魯雪冬 宋曉東

中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031

橋梁橫向預應力筋是保證梁體橫向抗彎和抗扭能力的主要受力鋼筋，常布置在寬幅梁和長懸臂梁頂板中，用以限制結構在自重及荷載作用下頂板產(chǎn)生的橫向裂縫，對于寬幅橋梁和橫向裝配式橋梁有顯著作用。

隨著鐵路列車速度的提高，鐵路橋梁結構形式從早期的裝配式T梁逐漸過渡到整體式箱梁［1-2］。對于梁部橫向預應力筋，不同設計單位設置的方式和數(shù)量差異較大。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，小跨度結構多不設置橫向預應力筋，但大跨度簡支箱梁及主跨大于56 m的連續(xù)箱梁（剛構）頂板幾乎都設置了橫向預應力筋。因此，有必要針對鐵路預應力混凝土箱梁開展橫向預應力筋設置因素分析，從結構受力、經(jīng)濟性、施工工藝及結構耐久性等方面分析設置橫向預應力筋的效用及影響。這對于優(yōu)化工程設計標準有重要的意義，可為后續(xù)鐵路混凝土箱梁的設計提供借鑒。

1 現(xiàn)狀分析

鐵路橋梁以預應力混凝土簡支箱梁和連續(xù)箱梁為主，其中簡支箱梁結構在橋梁總里程中所占比重較大。以京滬高速鐵路為例，正線橋梁244座，總長1061 km，其中最常用跨度32 m雙線整孔簡支箱梁共計27973孔，全線簡支梁橋總長達956 km，占橋梁總里程的90%以上。其標準化的生產(chǎn)方式易于施工質(zhì)量控制，加快了施工速度，為順利完成中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃奠定了基礎。為彌補簡支箱梁在鐵路建設中跨度不足的問題，混凝土連續(xù)箱梁因其剛度大、整體性好、軌道平順、行車平穩(wěn)等優(yōu)點，在國內(nèi)外鐵路中得到了廣泛應用。

1.1 簡支箱梁

為解決高速鐵路建設中橋梁工程數(shù)量大而建設周期相對較短的問題，我國廣泛采用32 m等跨，配以20、24 m作為調(diào)跨的標準等跨徑預應力混凝土簡支梁方案，高質(zhì)量、高速度地實現(xiàn)了特長橋梁的建造。隨著架橋機能力的提高，跨度40 m的混凝土箱梁也逐步被采用。近年來，移動模架造橋機的研制成功，使混凝土簡支箱梁的跨度達到了64 m，這就更加擴大了鐵路簡支箱梁的使用范圍。

常用鐵路混凝土簡支箱梁的主要設計參數(shù)見表1（見下頁）。原中國鐵路總公司發(fā)布的單線、雙線簡支箱梁頂板均沒有設置橫向預應力筋，但是部分線參（某條線路參考圖）48、64 m雙線簡支箱梁設置了橫向預應力筋。與單線箱梁相比，雙線箱梁的橋面寬度和翼緣板較大，但兩線活載均作用在近腹板處，使得頂板彎矩較小，因此并未設置橫向預應力筋［3-4］。

表1 常用鐵路混凝土簡支箱梁的主要設計參數(shù)

1.2 連續(xù)箱梁

由于簡支梁無法跨越既有道路、河流、山谷等障礙，鐵路橋梁設計中通常采用預應力混凝土連續(xù)箱梁（剛構）方案。常用鐵路連續(xù)箱梁的主要設計參數(shù)見表2。原中國鐵路總公司發(fā)布的2368A系列雙線連續(xù)箱梁頂板并未設置橫向預應力筋，但是各鐵路設計院設計的大跨度連續(xù)梁均設置了橫向預應力筋。

表2 常用鐵路連續(xù)箱梁的主要設計參數(shù)

2 研究對象

選取了64 m大跨簡支箱梁和（80+3×144+80）m大跨度連續(xù)箱梁（圖1）開展研究。

圖1 簡支箱梁和連續(xù)箱梁跨中典型橫截面（單位：cm）

64 m簡支箱梁的主要技術標準為：客貨共線，設計速度為160 km/h，雙線，線間距4.6 m，軌道結構為有砟道床，二期恒載為170 kN/m。梁部采用C50混凝土單箱單室等高度箱梁，箱梁頂板寬10.1 m，底板寬5.5 m，梁高5.5 m。梁體采用分段預制，在移動支架造橋機上整孔組拼，整孔張拉，梁段之間以濕接縫連接。

