基于拱橋受力特點(diǎn)提出的新型預(yù)制拱形梁設(shè)計

祖威威，盧永飛，郭建偉

（西北民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

1 前言

預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)作為我國建筑工程產(chǎn)業(yè)化的主要施工方式之一，對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)等方面都有著舉足輕重的優(yōu)勢，這種結(jié)構(gòu)更加適應(yīng)當(dāng)前城市建筑開發(fā)的需要。為響應(yīng)國家綠色建筑發(fā)展理念的號召，將預(yù)制梁構(gòu)件結(jié)合橋梁工程中拱橋的受力特點(diǎn)提出了更加節(jié)能省材又環(huán)保的新型預(yù)制拱形梁構(gòu)件。通過比較新型預(yù)制拱形梁構(gòu)件和普通預(yù)制拱形梁構(gòu)件的受力特點(diǎn)，并在結(jié)合工程實(shí)際的基礎(chǔ)上使用有限元模型對他們的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而提出了比先前更加輕量化的設(shè)計方案。最后，根據(jù)預(yù)制拱形梁的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，在參考了普通預(yù)制梁的制備流程和裝配方法后設(shè)計出了新型拱形預(yù)制梁的工廠預(yù)制流程和裝配方法。

2 普通梁結(jié)構(gòu)和拱結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)分析

2.1 普通預(yù)制梁受力特點(diǎn)分析

普通預(yù)制混凝土梁在荷載作用中主要承受彎矩和剪力，橫截面中和軸上半部分主要承擔(dān)壓應(yīng)力，下半部分則主要承擔(dān)拉應(yīng)力。因為素混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，所以素混凝土構(gòu)件不能用作承受較大拉應(yīng)力的構(gòu)件。常規(guī)的方法是在混凝土梁的底部受拉區(qū)域設(shè)置縱向鋼筋，混凝土部分開裂后產(chǎn)生的拉應(yīng)力就由受拉區(qū)的鋼筋來承受，充分發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度較高和鋼筋抗拉強(qiáng)度較高的優(yōu)勢，二者相互協(xié)調(diào)共同承擔(dān)外力作用，從而增加混凝土梁的承載能力（混凝土梁截面配筋圖如下圖1所示）。在預(yù)制混凝土梁的設(shè)計中最不利的截面位置是在跨中和支點(diǎn)處，支點(diǎn)處剪力達(dá)到最大值，跨中處彎矩達(dá)到最大值，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要注重支點(diǎn)和跨中的截面校核，校核剪力過大時需增加箍筋的配置或彎起鋼筋的數(shù)量，校核彎矩過大時需加大截面面積以滿足承載力的要求。為滿足承載力要求，混凝土梁的截面尺寸設(shè)計的很大，配筋率也很高，因此造成了不必要的資源浪費(fèi)。由預(yù)制梁的有限元模型進(jìn)行單元模擬分析可知（鋼筋混凝土梁有限元模型圖如下圖2所示），普通預(yù)制混凝土梁受上部的均布荷載作用時其內(nèi)部受力分布不均衡，導(dǎo)致了較多區(qū)域的混凝土參與受力而局部區(qū)域幾乎不參與受力的情況，混凝土沒能完全發(fā)揮其抗壓材料的作用而造成材料浪費(fèi)。

圖1 混凝土梁截面配筋圖

圖2 鋼筋混凝土梁有限元模型圖

2.2 拱橋受力特點(diǎn)及模型分析

拱式結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，兩端將產(chǎn)生水平推力，拱與梁的最大區(qū)別之處就在于是否存在水平推力，利用其獨(dú)特的受力體系借助水平推力把原本由上部荷載產(chǎn)生的彎矩應(yīng)力大部分轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，從而大大減小了拱橋的截面彎矩，使之成為偏心受壓構(gòu)件，使截面應(yīng)力分布得更加均勻。由小跨徑拱橋的有限元模型進(jìn)行單元模擬分析可知，相較于普通預(yù)制梁而言，拱橋的受力分布更加均勻（拱橋有限元模型圖如下圖3所示），局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力較大的地方相對較少，使混凝土能充分發(fā)揮其材料的抗壓性能，相同工況下拱橋的跨中彎矩遠(yuǎn)小于普通預(yù)制梁的彎矩，兩端剪力也因其獨(dú)特的構(gòu)造而有所降低，其對材料的使用更加節(jié)省，用鋼量也大大降低。

