先張法和后張法簡支U形梁綜合對比分析

姜海君

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 工程概況

青島地鐵11號線為引領青島城市發展的軌道交通快線和重要的旅游觀光線，區間標準段上部結構采用線形流暢、輕巧、美觀、結構高度低的預制架設雙線小U形梁；下部結構采用造型優美、輕盈的寶石型預應力混凝土蓋梁，與線路周邊環境交相輝映，完美融合，體現出青島“藍天碧海”的地域特色，詳見圖1。

圖1 簡支U梁效果圖

由于簡支U形梁外形美觀、建筑結構高度低(可降低全線縱斷面)、降噪效果好(U梁腹板具有阻隔輪軌噪聲的作用)、兩側腹板可兼作聲屏障、疏散平臺、電纜支架作用等特點，在城市軌道交通中應用越來越廣泛。國內首次采用U形梁結構的是法國人設計的上海地鐵16號線。國內首次采用自主設計U形梁的是南京地鐵S1線。初步統計，目前國內已經有上海、南京、重慶、鄭州、青島、濟南、深圳、北京等多個城市軌道交通中采用了U形梁結構[1]，詳見表1。但國內自主設計的U形梁采用的大多數為后張法簡支U形梁，自從青島地鐵11號線嘗試部分區段采用先張法簡支U形梁后，先張法簡支U形梁才得以在青島地鐵13號線和深圳地鐵6號線中應用。

表1 國內簡支U形梁軌道交通施工方法統計

由于先張法和后張法簡支U形梁在國內都得到了成功應用，在未來項目中先張法和后張法簡支U形梁的選擇至關重要。本文以青島地鐵11號線先張法和后張法簡支形U梁為背景對兩種施工方法簡支U形梁進行綜合對比分析，為后續項目簡支U形梁施工方法的選擇提供一定的經驗。

2 結構設計

2.1 結構尺寸及鋼束布置

以跨度30 m直線簡支U形梁為例[2-3]，兩種施工方法簡支U形梁采用相同的結構尺寸，均采用94束φj15.2 mm低松弛鋼絞線。后張法簡支U形梁底板采用8根10-φj15.2 mm鋼束，腹板采用2根7-φj15.2 mm鋼束；先張法簡支U形梁底板共設置94束單根直鋼束，其中27束N1為通長束，30束N2兩側梁端失效長度均為2.4 m，37束N3兩側梁端失效長度均為5.0 m。結構布置圖及預應力鋼束布置圖詳見圖2～圖5。

圖2 簡支U形梁支點橫斷面(單位：mm)

圖3 簡支U形梁跨中橫斷面(單位：mm)

圖4 后張法簡支U形梁支點預應力橫斷面(單位：mm)

圖5 先張法簡支U形梁支點預應力橫斷面(單位：mm)

表2 先張法和后張法工程數量對比

由表2可知:

(1)兩種施工方法混凝土、預應力鋼絞線、普通鋼筋數量基本相同；后張法梁較先張法梁增加了錨具、金屬波紋管的數量；后張法梁材料總造價略高于先張法梁，但兩者相差不多。

(2)由于先張法梁腹板無彎起預應力鋼束，抗剪能力較后張法梁差，且在溫度荷載作用下梁端容易出現拉應力。

(3)后張法梁采用金屬波紋管成孔，對結構的消弱較先張法梁大。先張法梁預應力鋼束耐久性較后張法梁好。

2.2 計算模型建立原則

在結構受力上，U形梁屬開口薄壁不對稱結構，抗扭性能較差，呈明顯的空間受力特征，荷載的加載位置對其局部受力影響較大，如果單純依靠一般橋梁結構平面桿系結構分析程序難以準確分析結構的實際受力狀況。故設計中分別采用平面桿系模型和空間三維實體模型進行分析，平面桿系模型主要用于結構整體受力、預應力鋼束效應和混凝土收縮徐變的分析。空間三維實體模型主要用于截面應力分布規律的研究，根據實體模型的計算結果對平面桿系模型及結構的總體應力儲備進行調整[4]。按以下計算步驟對結構進行計算:

第一步，采用專用平面桿系模型對結構的構造、鋼束布置、總體受力、預應力損失和混凝土收縮徐變情況進行初步分析。

第二步，采用空間三維實體模型，詳細對U形梁的橫向道床板厚度、剪力滯系數、縱橫向荷載的空間效應和預應力效應進行綜合分析，確定結構合理構造尺寸，并根據結構的空間應力分布情況，修正實際結構的剛度、應力、抗裂性等結構設計指標。