（80+3×144+80）m連續(xù)箱梁的主要技術標準為：客貨共線，旅客列車設計速度為200 km/h，預留進一步提速條件，貨物列車設計速度120 km/h，雙線，線間距4.6 m，軌道結構為有砟道床，二期恒載為185 kN/m。梁部采用C55混凝土單箱單室變高度箱梁，箱梁頂板寬13.4 m，底板寬7.2 m，邊跨端部和跨中梁高6.0 m，中支點梁高11.0 m，其間采用圓曲線過渡。梁部采用掛籃分段懸臂澆筑施工。

3 設置橫向預應力筋的效用及影響

3.1 從結構橫向受力角度分析

預應力混凝土箱梁為空間結構，由于箱梁縱、橫兩個方向的耦合性不強，設計中一般將空間問題轉化為兩個平面問題開展研究。鑒于結構的主要受力方向為縱向，為了保證結構安全性和耐久性，規(guī)范規(guī)定縱向須以全預應力結構進行設計。與縱向受力相比，混凝土箱梁橫向設計是采用預應力筋布置方式還是普通鋼筋布置方式尚無明確規(guī)定。一般情況下，對于寬幅公路橋梁、裝配式橋梁或者橫向受力較弱的開口結構，多采用預應力筋，以增強橫向受力的穩(wěn)定性。但對于橋面寬度較窄、列車荷載車道相對固定的鐵路箱梁，結構橫向受力狀態(tài)較為固定。將箱梁橫向簡化為帶剛性支撐的框架結構，采用MIDAS Civil軟件，沿順橋向取1 m長度建立有限元模型進行計算。其中，頂板、底板和腹板均采用梁單元模擬，支承點位于主梁腹板中心線下緣。典型預應力混凝土箱梁結構的橫向設計計算考慮恒載（自重、二期恒載、底板徑向力、收縮和徐變）、活載（中-活載或ZK活載、橫向搖擺力、離心力和人群荷載）、附加力（日照、寒潮溫度效應和風力）、脫軌力組合作用?？紤]結構最不利受力采用以下組合方式：①恒載+活載（主力組合）；②主力組合+日照（寒潮）溫度效應（主力+附加力組合）［5-9］。

3.1.1 跨中截面彎矩

以（80+3×144+80）m混凝土連續(xù)箱梁為例，在主力工況下連續(xù)箱梁有無設置橫向預應力筋的跨中截面彎矩見圖2。可知：①箱梁頂板設置橫向預應力筋可以優(yōu)化箱梁頂板和腹板的內(nèi)力，使最大負彎矩從267 kN·m減小到179 kN·m；②頂板設置橫向預應力會增大底板中間的彎矩，使彎矩從156 kN·m增加到173 kN·m。頂板橫向預應力筋的設置可有效改善頂板受力，但會加劇底板不利受力。

圖2 在主力工況下連續(xù)箱梁的跨中截面彎矩（單位：kN?m）

3.1.2 箱梁截面高度

鐵路雙線箱梁橋的頂寬跟線間距有關，但相差不大，一般表現(xiàn)為箱梁兩腹板間距不變，只改變兩側翼緣板寬度。隨著跨度增大，箱梁梁高會相應增加。在箱梁寬度不變的情況下，研究隨著梁高的增加是否會引起箱梁橫向頂板、底板、腹板內(nèi)力及配筋發(fā)生較大變化。

以（80+3×144+80）m連續(xù)箱梁為例，選取跨中截面高6.0 m、中支點截面高11.0 m以及兩者中值8.5 m高截面進行受力分析。三種不同高度截面的配筋均為：頂板、底板采用?16@80，腹板采用?20@100。裂縫寬度計算結果見圖3。

圖3 箱梁截面高度對裂縫寬度的影響

由圖3可見：①三種不同截面高度的頂板、底板和腹板的裂縫均滿足小于0.2 mm的規(guī)范要求［9］；②隨著梁高增加，在相同配筋情況下，結構裂縫寬度有減小的趨勢。研究結果表明，隨著跨度增大、梁高增加，也可以不設置橫向預應力筋。