圖3 拱橋有限元模型圖

3 結(jié)合拱橋受力特點(diǎn)提出的新型預(yù)制梁受力特點(diǎn)分析

結(jié)合拱形梁結(jié)構(gòu)受力均勻且跨中彎矩較小而普通預(yù)制梁局部應(yīng)力較大、受力不均勻且跨中彎矩較大的特點(diǎn)，將拱橋的受力體系用在預(yù)制梁中，提出了新型的拱形預(yù)制梁的新思路。拱形預(yù)制梁具有拱橋受力均勻、節(jié)省材料的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)制構(gòu)件輕量化設(shè)計的目的。

3.1 兩種預(yù)制梁撓度對比

撓度是荷載作用下構(gòu)件彎曲變形時橫截面沿軸線垂直方向的豎向位移，撓度值大小能夠間接反映構(gòu)件承載能力的大小。根據(jù)圖4普通預(yù)制梁和拱形預(yù)制梁的豎向位移模擬結(jié)果圖（85 kN時），可知相同跨徑和荷載作用下兩種梁的撓曲線發(fā)展趨勢基本相似，但拱形梁撓曲線的發(fā)展趨勢明顯比普通預(yù)制梁更緩和，同種工況下拱形梁產(chǎn)生的豎向位移更小，在工程實(shí)際中其承載力遠(yuǎn)大于普通預(yù)制梁。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)均布荷載作用下兩種梁的撓度曲線圖（85 kN時）

3.2 兩種梁的鋼筋布置

根據(jù)普通預(yù)制梁上部受壓下部受拉的受力特點(diǎn)，在其下部布置主鋼筋并根據(jù)剪力大小配置適當(dāng)?shù)墓拷睿A(yù)制拱形梁沿下部拱圈布置鋼筋，其在支點(diǎn)剪力較大的位置處橫截面足夠大只需加配少量箍筋，由于兩者受力體系不同拱形預(yù)制梁的配筋率遠(yuǎn)低于普通預(yù)制梁。由于拱形梁在豎向荷載下會產(chǎn)生水平推力，若采用預(yù)應(yīng)力鋼筋能夠最大程度上削減水平推力對建筑物偏心的影響，同時也能減小荷載作用下拱形梁的撓度值。因此拱形梁在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋配置，以減少水平推力對建筑穩(wěn)定性的影響。

3.3 借鑒傳統(tǒng)木質(zhì)拱形梁結(jié)構(gòu)的拱形梁特征

大多數(shù)傳統(tǒng)木構(gòu)建筑都是采用木質(zhì)的拱形梁，其具有承載能力高、跨徑較大的特點(diǎn)，在木質(zhì)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)所處位置和使用功能的不同，拱形梁在不同規(guī)模的傳統(tǒng)木構(gòu)建筑中所處的位置與自身的“弧度”特征有所不同。形狀如彎月是木質(zhì)拱形梁最主要的外形特征，彎曲程度不同的木質(zhì)拱形梁也展現(xiàn)出不同的“弧度”。其大致分為三類，尺寸較長弧度較小的木質(zhì)拱形梁形制、尺寸較長弧度較緩的木質(zhì)拱形梁形制和尺寸較短弧度較大的木質(zhì)拱形梁形制。新型預(yù)制拱形梁主要采用第一類木質(zhì)拱形梁形制，但是根據(jù)建筑形式的不同也可以采用第二類和第三類形制來替代第一類木質(zhì)拱形梁形制。相較于傳統(tǒng)木質(zhì)拱形梁，預(yù)制拱形梁的材料強(qiáng)度更大，各區(qū)域的材料配置以及受力情況也更加合理，其承載能力和跨徑都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的木質(zhì)拱形梁，更加適用于裝配式高層房屋建筑中。