第三步，通過平面桿系模型和空間三維實體模型計算結果對比分析，相互補充，共同研究結構受力性能。

2.3 特別注意設計荷載

(1)不均勻溫差荷載:常規簡支箱梁結構，梁體不均勻溫差荷載可在梁端上緣產生2 MPa左右的拉應力，故梁體不均勻溫差荷載在簡支梁設計中起控制性作用，箱形結構規范中有明確的不均勻溫差荷載加載方式，但由于U形梁結構較為特殊，箱形梁不均勻溫差荷載加載方式不適用，且國內外規范中均無U形梁結構不均勻溫差荷載加載方式要求，U形梁不均勻溫差荷載加載方式成了制約U形梁設計的難題，本項目U形梁不均勻溫差荷載按腹板頂至底板頂由8℃線性變化至4℃、底板頂至底板底由4℃線性變化至3℃考慮[5]，U形梁不均勻溫差荷載圖示詳見圖6。

圖6 U形梁不均勻升溫的溫度模式

(2)剪力滯效應:剪力滯是梁在彎曲過程中由于剪力在翼緣板中傳遞滯后而引起截面正應力在橫向分布不均勻的現象；U形梁剪力滯效應較為明顯，設計時絕對不能忽略；U形梁剪力滯效應不像箱形梁有明確的規范算法，設計中常采用的主要為能量變分法和疊加法[6-7]。

(3)預應力荷載:由于U形梁屬開口薄壁不對稱結構，應盡量減小左右腹板應力差，避免結構橫向受彎，在恒載作用下，如發現截面應力分布左右相差較大，應先調整構造尺寸，在確定構造尺寸無法調整時，再調整鋼束位置及型號，使左右腹板應力相差不多。

3 先張法和后張法簡支U形梁綜合對比分析

在相同的生產效率下(以月產量100孔梁為例)，對預制U形梁先張法和后張法施工工藝進行對比分析。由表3可見:先張法制梁周期短、存梁臺座少、臺座占地面積小、工序少；但先張法投入模板多、制梁臺座多、需單獨增加張拉設備。

由表4可知，先張法和后張法兩種施工方法沒有絕對的優劣之分，先張法施工工藝可節省梁廠占地面積，在用地困難、地價較高地區有明顯優勢；而且先張梁較后張梁生產周期短，當遇到工期緊張時，其機動靈活性更為明顯。但先張法抗剪能力較后張法較弱，對施工技術要求較高，張拉臺座及設備投入費用較高，只有梁片數較多時，才具有經濟上的優勢[8]。

表3 先張法和后張法施工工藝對比

表4 先張法和后張法綜合對比

4 工程建議

針對U形梁開口薄壁不對稱性、抗扭性能差的特點，對U形梁提出以下幾點建議[9-12]:

(1)先張法U形梁由于腹板內未設置豎向彎起彎預應力鋼束，抗剪能力較弱，且梁端上緣在不均勻溫差荷載作用下出現拉應力。建議采用先、后張結合的施工方案，即在先張法梁腹板上設置兩根后張法無粘結預應力鋼束來解決抗剪承載力差和不均勻溫差荷載作用下梁端上緣拉應力問題。

(2)U形梁屬開口薄壁不對稱結構，抗扭性能較差，設計時應盡量調整結構尺寸，使截面幾何中心盡量靠近底板支座中心。

(3)軌道交通線路由于受房屋、道路、城市規劃等限制，多出現小曲線半徑線路，U形梁屬開口薄壁不對稱結構，同時又位于小曲線半徑上，無論理論分析還是動靜載試驗均無法對小曲線半徑上簡支U形梁實際受力狀態進行準確的模擬，但位于小曲線半徑上的簡支U形梁結構壽命一定遠小于直線上的簡支U梁，如不引起足夠的重視，未來可能會引起U形梁的一種災難；建議在以后的項目中，小曲線半徑范圍內采用其它安全可靠的結構替代簡支U形梁結構。

(4)目前國內設計的后張法簡支U形梁均采用金屬波紋管成孔，而國內設計的鐵路預制梁均采用抽拔橡膠棒成孔，建議后張法簡支U梁也采用抽拔橡膠棒成孔，可降低工程造價。

(5)后張法簡支U形梁在腹板張拉端鋼束附近應力較為集中，容易出現斜向裂縫，設計時通過減小腹板鋼束型號、增大錨下螺旋筋直徑、加強腹板鋼束定位、增設腹板縱向短鋼筋和增加腹板斷面護面鋼筋等措施避免了裂縫的發生。