橋總長(zhǎng)達(dá)956 km，占橋梁總里程的90%以上。其標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)方式易于施工質(zhì)量控制，加快了施工速度，為順利完成中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。為彌補(bǔ)簡(jiǎn)支箱梁在鐵路建設(shè)中跨度不足的問(wèn)題，混凝土連續(xù)箱梁因其剛度大、整體性好、軌道平順、行車平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外鐵路中得到了廣泛應(yīng)用。

1.1 簡(jiǎn)支箱梁

為解決高速鐵路建設(shè)中橋梁工程數(shù)量大而建設(shè)周期相對(duì)較短的問(wèn)題，我國(guó)廣泛采用32 m等跨，配以20、24 m作為調(diào)跨的標(biāo)準(zhǔn)等跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁方案，高質(zhì)量、高速度地實(shí)現(xiàn)了特長(zhǎng)橋梁的建造。隨著架橋機(jī)能力的提高，跨度40 m的混凝土箱梁也逐步被采用。近年來(lái)，移動(dòng)模架造橋機(jī)的研制成功，使混凝土簡(jiǎn)支箱梁的跨度達(dá)到了64 m，這就更加擴(kuò)大了鐵路簡(jiǎn)支箱梁的使用范圍。

常用鐵路混凝土簡(jiǎn)支箱梁的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1（見(jiàn)下頁(yè)）。原中國(guó)鐵路總公司發(fā)布的單線、雙線簡(jiǎn)支箱梁頂板均沒(méi)有設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋，但是部分線參（某條線路參考圖）48、64 m雙線簡(jiǎn)支箱梁設(shè)置了橫向預(yù)應(yīng)力筋。與單線箱梁相比，雙線箱梁的橋面寬度和翼緣板較大，但兩線活載均作用在近腹板處，使得頂板彎矩較小，因此并未設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋［3-4］。

表1 常用鐵路混凝土簡(jiǎn)支箱梁的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 連續(xù)箱梁

由于簡(jiǎn)支梁無(wú)法跨越既有道路、河流、山谷等障礙，鐵路橋梁設(shè)計(jì)中通常采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁（剛構(gòu)）方案。常用鐵路連續(xù)箱梁的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。原中國(guó)鐵路總公司發(fā)布的2368A系列雙線連續(xù)箱梁頂板并未設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋，但是各鐵路設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的大跨度連續(xù)梁均設(shè)置了橫向預(yù)應(yīng)力筋。

表2 常用鐵路連續(xù)箱梁的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 研究對(duì)象

選取了64 m大跨簡(jiǎn)支箱梁和（80+3×144+80）m大跨度連續(xù)箱梁（圖1）開展研究。

圖1 簡(jiǎn)支箱梁和連續(xù)箱梁跨中典型橫截面（單位：cm）

64 m簡(jiǎn)支箱梁的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：客貨共線，設(shè)計(jì)速度為160 km/h，雙線，線間距4.6 m，軌道結(jié)構(gòu)為有砟道床，二期恒載為170 kN/m。梁部采用C50混凝土單箱單室等高度箱梁，箱梁頂板寬10.1 m，底板寬5.5 m，梁高5.5 m。梁體采用分段預(yù)制，在移動(dòng)支架造橋機(jī)上整孔組拼，整孔張拉，梁段之間以濕接縫連接。

（80+3×144+80）m連續(xù)箱梁的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：客貨共線，旅客列車設(shè)計(jì)速度為200 km/h，預(yù)留進(jìn)一步提速條件，貨物列車設(shè)計(jì)速度120 km/h，雙線，線間距4.6 m，軌道結(jié)構(gòu)為有砟道床，二期恒載為185 kN/m。梁部采用C55混凝土單箱單室變高度箱梁，箱梁頂板寬13.4 m，底板寬7.2 m，邊跨端部和跨中梁高6.0 m，中支點(diǎn)梁高11.0 m，其間采用圓曲線過(guò)渡。梁部采用掛籃分段懸臂澆筑施工。

