先張法和后張法簡支U形梁綜合對比分析

姜海君

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 工程概況

青島地鐵11號線為引領(lǐng)青島城市發(fā)展的軌道交通快線和重要的旅游觀光線，區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段上部結(jié)構(gòu)采用線形流暢、輕巧、美觀、結(jié)構(gòu)高度低的預(yù)制架設(shè)雙線小U形梁；下部結(jié)構(gòu)采用造型優(yōu)美、輕盈的寶石型預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁，與線路周邊環(huán)境交相輝映，完美融合，體現(xiàn)出青島“藍(lán)天碧?！钡牡赜蛱厣斠妶D1。

圖1 簡支U梁效果圖

由于簡支U形梁外形美觀、建筑結(jié)構(gòu)高度低(可降低全線縱斷面)、降噪效果好(U梁腹板具有阻隔輪軌噪聲的作用)、兩側(cè)腹板可兼作聲屏障、疏散平臺、電纜支架作用等特點，在城市軌道交通中應(yīng)用越來越廣泛。國內(nèi)首次采用U形梁結(jié)構(gòu)的是法國人設(shè)計的上海地鐵16號線。國內(nèi)首次采用自主設(shè)計U形梁的是南京地鐵S1線。初步統(tǒng)計，目前國內(nèi)已經(jīng)有上海、南京、重慶、鄭州、青島、濟(jì)南、深圳、北京等多個城市軌道交通中采用了U形梁結(jié)構(gòu)[1]，詳見表1。但國內(nèi)自主設(shè)計的U形梁采用的大多數(shù)為后張法簡支U形梁，自從青島地鐵11號線嘗試部分區(qū)段采用先張法簡支U形梁后，先張法簡支U形梁才得以在青島地鐵13號線和深圳地鐵6號線中應(yīng)用。

表1 國內(nèi)簡支U形梁軌道交通施工方法統(tǒng)計

由于先張法和后張法簡支U形梁在國內(nèi)都得到了成功應(yīng)用，在未來項目中先張法和后張法簡支U形梁的選擇至關(guān)重要。本文以青島地鐵11號線先張法和后張法簡支形U梁為背景對兩種施工方法簡支U形梁進(jìn)行綜合對比分析，為后續(xù)項目簡支U形梁施工方法的選擇提供一定的經(jīng)驗。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸及鋼束布置

以跨度30 m直線簡支U形梁為例[2-3]，兩種施工方法簡支U形梁采用相同的結(jié)構(gòu)尺寸，均采用94束φj15.2 mm低松弛鋼絞線。后張法簡支U形梁底板采用8根10-φj15.2 mm鋼束，腹板采用2根7-φj15.2 mm鋼束；先張法簡支U形梁底板共設(shè)置94束單根直鋼束，其中27束N1為通長束，30束N2兩側(cè)梁端失效長度均為2.4 m，37束N3兩側(cè)梁端失效長度均為5.0 m。結(jié)構(gòu)布置圖及預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖詳見圖2～圖5。

圖2 簡支U形梁支點橫斷面(單位：mm)

圖3 簡支U形梁跨中橫斷面(單位：mm)

圖4 后張法簡支U形梁支點預(yù)應(yīng)力橫斷面(單位：mm)

圖5 先張法簡支U形梁支點預(yù)應(yīng)力橫斷面(單位：mm)

表2 先張法和后張法工程數(shù)量對比

由表2可知:

(1)兩種施工方法混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼絞線、普通鋼筋數(shù)量基本相同；后張法梁較先張法梁增加了錨具、金屬波紋管的數(shù)量；后張法梁材料總造價略高于先張法梁，但兩者相差不多。

(2)由于先張法梁腹板無彎起預(yù)應(yīng)力鋼束，抗剪能力較后張法梁差，且在溫度荷載作用下梁端容易出現(xiàn)拉應(yīng)力。

(3)后張法梁采用金屬波紋管成孔，對結(jié)構(gòu)的消弱較先張法梁大。先張法梁預(yù)應(yīng)力鋼束耐久性較后張法梁好。

2.2 計算模型建立原則

在結(jié)構(gòu)受力上，U形梁屬開口薄壁不對稱結(jié)構(gòu)，抗扭性能較差，呈明顯的空間受力特征，荷載的加載位置對其局部受力影響較大，如果單純依靠一般橋梁結(jié)構(gòu)平面桿系結(jié)構(gòu)分析程序難以準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的實際受力狀況。故設(shè)計中分別采用平面桿系模型和空間三維實體模型進(jìn)行分析，平面桿系模型主要用于結(jié)構(gòu)整體受力、預(yù)應(yīng)力鋼束效應(yīng)和混凝土收縮徐變的分析?？臻g三維實體模型主要用于截面應(yīng)力分布規(guī)律的研究，根據(jù)實體模型的計算結(jié)果對平面桿系模型及結(jié)構(gòu)的總體應(yīng)力儲備進(jìn)行調(diào)整[4]。按以下計算步驟對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算:

第一步，采用專用平面桿系模型對結(jié)構(gòu)的構(gòu)造、鋼束布置、總體受力、預(yù)應(yīng)力損失和混凝土收縮徐變情況進(jìn)行初步分析。

第二步，采用空間三維實體模型，詳細(xì)對U形梁的橫向道床板厚度、剪力滯系數(shù)、縱橫向荷載的空間效應(yīng)和預(yù)應(yīng)力效應(yīng)進(jìn)行綜合分析，確定結(jié)構(gòu)合理構(gòu)造尺寸，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的空間應(yīng)力分布情況，修正實際結(jié)構(gòu)的剛度、應(yīng)力、抗裂性等結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)。

