铁路混凝土箱梁是否设置横向预应力筋的探讨

2022-02-12鲁雪冬宋晓东

铁道建筑 2022年1期

鲁雪冬宋晓东

中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031

桥梁横向预应力筋是保证梁体横向抗弯和抗扭能力的主要受力钢筋，常布置在宽幅梁和长悬臂梁顶板中，用以限制结构在自重及荷载作用下顶板产生的横向裂缝，对于宽幅桥梁和横向装配式桥梁有显著作用。

随着铁路列车速度的提高，铁路桥梁结构形式从早期的装配式T梁逐渐过渡到整体式箱梁［1-2］。对于梁部横向预应力筋，不同设计单位设置的方式和数量差异较大。经调研发现，小跨度结构多不设置横向预应力筋，但大跨度简支箱梁及主跨大于56 m的连续箱梁（刚构）顶板几乎都设置了横向预应力筋。因此，有必要针对铁路预应力混凝土箱梁开展横向预应力筋设置因素分析，从结构受力、经济性、施工工艺及结构耐久性等方面分析设置横向预应力筋的效用及影响。这对于优化工程设计标准有重要的意义，可为后续铁路混凝土箱梁的设计提供借鉴。

1 现状分析

铁路桥梁以预应力混凝土简支箱梁和连续箱梁为主，其中简支箱梁结构在桥梁总里程中所占比重较大。以京沪高速铁路为例，正线桥梁244座，总长1061 km，其中最常用跨度32 m双线整孔简支箱梁共计27973孔，全线简支梁桥总长达956 km，占桥梁总里程的90%以上。其标准化的生产方式易于施工质量控制，加快了施工速度，为顺利完成中长期铁路网规划奠定了基础。为弥补简支箱梁在铁路建设中跨度不足的问题，混凝土连续箱梁因其刚度大、整体性好、轨道平顺、行车平稳等优点，在国内外铁路中得到了广泛应用。

1.1 简支箱梁

为解决高速铁路建设中桥梁工程数量大而建设周期相对较短的问题，我国广泛采用32 m等跨，配以20、24 m作为调跨的标准等跨径预应力混凝土简支梁方案，高质量、高速度地实现了特长桥梁的建造。随着架桥机能力的提高，跨度40 m的混凝土箱梁也逐步被采用。近年来，移动模架造桥机的研制成功，使混凝土简支箱梁的跨度达到了64 m，这就更加扩大了铁路简支箱梁的使用范围。

常用铁路混凝土简支箱梁的主要设计参数见表1（见下页）。原中国铁路总公司发布的单线、双线简支箱梁顶板均没有设置横向预应力筋，但是部分线参（某条线路参考图）48、64 m双线简支箱梁设置了横向预应力筋。与单线箱梁相比，双线箱梁的桥面宽度和翼缘板较大，但两线活载均作用在近腹板处，使得顶板弯矩较小，因此并未设置横向预应力筋［3-4］。

表1 常用铁路混凝土简支箱梁的主要设计参数

1.2 连续箱梁

由于简支梁无法跨越既有道路、河流、山谷等障碍，铁路桥梁设计中通常采用预应力混凝土连续箱梁（刚构）方案。常用铁路连续箱梁的主要设计参数见表2。原中国铁路总公司发布的2368A系列双线连续箱梁顶板并未设置横向预应力筋，但是各铁路设计院设计的大跨度连续梁均设置了横向预应力筋。

表2 常用铁路连续箱梁的主要设计参数

2 研究对象

选取了64 m大跨简支箱梁和（80+3×144+80）m大跨度连续箱梁（图1）开展研究。

图1 简支箱梁和连续箱梁跨中典型横截面（单位：cm）

64 m简支箱梁的主要技术标准为：客货共线，设计速度为160 km/h，双线，线间距4.6 m，轨道结构为有砟道床，二期恒载为170 kN/m。梁部采用C50混凝土单箱单室等高度箱梁，箱梁顶板宽10.1 m，底板宽5.5 m，梁高5.5 m。梁体采用分段预制，在移动支架造桥机上整孔组拼，整孔张拉，梁段之间以湿接缝连接。

（80+3×144+80）m连续箱梁的主要技术标准为：客货共线，旅客列车设计速度为200 km/h，预留进一步提速条件，货物列车设计速度120 km/h，双线，线间距4.6 m，轨道结构为有砟道床，二期恒载为185 kN/m。梁部采用C55混凝土单箱单室变高度箱梁，箱梁顶板宽13.4 m，底板宽7.2 m，边跨端部和跨中梁高6.0 m，中支点梁高11.0 m，其间采用圆曲线过渡。梁部采用挂篮分段悬臂浇筑施工。