4 借鑒普通預(yù)制梁生產(chǎn)工藝的新型梁的預(yù)制工藝技術(shù)

新型梁的預(yù)制生產(chǎn)可以在普通預(yù)制工廠的流水線上進(jìn)行生產(chǎn)。預(yù)制拱形梁流水生產(chǎn)線計劃配置四套移動式臺座、一套智能液壓模板、一套蒸汽養(yǎng)護(hù)設(shè)施以及供臺座移動的鋼軌和各設(shè)備的電力設(shè)施。本生產(chǎn)線采用移動式臺座并利用鋼筋骨架焊接裝配胎架區(qū)、制梁區(qū)、蒸汽養(yǎng)護(hù)區(qū)以及預(yù)應(yīng)力張拉區(qū)，裝配完成后將四個區(qū)域有機(jī)串聯(lián)，進(jìn)行工廠化流水線生產(chǎn)作業(yè)。其工藝流程如圖5所示。

5 預(yù)制拱形梁的裝配

拱形梁的裝配主要是進(jìn)行梁柱節(jié)點(diǎn)的連接，普通梁通過兩端預(yù)留鋼筋與預(yù)制柱頂鋼筋綁扎并通過連接灌漿套筒澆筑混凝土以達(dá)到牢固結(jié)合的目的，而預(yù)制拱形梁的配筋較少，因此外伸鋼筋數(shù)目較少，不足以與預(yù)制柱進(jìn)行連接。為解決此問題，需要在預(yù)制拱形梁綁扎鋼筋時，根據(jù)設(shè)計要求在預(yù)制拱形梁兩端預(yù)埋外接鋼筋或預(yù)埋螺栓，預(yù)埋外接鋼筋或螺栓長度應(yīng)大于5倍的外伸長度以保證錨固力達(dá)到節(jié)點(diǎn)連接要求。

預(yù)制拱形梁、柱節(jié)點(diǎn)部分采用疊合混凝土現(xiàn)澆的形式進(jìn)行連接，在預(yù)制拱形梁制作時將梁的端面做成粗糙面或下方拱支座安置處留置剪力槽，外露鋼筋或螺栓的長度按錨固力計算要求進(jìn)行留置和錨固。預(yù)制拱形梁與柱吊裝對接就位后進(jìn)行鋼筋綁扎，綁扎完成后進(jìn)行底模和側(cè)模等的支撐，最后在預(yù)留外露的節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行混凝土整體疊合現(xiàn)澆。采用螺紋端錨板進(jìn)行邊柱及角柱預(yù)制梁疊合層鋼筋錨固，并采用螺紋連接錨板形式進(jìn)行裝配式結(jié)構(gòu)預(yù)制框架上下柱節(jié)點(diǎn)鋼筋的錨固，防止梁柱節(jié)點(diǎn)疊合部分鋼筋碰撞，導(dǎo)致鋼筋綁扎和施工等問題。

圖5 新型梁的預(yù)制工藝流程

6 總結(jié)

借鑒上承式拱橋的受力特點(diǎn)提出的新型預(yù)制拱形梁具有承載能力高、受力均勻、節(jié)能省材、美觀性好等特點(diǎn)。借鑒傳統(tǒng)木質(zhì)拱形梁結(jié)構(gòu)，在梁的外觀方面可以做出很大的創(chuàng)新，有助于形成別具一格的建筑樣式，帶領(lǐng)裝配式建筑行業(yè)向輕量化、簡約化、美觀化方向發(fā)展。隨著預(yù)制梁技術(shù)的逐漸成熟，越來越多輕量化的預(yù)制梁設(shè)計方案被提出，借助不同形狀構(gòu)件的受力特點(diǎn)設(shè)計出既經(jīng)濟(jì)又美觀的新型構(gòu)件是其未來發(fā)展的趨勢。雖然本設(shè)計在預(yù)制拱形梁拱度和兩端水平推力平衡方面還不夠成熟，但可以作為預(yù)制構(gòu)件創(chuàng)新的參考方向。