先张法和后张法简支U形梁综合对比分析

姜海君

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 工程概况

青岛地铁11号线为引领青岛城市发展的轨道交通快线和重要的旅游观光线，区间标准段上部结构采用线形流畅、轻巧、美观、结构高度低的预制架设双线小U形梁；下部结构采用造型优美、轻盈的宝石型预应力混凝土盖梁，与线路周边环境交相辉映，完美融合，体现出青岛“蓝天碧海”的地域特色，详见图1。

图1 简支U梁效果图

由于简支U形梁外形美观、建筑结构高度低(可降低全线纵断面)、降噪效果好(U梁腹板具有阻隔轮轨噪声的作用)、两侧腹板可兼作声屏障、疏散平台、电缆支架作用等特点，在城市轨道交通中应用越来越广泛。国内首次采用U形梁结构的是法国人设计的上海地铁16号线。国内首次采用自主设计U形梁的是南京地铁S1线。初步统计，目前国内已经有上海、南京、重庆、郑州、青岛、济南、深圳、北京等多个城市轨道交通中采用了U形梁结构[1]，详见表1。但国内自主设计的U形梁采用的大多数为后张法简支U形梁，自从青岛地铁11号线尝试部分区段采用先张法简支U形梁后，先张法简支U形梁才得以在青岛地铁13号线和深圳地铁6号线中应用。

表1 国内简支U形梁轨道交通施工方法统计

由于先张法和后张法简支U形梁在国内都得到了成功应用，在未来项目中先张法和后张法简支U形梁的选择至关重要。本文以青岛地铁11号线先张法和后张法简支形U梁为背景对两种施工方法简支U形梁进行综合对比分析，为后续项目简支U形梁施工方法的选择提供一定的经验。

2 结构设计

2.1 结构尺寸及钢束布置

以跨度30 m直线简支U形梁为例[2-3]，两种施工方法简支U形梁采用相同的结构尺寸，均采用94束φj15.2 mm低松弛钢绞线。后张法简支U形梁底板采用8根10-φj15.2 mm钢束，腹板采用2根7-φj15.2 mm钢束；先张法简支U形梁底板共设置94束单根直钢束，其中27束N1为通长束，30束N2两侧梁端失效长度均为2.4 m，37束N3两侧梁端失效长度均为5.0 m。结构布置图及预应力钢束布置图详见图2～图5。

图2 简支U形梁支点横断面(单位：mm)

图3 简支U形梁跨中横断面(单位：mm)

图4 后张法简支U形梁支点预应力横断面(单位：mm)

图5 先张法简支U形梁支点预应力横断面(单位：mm)

表2 先张法和后张法工程数量对比

由表2可知:

(1)两种施工方法混凝土、预应力钢绞线、普通钢筋数量基本相同；后张法梁较先张法梁增加了锚具、金属波纹管的数量；后张法梁材料总造价略高于先张法梁，但两者相差不多。

(2)由于先张法梁腹板无弯起预应力钢束，抗剪能力较后张法梁差，且在温度荷载作用下梁端容易出现拉应力。

(3)后张法梁采用金属波纹管成孔，对结构的消弱较先张法梁大。先张法梁预应力钢束耐久性较后张法梁好。

2.2 计算模型建立原则

在结构受力上，U形梁属开口薄壁不对称结构，抗扭性能较差，呈明显的空间受力特征，荷载的加载位置对其局部受力影响较大，如果单纯依靠一般桥梁结构平面杆系结构分析程序难以准确分析结构的实际受力状况。故设计中分别采用平面杆系模型和空间三维实体模型进行分析，平面杆系模型主要用于结构整体受力、预应力钢束效应和混凝土收缩徐变的分析。空间三维实体模型主要用于截面应力分布规律的研究，根据实体模型的计算结果对平面杆系模型及结构的总体应力储备进行调整[4]。按以下计算步骤对结构进行计算:

第一步，采用专用平面杆系模型对结构的构造、钢束布置、总体受力、预应力损失和混凝土收缩徐变情况进行初步分析。

第二步，采用空间三维实体模型，详细对U形梁的横向道床板厚度、剪力滞系数、纵横向荷载的空间效应和预应力效应进行综合分析，确定结构合理构造尺寸，并根据结构的空间应力分布情况，修正实际结构的刚度、应力、抗裂性等结构设计指标。