3.1.3 裂縫寬度

64 m簡支箱梁和（80+3×144+80）m連續(xù)箱梁均在頂板設有5Фs15.2@500的橫向預應力筋，頂板、底板和腹板設計均采用?16@80鋼筋，且本節(jié)采用箱梁頂板、腹板按鋼筋混凝土純彎構件設計，底板按鋼筋混凝土拉彎構件設計，以裂縫寬度為控制指標（主力作用時鋼筋混凝土結構構件的計算裂縫寬度不應超過0.20 mm，當主力+附加力作用時裂縫寬度不應超過0.24 mm），分別計算了主力、主力+附加力工況下各部件的裂縫寬度，見表3。

表3 有無橫向預應力筋時構件的裂縫寬度 mm

由表3可見：①當無橫向預應力筋時，若頂板、底板采用?16@80鋼筋（保持與原設計圖紙一致），僅腹板內(nèi)外側由?16@80改為?20@100時，在主力和主力+附加力工況下，結構的裂縫寬度也能滿足規(guī)范要求。②設置橫向預應力筋能有效地降低混凝土的開裂，但取消橫向預應力筋、適當增大普通鋼筋直徑也能使結構混凝土裂縫寬度滿足規(guī)范要求［8-9］。

綜上可知，大跨度箱梁截面只設普通鋼筋，截面受力及裂縫寬度依然能滿足規(guī)范要求。

3.2 從經(jīng)濟性角度分析

對于本文研究對象，其頂板以普通鋼筋代替預應力筋時亦可以滿足裂縫寬度的要求，普通鋼筋的數(shù)量要適當增加。

64 m簡支箱梁與（80+3×144+80）m連續(xù)箱梁跨中截面每米鋼筋用量對比見表4?？梢姡涸谠O計圖中，64 m簡支箱梁與（80+3×144+80）m連續(xù)箱梁跨中截面每米預應力筋分別為47.6、131.0 kg，普通鋼筋分別為1005.5、1357.0 kg；頂板無預應力筋時所需的每米普通鋼筋數(shù)量分別為1005.5、1473.3 kg，每米鋼筋總量變化分別為-47.6、-14.7 kg。

表4 跨中截面每米鋼筋用量對比 kg

從工程造價方面來講，預應力筋單價要遠大于普通鋼筋，預應力筋（含張拉）的工程費用約10500元/t，普通鋼筋的約5500元/t，預應力筋的工程費用約為普通鋼筋的2倍。本文研究對象中無橫向預應力筋跨中截面每米的鋼筋造價比原設計分別減少了499.80、735.85元/t。因此，在滿足工程結構受力的條件下，僅配置普通鋼筋的設計更為經(jīng)濟。

3.3 從施工工藝及結構耐久性角度分析

單線、雙線鐵路箱梁的箱寬一般變化不大，頂板厚度較小。隨著跨度增大，縱向預應力筋增多，頂板設置橫向預應力筋會使得橫向預應力筋出現(xiàn)多次彎折，預應力損失較大，管道不好布置，還會與普通鋼筋重疊，導致混凝土不密實的可能性增大。為了避免這種情況的發(fā)生，一般需要加大頂板尺寸，從而引起混凝土和鋼筋相應增加。

頂板如不設置橫向預應力筋，施工時不用預埋相應管道，省去了預應力筋的張拉和施工后的封錨工序。不僅施工程序得以簡化，混凝土可以一次澆筑成型，還能夠有效保證混凝土密實性和施工質(zhì)量，亦避免了封錨處防水處理不好引起錨頭銹蝕的風險，提高結構耐久性［10］。

4 結論

1）預應力混凝土箱梁頂板設置橫向預應力筋雖然可以優(yōu)化箱梁頂板和腹板的受力，但同時會增大底板中間的彎矩。

2）在主力或主力+附加力共同作用下，鐵路混凝土箱梁采用普通鋼筋配置方式，結構的裂縫寬度依然能滿足規(guī)范要求，且可以減少工程量，降低造價。

3）鐵路混凝土箱梁橫向受力主要與橋面布置方式、橫向荷載有關，與跨度和梁高無直接關系。

4）頂板無橫向預應力筋能顯著簡化施工工序，進而有利于保證梁體混凝土的密實性，提高其耐久性。