基于拱桥受力特点提出的新型预制拱形梁设计

祖威威，卢永飞，郭建伟

（西北民族大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730030）

1 前言

预制装配式结构作为我国建筑工程产业化的主要施工方式之一，对于经济发展、资源节约、环境保护等方面都有着举足轻重的优势，这种结构更加适应当前城市建筑开发的需要。为响应国家绿色建筑发展理念的号召，将预制梁构件结合桥梁工程中拱桥的受力特点提出了更加节能省材又环保的新型预制拱形梁构件。通过比较新型预制拱形梁构件和普通预制拱形梁构件的受力特点，并在结合工程实际的基础上使用有限元模型对他们的结构进行分析，从而提出了比先前更加轻量化的设计方案。最后，根据预制拱形梁的结构和受力特点，在参考了普通预制梁的制备流程和装配方法后设计出了新型拱形预制梁的工厂预制流程和装配方法。

2 普通梁结构和拱结构的受力特点分析

2.1 普通预制梁受力特点分析

普通预制混凝土梁在荷载作用中主要承受弯矩和剪力，横截面中和轴上半部分主要承担压应力，下半部分则主要承担拉应力。因为素混凝土的抗拉强度远远小于抗压强度，所以素混凝土构件不能用作承受较大拉应力的构件。常规的方法是在混凝土梁的底部受拉区域设置纵向钢筋，混凝土部分开裂后产生的拉应力就由受拉区的钢筋来承受，充分发挥混凝土抗压强度较高和钢筋抗拉强度较高的优势，二者相互协调共同承担外力作用，从而增加混凝土梁的承载能力（混凝土梁截面配筋图如下图1所示）。在预制混凝土梁的设计中最不利的截面位置是在跨中和支点处，支点处剪力达到最大值，跨中处弯矩达到最大值，因此在结构设计时要注重支点和跨中的截面校核，校核剪力过大时需增加箍筋的配置或弯起钢筋的数量，校核弯矩过大时需加大截面面积以满足承载力的要求。为满足承载力要求，混凝土梁的截面尺寸设计的很大，配筋率也很高，因此造成了不必要的资源浪费。由预制梁的有限元模型进行单元模拟分析可知（钢筋混凝土梁有限元模型图如下图2所示），普通预制混凝土梁受上部的均布荷载作用时其内部受力分布不均衡，导致了较多区域的混凝土参与受力而局部区域几乎不参与受力的情况，混凝土没能完全发挥其抗压材料的作用而造成材料浪费。

图1 混凝土梁截面配筋图

图2 钢筋混凝土梁有限元模型图

2.2 拱桥受力特点及模型分析

拱式结构在竖向荷载作用下，两端将产生水平推力，拱与梁的最大区别之处就在于是否存在水平推力，利用其独特的受力体系借助水平推力把原本由上部荷载产生的弯矩应力大部分转化为压应力，从而大大减小了拱桥的截面弯矩，使之成为偏心受压构件，使截面应力分布得更加均匀。由小跨径拱桥的有限元模型进行单元模拟分析可知，相较于普通预制梁而言，拱桥的受力分布更加均匀（拱桥有限元模型图如下图3所示），局部区域出现应力较大的地方相对较少，使混凝土能充分发挥其材料的抗压性能，相同工况下拱桥的跨中弯矩远小于普通预制梁的弯矩，两端剪力也因其独特的构造而有所降低，其对材料的使用更加节省，用钢量也大大降低。

图3 拱桥有限元模型图

3 结合拱桥受力特点提出的新型预制梁受力特点分析

结合拱形梁结构受力均匀且跨中弯矩较小而普通预制梁局部应力较大、受力不均匀且跨中弯矩较大的特点，将拱桥的受力体系用在预制梁中，提出了新型的拱形预制梁的新思路。拱形预制梁具有拱桥受力均匀、节省材料的优点，达到了预制构件轻量化设计的目的。

3.1 两种预制梁挠度对比

挠度是荷载作用下构件弯曲变形时横截面沿轴线垂直方向的竖向位移，挠度值大小能够间接反映构件承载能力的大小。根据图4普通预制梁和拱形预制梁的竖向位移模拟结果图（85 kN时），可知相同跨径和荷载作用下两种梁的挠曲线发展趋势基本相似，但拱形梁挠曲线的发展趋势明显比普通预制梁更缓和，同种工况下拱形梁产生的竖向位移更小，在工程实际中其承载力远大于普通预制梁。