第三步，通过平面杆系模型和空间三维实体模型计算结果对比分析，相互补充，共同研究结构受力性能。

2.3 特别注意设计荷载

(1)不均匀温差荷载:常规简支箱梁结构，梁体不均匀温差荷载可在梁端上缘产生2 MPa左右的拉应力，故梁体不均匀温差荷载在简支梁设计中起控制性作用，箱形结构规范中有明确的不均匀温差荷载加载方式，但由于U形梁结构较为特殊，箱形梁不均匀温差荷载加载方式不适用，且国内外规范中均无U形梁结构不均匀温差荷载加载方式要求，U形梁不均匀温差荷载加载方式成了制约U形梁设计的难题，本项目U形梁不均匀温差荷载按腹板顶至底板顶由8℃线性变化至4℃、底板顶至底板底由4℃线性变化至3℃考虑[5]，U形梁不均匀温差荷载图示详见图6。

图6 U形梁不均匀升温的温度模式

(2)剪力滞效应:剪力滞是梁在弯曲过程中由于剪力在翼缘板中传递滞后而引起截面正应力在横向分布不均匀的现象；U形梁剪力滞效应较为明显，设计时绝对不能忽略；U形梁剪力滞效应不像箱形梁有明确的规范算法，设计中常采用的主要为能量变分法和叠加法[6-7]。

(3)预应力荷载:由于U形梁属开口薄壁不对称结构，应尽量减小左右腹板应力差，避免结构横向受弯，在恒载作用下，如发现截面应力分布左右相差较大，应先调整构造尺寸，在确定构造尺寸无法调整时，再调整钢束位置及型号，使左右腹板应力相差不多。

3 先张法和后张法简支U形梁综合对比分析

在相同的生产效率下(以月产量100孔梁为例)，对预制U形梁先张法和后张法施工工艺进行对比分析。由表3可见:先张法制梁周期短、存梁台座少、台座占地面积小、工序少；但先张法投入模板多、制梁台座多、需单独增加张拉设备。

由表4可知，先张法和后张法两种施工方法没有绝对的优劣之分，先张法施工工艺可节省梁厂占地面积，在用地困难、地价较高地区有明显优势；而且先张梁较后张梁生产周期短，当遇到工期紧张时，其机动灵活性更为明显。但先张法抗剪能力较后张法较弱，对施工技术要求较高，张拉台座及设备投入费用较高，只有梁片数较多时，才具有经济上的优势[8]。

表3 先张法和后张法施工工艺对比

表4 先张法和后张法综合对比

4 工程建议

针对U形梁开口薄壁不对称性、抗扭性能差的特点，对U形梁提出以下几点建议[9-12]:

(1)先张法U形梁由于腹板内未设置竖向弯起弯预应力钢束，抗剪能力较弱，且梁端上缘在不均匀温差荷载作用下出现拉应力。建议采用先、后张结合的施工方案，即在先张法梁腹板上设置两根后张法无粘结预应力钢束来解决抗剪承载力差和不均匀温差荷载作用下梁端上缘拉应力问题。

(2)U形梁属开口薄壁不对称结构，抗扭性能较差，设计时应尽量调整结构尺寸，使截面几何中心尽量靠近底板支座中心。

(3)轨道交通线路由于受房屋、道路、城市规划等限制，多出现小曲线半径线路，U形梁属开口薄壁不对称结构，同时又位于小曲线半径上，无论理论分析还是动静载试验均无法对小曲线半径上简支U形梁实际受力状态进行准确的模拟，但位于小曲线半径上的简支U形梁结构寿命一定远小于直线上的简支U梁，如不引起足够的重视，未来可能会引起U形梁的一种灾难；建议在以后的项目中，小曲线半径范围内采用其它安全可靠的结构替代简支U形梁结构。

(4)目前国内设计的后张法简支U形梁均采用金属波纹管成孔，而国内设计的铁路预制梁均采用抽拔橡胶棒成孔，建议后张法简支U梁也采用抽拔橡胶棒成孔，可降低工程造价。

(5)后张法简支U形梁在腹板张拉端钢束附近应力较为集中，容易出现斜向裂缝，设计时通过减小腹板钢束型号、增大锚下螺旋筋直径、加强腹板钢束定位、增设腹板纵向短钢筋和增加腹板断面护面钢筋等措施避免了裂缝的发生。