预应力混凝土变宽连续梁纵向钢束方案研究
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摘 要：针对预应力混凝土变宽连续箱梁纵向钢束的设计方案，通过 Midas Civil 桥梁有限元软件对预应力钢束的配置方案进行比选分析。研究表明，使用钢束连接器对钢束进行接续的分段布束方式，使梁部的受力状态更为合理，钢束配置更为经济。
关键词：城市轨道交通;桥梁;变宽连续梁;预应力钢束;优化设计
中图分类号：TU37
1 工程概述
预应力混凝土连续箱梁桥作为城市轨道交通高架线的重要组成部分，其预应力钢束设计合理与否不仅决定着桥梁结构的受力性能、经济指标，还影响施工作业方式和工序，进而影响到施工期间对周边环境的改变。对于城市轨道交通高架线的站桥衔接部、公路互通立交的主线与匝道交叉处等桥面宽度变化的预应力混凝土连续箱梁，由于其桥面宽度有较大幅度的变宽，桥梁上部结构恒荷载变化明显，对变宽梁纵向预应力钢束的设计较等宽梁更为复杂。
深圳市轨道交通 4 号线三期工程为既有 4 号线的延伸线，工程范围均在龙华新区范围内。其中，区间段跨石清大道上部结构为预应力连续箱梁，左右双线行车，桥跨布置为 40 m + 60 m + 40 m，直腹板的变截面单箱双室结构，箱梁顶板（桥面）宽度为 19.243～10.488 m，底板宽度为 14.425～5.688 m，梁高 2.0～4.0 m。箱梁底板厚度为 25～70 cm，顶板厚度除支点处横隔梁段及相邻倒角范围外，其余段等厚为 30 cm，箱梁腹板厚度 52～80 cm。桥梁平面位于 R≥800 m 圆曲线和缓和曲线部分。箱梁采用 C50 混凝土，后张法预应力钢束采用
s15.24 mm 钢绞线，按全预应力混凝土构件设计。箱梁采用满堂支架法施工。
2 计算模型及计算荷载
2.1 计算模型
目前，曲线桥梁计算理论有单纯弯扭理论、翘曲弯扭理论、梁格法理论、正交异性板理论、折板理论、能量法理论等，主要的计算模型有单梁模型、梁格模型、实体模型。单梁模型是将弯桥结构当作集中在梁轴线中心处的弹性杆件来进行的简化处理，并假定梁体承受荷载后在横截面面内依然保持为平面，即没有发生翘曲变形，截面为刚性，保持形状不变。单梁模型受力状态清晰、应用简单易懂，是桥梁设计工作者比较容易接受的计算模型。
橋梁纵向计算时，桥长 40 m + 60 m + 40 m = 140 m，桥跨较梁宽而言宽跨比均大于 2。对比以往工程经验，用单梁法和梁格法计算得到的腹板应力存在一定的差异，但梁较窄时 2 种方法计算得到的结果相差较小。因此，本文采用单梁模型进行纵向预应力钢束的配置计算分析，见图 1。
2.2 计算荷载
线路及列车情况：正线双线，正线线间距10.99～4.08 m，位于直线及 R≥800 m 的圆曲线和缓和曲线上;列车 6A 编组，最高运行速度 80 km/h。
二期恒载：包括线路设施、电缆设备支架、电缆槽、直立式声屏障、护栏、桥面防水等。根据梁宽变化，二期恒载取 127.5～93.7 kN/m。
基础变位影响：按支座不均匀沉降 10 mm 的组合工况考虑。
其他：混凝土收缩和徐变的影响、列车动力系数、离心力、横向摇摆力、无缝钢轨作用力、制动力和牵引力、风荷载、温度作用等，均根据现行 GB 51234-2017《城市轨道交通桥梁设计规范》和轨道交通类相关规范进行计算。
3 纵向配束方案对比分析
3.1 预应力筋束配置原则
一般来讲，连续梁预应力筋束的配置应主要考虑以下几条原则。
（1）满足构造要求，如锚孔中心最小距离、孔道中心最小距离、最小曲线半径、最小护孔长度、张拉千斤顶工作空间，以及预应力钢束平弯及竖弯的最薄保护层厚度、孔道之间的净距等。
（2）预应力钢束的布置既要符合结构受力的要求，又要注意避免在超静定结构中引起过大的结构次内力。
（3）预应力钢束的张拉端位置交错，每根钢束在张拉端都产生一巨大的集中力，这种处理降低了多个锚下应力集中的复杂状况。