3 设置横向预应力筋的效用及影响

3.1 从结构横向受力角度分析

预应力混凝土箱梁为空间结构，由于箱梁纵、横两个方向的耦合性不强，设计中一般将空间问题转化为两个平面问题开展研究。鉴于结构的主要受力方向为纵向，为了保证结构安全性和耐久性，规范规定纵向须以全预应力结构进行设计。与纵向受力相比，混凝土箱梁横向设计是采用预应力筋布置方式还是普通钢筋布置方式尚无明确规定。一般情况下，对于宽幅公路桥梁、装配式桥梁或者横向受力较弱的开口结构，多采用预应力筋，以增强横向受力的稳定性。但对于桥面宽度较窄、列车荷载车道相对固定的铁路箱梁，结构横向受力状态较为固定。将箱梁横向简化为带刚性支撑的框架结构，采用MIDAS Civil软件，沿顺桥向取1 m长度建立有限元模型进行计算。其中，顶板、底板和腹板均采用梁单元模拟，支承点位于主梁腹板中心线下缘。典型预应力混凝土箱梁结构的横向设计计算考虑恒载（自重、二期恒载、底板径向力、收缩和徐变）、活载（中-活载或ZK活载、横向摇摆力、离心力和人群荷载）、附加力（日照、寒潮温度效应和风力）、脱轨力组合作用。考虑结构最不利受力采用以下组合方式：①恒载+活载（主力组合）；②主力组合+日照（寒潮）温度效应（主力+附加力组合）［5-9］。

3.1.1 跨中截面弯矩

以（80+3×144+80）m混凝土连续箱梁为例，在主力工况下连续箱梁有无设置横向预应力筋的跨中截面弯矩见图2。可知：①箱梁顶板设置横向预应力筋可以优化箱梁顶板和腹板的内力，使最大负弯矩从267 kN·m减小到179 kN·m；②顶板设置横向预应力会增大底板中间的弯矩，使弯矩从156 kN·m增加到173 kN·m。顶板横向预应力筋的设置可有效改善顶板受力，但会加剧底板不利受力。

图2 在主力工况下连续箱梁的跨中截面弯矩（单位：kN∙m）

3.1.2 箱梁截面高度

铁路双线箱梁桥的顶宽跟线间距有关，但相差不大，一般表现为箱梁两腹板间距不变，只改变两侧翼缘板宽度。随着跨度增大，箱梁梁高会相应增加。在箱梁宽度不变的情况下，研究随着梁高的增加是否会引起箱梁横向顶板、底板、腹板内力及配筋发生较大变化。

以（80+3×144+80）m连续箱梁为例，选取跨中截面高6.0 m、中支点截面高11.0 m以及两者中值8.5 m高截面进行受力分析。三种不同高度截面的配筋均为：顶板、底板采用ϕ16@80，腹板采用ϕ20@100。裂缝宽度计算结果见图3。

图3 箱梁截面高度对裂缝宽度的影响

由图3可见：①三种不同截面高度的顶板、底板和腹板的裂缝均满足小于0.2 mm的规范要求［9］；②随着梁高增加，在相同配筋情况下，结构裂缝宽度有减小的趋势。研究结果表明，随着跨度增大、梁高增加，也可以不设置横向预应力筋。

3.1.3 裂缝宽度

64 m简支箱梁和（80+3×144+80）m连续箱梁均在顶板设有5Фs15.2@500的横向预应力筋，顶板、底板和腹板设计均采用ϕ16@80钢筋，且本节采用箱梁顶板、腹板按钢筋混凝土纯弯构件设计，底板按钢筋混凝土拉弯构件设计，以裂缝宽度为控制指标（主力作用时钢筋混凝土结构构件的计算裂缝宽度不应超过0.20 mm，当主力+附加力作用时裂缝宽度不应超过0.24 mm），分别计算了主力、主力+附加力工况下各部件的裂缝宽度，见表3。

表3 有无横向预应力筋时构件的裂缝宽度 mm

由表3可见：①当无横向预应力筋时，若顶板、底板采用ϕ16@80钢筋（保持与原设计图纸一致），仅腹板内外侧由ϕ16@80改为ϕ20@100时，在主力和主力+附加力工况下，结构的裂缝宽度也能满足规范要求。②设置横向预应力筋能有效地降低混凝土的开裂，但取消横向预应力筋、适当增大普通钢筋直径也能使结构混凝土裂缝宽度满足规范要求［8-9］。

综上可知，大跨度箱梁截面只设普通钢筋，截面受力及裂缝宽度依然能满足规范要求。

3.2 从经济性角度分析

对于本文研究对象，其顶板以普通钢筋代替预应力筋时亦可以满足裂缝宽度的要求，普通钢筋的数量要适当增加。

64 m简支箱梁与（80+3×144+80）m连续箱梁跨中截面每米钢筋用量对比见表4。可见：在原设计图中，64 m简支箱梁与（80+3×144+80）m连续箱梁跨中截面每米预应力筋分别为47.6、131.0 kg，普通钢筋分别为1005.5、1357.0 kg；顶板无预应力筋时所需的每米普通钢筋数量分别为1005.5、1473.3 kg，每米钢筋总量变化分别为-47.6、-14.7 kg。

表4 跨中截面每米钢筋用量对比 kg

从工程造价方面来讲，预应力筋单价要远大于普通钢筋，预应力筋（含张拉）的工程费用约10500元/t，普通钢筋的约5500元/t，预应力筋的工程费用约为普通钢筋的2倍。本文研究对象中无横向预应力筋跨中截面每米的钢筋造价比原设计分别减少了499.80、735.85元/t。因此，在满足工程结构受力的条件下，仅配置普通钢筋的设计更为经济。