基于拱橋受力特點提出的新型預制拱形梁設計

祖威威，盧永飛，郭建偉

（西北民族大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730030）

1 前言

預制裝配式結構作為我國建筑工程產業化的主要施工方式之一，對于經濟發展、資源節約、環境保護等方面都有著舉足輕重的優勢，這種結構更加適應當前城市建筑開發的需要。為響應國家綠色建筑發展理念的號召，將預制梁構件結合橋梁工程中拱橋的受力特點提出了更加節能省材又環保的新型預制拱形梁構件。通過比較新型預制拱形梁構件和普通預制拱形梁構件的受力特點，并在結合工程實際的基礎上使用有限元模型對他們的結構進行分析，從而提出了比先前更加輕量化的設計方案。最后，根據預制拱形梁的結構和受力特點，在參考了普通預制梁的制備流程和裝配方法后設計出了新型拱形預制梁的工廠預制流程和裝配方法。

2 普通梁結構和拱結構的受力特點分析

2.1 普通預制梁受力特點分析

普通預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壓應力，下半部分則主要承擔拉應力。因為素混凝土的抗拉強度遠遠小于抗壓強度，所以素混凝土構件不能用作承受較大拉應力的構件。常規的方法是在混凝土梁的底部受拉區域設置縱向鋼筋，混凝土部分開裂后產生的拉應力就由受拉區的鋼筋來承受，充分發揮混凝土抗壓強度較高和鋼筋抗拉強度較高的優勢，二者相互協調共同承擔外力作用，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）。在預制混凝土梁的設計中最不利的截面位置是在跨中和支點處，支點處剪力達到最大值，跨中處彎矩達到最大值，因此在結構設計時要注重支點和跨中的截面校核，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計的很大，配筋率也很高，因此造成了不必要的資源浪費。由預制梁的有限元模型進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），普通預制混凝土梁受上部的均布荷載作用時其內部受力分布不均衡，導致了較多區域的混凝土參與受力而局部區域幾乎不參與受力的情況，混凝土沒能完全發揮其抗壓材料的作用而造成材料浪費。

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 拱橋受力特點及模型分析

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

圖3 拱橋有限元模型圖

3 結合拱橋受力特點提出的新型預制梁受力特點分析

結合拱形梁結構受力均勻且跨中彎矩較小而普通預制梁局部應力較大、受力不均勻且跨中彎矩較大的特點，將拱橋的受力體系用在預制梁中，提出了新型的拱形預制梁的新思路。拱形預制梁具有拱橋受力均勻、節省材料的優點，達到了預制構件輕量化設計的目的。

3.1 兩種預制梁撓度對比

撓度是荷載作用下構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件承載能力的大小。根據圖4普通預制梁和拱形預制梁的豎向位移模擬結果圖（85 kN時），可知相同跨徑和荷載作用下兩種梁的撓曲線發展趨勢基本相似，但拱形梁撓曲線的發展趨勢明顯比普通預制梁更緩和，同種工況下拱形梁產生的豎向位移更小，在工程實際中其承載力遠大于普通預制梁。

圖4 標準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

根據普通預制梁上部受壓下部受拉的受力特點，在其下部布置主鋼筋并根據剪力大小配置適當的箍筋，而預制拱形梁沿下部拱圈布置鋼筋，其在支點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制梁的配筋率遠低于普通預制梁。由于拱形梁在豎向荷載下會產生水平推力，若采用預應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。因此拱形梁在實際工程應用中應采用預應力鋼筋配置，以減少水平推力對建筑穩定性的影響。

3.3 借鑒傳統木質拱形梁結構的拱形梁特征

大多數傳統木構建筑都是采用木質的拱形梁，其具有承載能力高、跨徑較大的特點，在木質結構中應用十分廣泛。根據所處位置和使用功能的不同，拱形梁在不同規模的傳統木構建筑中所處的位置與自身的“弧度”特征有所不同。形狀如彎月是木質拱形梁最主要的外形特征，彎曲程度不同的木質拱形梁也展現出不同的“弧度”。其大致分為三類，尺寸較長弧度較小的木質拱形梁形制、尺寸較長弧度較緩的木質拱形梁形制和尺寸較短弧度較大的木質拱形梁形制。新型預制拱形梁主要采用第一類木質拱形梁形制，但是根據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拱形梁形制。相較于傳統木質拱形梁，預制拱形梁的材料強度更大，各區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高于傳統的木質拱形梁，更加適用于裝配式高層房屋建筑中。

4 借鑒普通預制梁生產工藝的新型梁的預制工藝技術

新型梁的預制生產可以在普通預制工廠的流水線上進行生產。預制拱形梁流水生產線計劃配置四套移動式臺座、一套智能液壓模板、一套蒸汽養護設施以及供臺座移動的鋼軌和各設備的電力設施。本生產線采用移動式臺座并利用鋼筋骨架焊接裝配胎架區、制梁區、蒸汽養護區以及預應力張拉區，裝配完成后將四個區域有機串聯，進行工廠化流水線生產作業。其工藝流程如圖5所示。

5 預制拱形梁的裝配

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

預制拱形梁、柱節點部分采用疊合混凝土現澆的形式進行連接，在預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行留置和錨固。預制拱形梁與柱吊裝對接就位后進行鋼筋綁扎，綁扎完成后進行底模和側模等的支撐，最后在預留外露的節點處進行混凝土整體疊合現澆。采用螺紋端錨板進行邊柱及角柱預制梁疊合層鋼筋錨固，并采用螺紋連接錨板形式進行裝配式結構預制框架上下柱節點鋼筋的錨固，防止梁柱節點疊合部分鋼筋碰撞，導致鋼筋綁扎和施工等問題。

圖5 新型梁的預制工藝流程

6 總結

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