3 設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋的效用及影響

3.1 從結(jié)構(gòu)橫向受力角度分析

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁為空間結(jié)構(gòu)，由于箱梁縱、橫兩個(gè)方向的耦合性不強(qiáng)，設(shè)計(jì)中一般將空間問(wèn)題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)平面問(wèn)題開展研究。鑒于結(jié)構(gòu)的主要受力方向?yàn)榭v向，為了保證結(jié)構(gòu)安全性和耐久性，規(guī)范規(guī)定縱向須以全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。與縱向受力相比，混凝土箱梁橫向設(shè)計(jì)是采用預(yù)應(yīng)力筋布置方式還是普通鋼筋布置方式尚無(wú)明確規(guī)定。一般情況下，對(duì)于寬幅公路橋梁、裝配式橋梁或者橫向受力較弱的開口結(jié)構(gòu)，多采用預(yù)應(yīng)力筋，以增強(qiáng)橫向受力的穩(wěn)定性。但對(duì)于橋面寬度較窄、列車荷載車道相對(duì)固定的鐵路箱梁，結(jié)構(gòu)橫向受力狀態(tài)較為固定。將箱梁橫向簡(jiǎn)化為帶剛性支撐的框架結(jié)構(gòu)，采用MIDAS Civil軟件，沿順橋向取1 m長(zhǎng)度建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算。其中，頂板、底板和腹板均采用梁?jiǎn)卧M，支承點(diǎn)位于主梁腹板中心線下緣。典型預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的橫向設(shè)計(jì)計(jì)算考慮恒載（自重、二期恒載、底板徑向力、收縮和徐變）、活載（中-活載或ZK活載、橫向搖擺力、離心力和人群荷載）、附加力（日照、寒潮溫度效應(yīng)和風(fēng)力）、脫軌力組合作用?？紤]結(jié)構(gòu)最不利受力采用以下組合方式：①恒載+活載（主力組合）；②主力組合+日照（寒潮）溫度效應(yīng)（主力+附加力組合）［5-9］。

3.1.1 跨中截面彎矩

以（80+3×144+80）m混凝土連續(xù)箱梁為例，在主力工況下連續(xù)箱梁有無(wú)設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋的跨中截面彎矩見(jiàn)圖2?？芍孩傧淞喉敯逶O(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋可以優(yōu)化箱梁頂板和腹板的內(nèi)力，使最大負(fù)彎矩從267 kN·m減小到179 kN·m；②頂板設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力會(huì)增大底板中間的彎矩，使彎矩從156 kN·m增加到173 kN·m。頂板橫向預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置可有效改善頂板受力，但會(huì)加劇底板不利受力。

圖2 在主力工況下連續(xù)箱梁的跨中截面彎矩（單位：kN?m）

3.1.2 箱梁截面高度

鐵路雙線箱梁橋的頂寬跟線間距有關(guān)，但相差不大，一般表現(xiàn)為箱梁兩腹板間距不變，只改變兩側(cè)翼緣板寬度。隨著跨度增大，箱梁梁高會(huì)相應(yīng)增加。在箱梁寬度不變的情況下，研究隨著梁高的增加是否會(huì)引起箱梁橫向頂板、底板、腹板內(nèi)力及配筋發(fā)生較大變化。

以（80+3×144+80）m連續(xù)箱梁為例，選取跨中截面高6.0 m、中支點(diǎn)截面高11.0 m以及兩者中值8.5 m高截面進(jìn)行受力分析。三種不同高度截面的配筋均為：頂板、底板采用?16@80，腹板采用?20@100。裂縫寬度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 箱梁截面高度對(duì)裂縫寬度的影響

由圖3可見(jiàn)：①三種不同截面高度的頂板、底板和腹板的裂縫均滿足小于0.2 mm的規(guī)范要求［9］；②隨著梁高增加，在相同配筋情況下，結(jié)構(gòu)裂縫寬度有減小的趨勢(shì)。研究結(jié)果表明，隨著跨度增大、梁高增加，也可以不設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋。

3.1.3 裂縫寬度

64 m簡(jiǎn)支箱梁和（80+3×144+80）m連續(xù)箱梁均在頂板設(shè)有5Фs15.2@500的橫向預(yù)應(yīng)力筋，頂板、底板和腹板設(shè)計(jì)均采用?16@80鋼筋，且本節(jié)采用箱梁頂板、腹板按鋼筋混凝土純彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，底板按鋼筋混凝土拉彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，以裂縫寬度為控制指標(biāo)（主力作用時(shí)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算裂縫寬度不應(yīng)超過(guò)0.20 mm，當(dāng)主力+附加力作用時(shí)裂縫寬度不應(yīng)超過(guò)0.24 mm），分別計(jì)算了主力、主力+附加力工況下各部件的裂縫寬度，見(jiàn)表3。