图4 标准均布荷载作用下两种梁的挠度曲线图（85 kN时）

3.2 两种梁的钢筋布置

根据普通预制梁上部受压下部受拉的受力特点，在其下部布置主钢筋并根据剪力大小配置适当的箍筋，而预制拱形梁沿下部拱圈布置钢筋，其在支点剪力较大的位置处横截面足够大只需加配少量箍筋，由于两者受力体系不同拱形预制梁的配筋率远低于普通预制梁。由于拱形梁在竖向荷载下会产生水平推力，若采用预应力钢筋能够最大程度上削减水平推力对建筑物偏心的影响，同时也能减小荷载作用下拱形梁的挠度值。因此拱形梁在实际工程应用中应采用预应力钢筋配置，以减少水平推力对建筑稳定性的影响。

3.3 借鉴传统木质拱形梁结构的拱形梁特征

大多数传统木构建筑都是采用木质的拱形梁，其具有承载能力高、跨径较大的特点，在木质结构中应用十分广泛。根据所处位置和使用功能的不同，拱形梁在不同规模的传统木构建筑中所处的位置与自身的“弧度”特征有所不同。形状如弯月是木质拱形梁最主要的外形特征，弯曲程度不同的木质拱形梁也展现出不同的“弧度”。其大致分为三类，尺寸较长弧度较小的木质拱形梁形制、尺寸较长弧度较缓的木质拱形梁形制和尺寸较短弧度较大的木质拱形梁形制。新型预制拱形梁主要采用第一类木质拱形梁形制，但是根据建筑形式的不同也可以采用第二类和第三类形制来替代第一类木质拱形梁形制。相较于传统木质拱形梁，预制拱形梁的材料强度更大，各区域的材料配置以及受力情况也更加合理，其承载能力和跨径都远高于传统的木质拱形梁，更加适用于装配式高层房屋建筑中。

4 借鉴普通预制梁生产工艺的新型梁的预制工艺技术

新型梁的预制生产可以在普通预制工厂的流水线上进行生产。预制拱形梁流水生产线计划配置四套移动式台座、一套智能液压模板、一套蒸汽养护设施以及供台座移动的钢轨和各设备的电力设施。本生产线采用移动式台座并利用钢筋骨架焊接装配胎架区、制梁区、蒸汽养护区以及预应力张拉区，装配完成后将四个区域有机串联，进行工厂化流水线生产作业。其工艺流程如图5所示。

5 预制拱形梁的装配

拱形梁的装配主要是进行梁柱节点的连接，普通梁通过两端预留钢筋与预制柱顶钢筋绑扎并通过连接灌浆套筒浇筑混凝土以达到牢固结合的目的，而预制拱形梁的配筋较少，因此外伸钢筋数目较少，不足以与预制柱进行连接。为解决此问题，需要在预制拱形梁绑扎钢筋时，根据设计要求在预制拱形梁两端预埋外接钢筋或预埋螺栓，预埋外接钢筋或螺栓长度应大于5倍的外伸长度以保证锚固力达到节点连接要求。

预制拱形梁、柱节点部分采用叠合混凝土现浇的形式进行连接，在预制拱形梁制作时将梁的端面做成粗糙面或下方拱支座安置处留置剪力槽，外露钢筋或螺栓的长度按锚固力计算要求进行留置和锚固。预制拱形梁与柱吊装对接就位后进行钢筋绑扎，绑扎完成后进行底模和侧模等的支撑，最后在预留外露的节点处进行混凝土整体叠合现浇。采用螺纹端锚板进行边柱及角柱预制梁叠合层钢筋锚固，并采用螺纹连接锚板形式进行装配式结构预制框架上下柱节点钢筋的锚固，防止梁柱节点叠合部分钢筋碰撞，导致钢筋绑扎和施工等问题。

图5 新型梁的预制工艺流程

6 总结

借鉴上承式拱桥的受力特点提出的新型预制拱形梁具有承载能力高、受力均匀、节能省材、美观性好等特点。借鉴传统木质拱形梁结构，在梁的外观方面可以做出很大的创新，有助于形成别具一格的建筑样式，带领装配式建筑行业向轻量化、简约化、美观化方向发展。随着预制梁技术的逐渐成熟，越来越多轻量化的预制梁设计方案被提出，借助不同形状构件的受力特点设计出既经济又美观的新型构件是其未来发展的趋势。虽然本设计在预制拱形梁拱度和两端水平推力平衡方面还不够成熟，但可以作为预制构件创新的参考方向。