（4）预应力钢束布置应尽量避免使用多次反向曲率的连续束，否则会引起很大的摩阻损失，降低经济效益。
（5）预应力钢束的布置要考虑施工便利性。
3.2 预应力筋束配置方案
对于设计过程中后张法预应力混凝土连续箱梁预应力钢束布置的进一步优化调整，通常结合施工工序调整钢束张拉顺序，并设置腹板钢束分段长度来进行配束优化。本文给出 2 种箱梁配束方案如下。
3.2.1 腹板束通长方案（方案 1）
该方案腹板内设置通长钢束，中支点、梁跨中部位分别增设顶底板短束。该方案在中跨跨中合拢，采用钢束样式少，预应力张拉顺序简明，施工工序少;但由于梁宽由宽变窄，变化幅度较大，左右边跨箱梁自重差异明显。为第 1 跨和中跨而配置的腹板钢束，在第 3 跨向下竖弯至底板时，将对箱梁顶板产生较大的拉应力，因此，腹板钢束在第 3 跨由顶层伸至梁端，见图 2。
该方案共设置钢束 52 根，施工步序共 10 步：搭设满堂支架、浇筑中支点梁段→张拉U4～U5、U4'～U5' 钢束→由中支点向内外两侧继续浇筑→张拉U1～U3、U1'～U3' 钢束→浇筑梁端混凝土→浇筑中跨合拢段→张拉 B1～B4 钢束、F1～F4 钢束→拆除满堂支架→二期荷载→收缩徐变。
3.2.2 腹板束接续方案（方案 2）
该方案腹板内钢束设 2 行通长束，并在中跨范围内设 1 行腹板束，待中跨混凝土浇筑完成后，在第 1 跨内进行腹板束接续，另在中支点、梁跨中部位分别增设顶底板短束。该方案先施工中支点和中跨，再施工两侧边跨，钢束样式略多，施工工序相对复杂一些，但充分考虑了梁宽大幅度变化的影响，箱梁受力更为合理，且钢束用量也更为经济，见图 3。 该方案共设置钢束 63 根，其中腹板束 F3（中跨）、
F4（中跨）在中跨张拉并浇筑完成后，再用钢束连接器与 F3（第 1 跨）、F4（第 1 跨）连接为 1 根至梁端单端张拉。施工步序共 12 步：搭设满堂支架、浇筑中支点梁段→张拉 U4～U5、U4'～U5' 钢束→中跨合拢浇筑→张拉 B1～B2、F3（中跨）、F4（中跨）钢束→浇筑第 1 跨混凝土→张拉T1、U1～U3、F3（第 1 跨）、F4（第 1 跨）钢束→浇筑第 3 跨混凝土→张拉 T1'、U1'～U3'钢束→张拉 F1～F2 钢束→拆除满堂支架→二期荷载→收缩徐变。
3.2.3 方案比选
使用 Midas Civil 软件分别对 2 种配束方案进行计算分析，通过对 2 个方案中各钢束张拉控制应力的多次试算、比对结果，得出 2 个方案钢束优化后的计算结果（表 1～表 3）。
通过对表 1～表 3 计算结果进行对比分析可见，腹板束接续方案（方案 2）在节省钢绞线用量 11% 的情况下，其正截面应力、混凝土主拉应力和主压应力数值均适当降低，表明整个箱梁的受力性能更好，配束方式更为合理。虽然抗弯强度安全系数略有降低，但仍满足规范要求的主力工况下安全系数 2.2、主力 + 附加力工况下安全系数 1.98 的要求，且具备一定的安全储备。本文推荐腹板束接续方案（方案 2）作为优选方案。
4 结语
通过对本文预应力混凝土变宽连续箱梁纵向钢束2 个设计方案的比选表明，以腹板束通长的配束方式（方案 1），钢束配置在桥面较宽一侧满足条件的前提下，在桥面较窄一侧则呈现出冗多的情况，导致钢束总用量偏多;以腹板束接续的配束方式（方案 2），預应力钢束的配置符合“哪里用束配哪里”的情况，梁部的受力状态更为合理，且钢束总用量少。
因此，对于此类宽度变化较大的桥梁，腹板束接续配束方式对桥梁整体受力体系具有更显著的效果，在工程经济性方面具有更大的优势。
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收稿日期 2018-10-09
责任编辑 朱开明
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