表3 有無(wú)橫向預(yù)應(yīng)力筋時(shí)構(gòu)件的裂縫寬度 mm

由表3可見(jiàn)：①當(dāng)無(wú)橫向預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，若頂板、底板采用?16@80鋼筋（保持與原設(shè)計(jì)圖紙一致），僅腹板內(nèi)外側(cè)由?16@80改為?20@100時(shí)，在主力和主力+附加力工況下，結(jié)構(gòu)的裂縫寬度也能滿足規(guī)范要求。②設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋能有效地降低混凝土的開裂，但取消橫向預(yù)應(yīng)力筋、適當(dāng)增大普通鋼筋直徑也能使結(jié)構(gòu)混凝土裂縫寬度滿足規(guī)范要求［8-9］。

綜上可知，大跨度箱梁截面只設(shè)普通鋼筋，截面受力及裂縫寬度依然能滿足規(guī)范要求。

3.2 從經(jīng)濟(jì)性角度分析

對(duì)于本文研究對(duì)象，其頂板以普通鋼筋代替預(yù)應(yīng)力筋時(shí)亦可以滿足裂縫寬度的要求，普通鋼筋的數(shù)量要適當(dāng)增加。

64 m簡(jiǎn)支箱梁與（80+3×144+80）m連續(xù)箱梁跨中截面每米鋼筋用量對(duì)比見(jiàn)表4?？梢?jiàn)：在原設(shè)計(jì)圖中，64 m簡(jiǎn)支箱梁與（80+3×144+80）m連續(xù)箱梁跨中截面每米預(yù)應(yīng)力筋分別為47.6、131.0 kg，普通鋼筋分別為1005.5、1357.0 kg；頂板無(wú)預(yù)應(yīng)力筋時(shí)所需的每米普通鋼筋數(shù)量分別為1005.5、1473.3 kg，每米鋼筋總量變化分別為-47.6、-14.7 kg。

表4 跨中截面每米鋼筋用量對(duì)比 kg

從工程造價(jià)方面來(lái)講，預(yù)應(yīng)力筋單價(jià)要遠(yuǎn)大于普通鋼筋，預(yù)應(yīng)力筋（含張拉）的工程費(fèi)用約10500元/t，普通鋼筋的約5500元/t，預(yù)應(yīng)力筋的工程費(fèi)用約為普通鋼筋的2倍。本文研究對(duì)象中無(wú)橫向預(yù)應(yīng)力筋跨中截面每米的鋼筋造價(jià)比原設(shè)計(jì)分別減少了499.80、735.85元/t。因此，在滿足工程結(jié)構(gòu)受力的條件下，僅配置普通鋼筋的設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)。

3.3 從施工工藝及結(jié)構(gòu)耐久性角度分析

單線、雙線鐵路箱梁的箱寬一般變化不大，頂板厚度較小。隨著跨度增大，縱向預(yù)應(yīng)力筋增多，頂板設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋會(huì)使得橫向預(yù)應(yīng)力筋出現(xiàn)多次彎折，預(yù)應(yīng)力損失較大，管道不好布置，還會(huì)與普通鋼筋重疊，導(dǎo)致混凝土不密實(shí)的可能性增大。為了避免這種情況的發(fā)生，一般需要加大頂板尺寸，從而引起混凝土和鋼筋相應(yīng)增加。

頂板如不設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋，施工時(shí)不用預(yù)埋相應(yīng)管道，省去了預(yù)應(yīng)力筋的張拉和施工后的封錨工序。不僅施工程序得以簡(jiǎn)化，混凝土可以一次澆筑成型，還能夠有效保證混凝土密實(shí)性和施工質(zhì)量，亦避免了封錨處防水處理不好引起錨頭銹蝕的風(fēng)險(xiǎn)，提高結(jié)構(gòu)耐久性［10］。

4 結(jié)論

1）預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁頂板設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋雖然可以優(yōu)化箱梁頂板和腹板的受力，但同時(shí)會(huì)增大底板中間的彎矩。

2）在主力或主力+附加力共同作用下，鐵路混凝土箱梁采用普通鋼筋配置方式，結(jié)構(gòu)的裂縫寬度依然能滿足規(guī)范要求，且可以減少工程量，降低造價(jià)。

3）鐵路混凝土箱梁橫向受力主要與橋面布置方式、橫向荷載有關(guān)，與跨度和梁高無(wú)直接關(guān)系。

4）頂板無(wú)橫向預(yù)應(yīng)力筋能顯著簡(jiǎn)化施工工序，進(jìn)而有利于保證梁體混凝土的密實(shí)性，提高其耐久性。