第三步，通過平面桿系模型和空間三維實體模型計算結(jié)果對比分析，相互補充，共同研究結(jié)構(gòu)受力性能。

2.3 特別注意設(shè)計荷載

(1)不均勻溫差荷載:常規(guī)簡支箱梁結(jié)構(gòu)，梁體不均勻溫差荷載可在梁端上緣產(chǎn)生2 MPa左右的拉應(yīng)力，故梁體不均勻溫差荷載在簡支梁設(shè)計中起控制性作用，箱形結(jié)構(gòu)規(guī)范中有明確的不均勻溫差荷載加載方式，但由于U形梁結(jié)構(gòu)較為特殊，箱形梁不均勻溫差荷載加載方式不適用，且國內(nèi)外規(guī)范中均無U形梁結(jié)構(gòu)不均勻溫差荷載加載方式要求，U形梁不均勻溫差荷載加載方式成了制約U形梁設(shè)計的難題，本項目U形梁不均勻溫差荷載按腹板頂至底板頂由8℃線性變化至4℃、底板頂至底板底由4℃線性變化至3℃考慮[5]，U形梁不均勻溫差荷載圖示詳見圖6。

圖6 U形梁不均勻升溫的溫度模式

(2)剪力滯效應(yīng):剪力滯是梁在彎曲過程中由于剪力在翼緣板中傳遞滯后而引起截面正應(yīng)力在橫向分布不均勻的現(xiàn)象；U形梁剪力滯效應(yīng)較為明顯，設(shè)計時絕對不能忽略；U形梁剪力滯效應(yīng)不像箱形梁有明確的規(guī)范算法，設(shè)計中常采用的主要為能量變分法和疊加法[6-7]。

(3)預(yù)應(yīng)力荷載:由于U形梁屬開口薄壁不對稱結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量減小左右腹板應(yīng)力差，避免結(jié)構(gòu)橫向受彎，在恒載作用下，如發(fā)現(xiàn)截面應(yīng)力分布左右相差較大，應(yīng)先調(diào)整構(gòu)造尺寸，在確定構(gòu)造尺寸無法調(diào)整時，再調(diào)整鋼束位置及型號，使左右腹板應(yīng)力相差不多。

3 先張法和后張法簡支U形梁綜合對比分析

在相同的生產(chǎn)效率下(以月產(chǎn)量100孔梁為例)，對預(yù)制U形梁先張法和后張法施工工藝進(jìn)行對比分析。由表3可見:先張法制梁周期短、存梁臺座少、臺座占地面積小、工序少；但先張法投入模板多、制梁臺座多、需單獨增加張拉設(shè)備。

由表4可知，先張法和后張法兩種施工方法沒有絕對的優(yōu)劣之分，先張法施工工藝可節(jié)省梁廠占地面積，在用地困難、地價較高地區(qū)有明顯優(yōu)勢；而且先張梁較后張梁生產(chǎn)周期短，當(dāng)遇到工期緊張時，其機(jī)動靈活性更為明顯。但先張法抗剪能力較后張法較弱，對施工技術(shù)要求較高，張拉臺座及設(shè)備投入費用較高，只有梁片數(shù)較多時，才具有經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢[8]。

表3 先張法和后張法施工工藝對比

表4 先張法和后張法綜合對比

4 工程建議

針對U形梁開口薄壁不對稱性、抗扭性能差的特點，對U形梁提出以下幾點建議[9-12]:

(1)先張法U形梁由于腹板內(nèi)未設(shè)置豎向彎起彎預(yù)應(yīng)力鋼束，抗剪能力較弱，且梁端上緣在不均勻溫差荷載作用下出現(xiàn)拉應(yīng)力。建議采用先、后張結(jié)合的施工方案，即在先張法梁腹板上設(shè)置兩根后張法無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼束來解決抗剪承載力差和不均勻溫差荷載作用下梁端上緣拉應(yīng)力問題。

(2)U形梁屬開口薄壁不對稱結(jié)構(gòu)，抗扭性能較差，設(shè)計時應(yīng)盡量調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸，使截面幾何中心盡量靠近底板支座中心。

(3)軌道交通線路由于受房屋、道路、城市規(guī)劃等限制，多出現(xiàn)小曲線半徑線路，U形梁屬開口薄壁不對稱結(jié)構(gòu)，同時又位于小曲線半徑上，無論理論分析還是動靜載試驗均無法對小曲線半徑上簡支U形梁實際受力狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，但位于小曲線半徑上的簡支U形梁結(jié)構(gòu)壽命一定遠(yuǎn)小于直線上的簡支U梁，如不引起足夠的重視，未來可能會引起U形梁的一種災(zāi)難；建議在以后的項目中，小曲線半徑范圍內(nèi)采用其它安全可靠的結(jié)構(gòu)替代簡支U形梁結(jié)構(gòu)。

(4)目前國內(nèi)設(shè)計的后張法簡支U形梁均采用金屬波紋管成孔，而國內(nèi)設(shè)計的鐵路預(yù)制梁均采用抽拔橡膠棒成孔，建議后張法簡支U梁也采用抽拔橡膠棒成孔，可降低工程造價。

(5)后張法簡支U形梁在腹板張拉端鋼束附近應(yīng)力較為集中，容易出現(xiàn)斜向裂縫，設(shè)計時通過減小腹板鋼束型號、增大錨下螺旋筋直徑、加強腹板鋼束定位、增設(shè)腹板縱向短鋼筋和增加腹板斷面護(hù)面鋼筋等措施避免了裂縫的發(fā)生。