先張法預應力臺座的設計要點

孟祥馬

(河北路橋集團有限公司)

在先張法預應力空心板施工中,張拉臺座的設計對梁板生產的成敗起著決定性作用。由于張拉臺座的設計要與生產數量、要求工期、梁板型式、張拉力等指標相適應,所以目前尚無定型設計。2006年 6月,河北路橋集團有限公司承接了商漫高速公路 N14合同段工程,該標段共有預應力混凝土連續空心板 1838片,梁板預制工期為 2006年 9月到2007年 12月,施工時間約為 13個月,這樣,按生產數量和工期要求,需建立一個月生產能力為 150片以上的預制場。本文結合張拉臺座設計與施工的實踐,介紹該臺座的設計要點及使用情況。

先張預應力梁主要優點是生產周期短,適用于工期緊、數量多、工廠化生產。因其設施費用一次性投資較多,為提高經濟效益、降低成本,就必須最大限度地提高設備利用率,用較高的生產效率以發揮設施投資的應有作用。預制場的總體設計包括臺座型式、張拉與放張、移梁方式、生產數量,應綜合考慮如下因素:生產數量和設施期限;安全適用,經濟合理,質量有保證;操作簡便,可控性好,周轉快,生產周期短;設施可靠、耐久性強,支拆模板方便。

為滿足上述要求,我公司根據線路走向及地理條件,我公司在互通區匝道圈內設計了長度為 104.8m,寬度為30m,存梁區長度為 200m,預制廠設置了 80T龍門吊兩臺,其跨度為 30m。內設 12線框架式制梁臺座,每線預制 5片空心板,一個循環可預制 20m空心板 60片。

臺座由縱梁(傳力柱)、橫梁、活動鋼橫梁、橫系梁、底板組成框架,其中,橫梁、活動鋼橫梁采用裝配式鋼組合梁,縱梁及橫系梁采用混凝土現澆制成,底板采用混凝土現澆制作,頂面平整后在鋪設水磨石面層。橫梁、活動鋼橫梁的預應力筋定位孔的平面位置、相互間距及標高必須準確,安裝后定位孔中心軸線與底板表面的高差應符合設計及規范要求。底板標高必須嚴格控制,且表面平整、光滑、排水暢通,直接作為預制空心板底摸板。制梁臺座必須堅固、無沉陷,按施工設計圖紙設置梁底墊塊凹槽。在臺座兩端設置安全防護墻(板),以保證預應力施工時的安全。

1 張拉方法

(1)張拉臺型式,框架式制梁臺座張拉方法是在張拉端和固定端各設一固定鋼橫梁(1號和2號),張拉端固定橫梁前設一活動式鋼橫梁(3號)。

鋼鉸線的一端用工具錨固定在 2號橫梁上,另一端通過連接器與張拉桿相連,并用螺母固定于 3號橫梁上(也可用工具錨將鋼鉸線直接固定在 3號橫梁上,但鋼鉸線浪費較多)。安裝在 3號和 1號橫梁 之間的 2個千斤頂推動 3號橫梁向左移動,并通過張拉桿帶動鋼鉸線,從而達到張拉鋼鉸線的目的。一條生產線張拉完畢時,將套在張拉桿上位于1號橫梁處的錨定、螺母鎖緊,千斤頂回油,再松開套上張拉桿位于 3號橫梁處的螺母,以便 3號橫梁與 2個千斤頂移位到另一條生產線進行張拉。

(2)放張方法。

框架式制梁臺座長大張拉臺座的放張方法,采用千斤頂整體放張法,放張時,將 3號活動橫梁重新歸位、鎖緊其螺母,千斤頂適度超張拉,松開 1號橫梁上的錨定螺母,千斤頂緩慢回油,達到整體放張。這種方法的優點是操作方便、迅速,放張較平緩,雖產生超張拉應力,但實踐證明,對構件未造成不良影響。

2 長大張拉臺座的設計要求

2.1 臺座抗傾覆穩定性驗算

本場采用的框架式制梁臺座,由于張拉力與傳力柱軸線不重合,故需對臺座進行抗傾覆穩定性驗算。其驗算公式為

式中:K為抗傾覆穩定系數;Mk為抗傾覆力矩;Mc為傾覆力矩。

驗算式應按 6條生產線同時受載的最不利情況考慮,并根據臺座實際幾何尺寸有關數據確定驗算截面和傾覆點(力矩中心),分別計算 Mk和 Mc,代入公式驗算。

2.2 傳力柱正截面強度和穩定性驗算

本場采用的框架式制梁臺座,2個臺座間設縱向傳力柱,傳力柱之間每隔 15m設一大橫系梁,每隔 7.5m設一小橫系梁。鋼橫梁的支座反力分別作用于對應的傳力柱上。計算時按臺座、臺面(底模)、傳力柱共同受力考慮,則臺座的抗滑移穩定性取決于傳力柱的強度和穩定性。傳力柱可視為偏心受壓的混凝土構件,其縱向穩定性的計算長度可取相鄰大橫系梁之間的長度 15m,代入下列公式(式中符號意義及取值方法見JTJ022-85)可進行強度和縱向穩定性驗算

2.3 鋼橫梁的強度和剛度驗算

為了設計與加工方便,3個鋼橫梁可采用相同的材料和相同的截面,由上面確定的受力狀態按計算結構內力和位移的一般方法算出橫梁的 Mmax、Qmax、Fmax代入下列公式進行強度和剛度驗算。

彎曲正應力強度條件:σmax=≤[σw]

彎曲剪應力強度條件:τmax=≤[τ]

彎曲剛度條件:fmax≤[f]

式中符號均為《公路橋梁設計規范》通用符號,其意義不再贅述。其中鋼橫梁的最大撓度 fmax,由結構位移計算的常用方法可導出其計算式為

式中:E為鋼橫梁所用材料的彈性模量;I為鋼橫梁橫截面對其中性能的慣性矩。

2.4 張拉桿與連接器的設計要點

(1)張拉桿。

張拉桿的設計荷載為軸向拉力 P=σconAp,張拉桿采用精軋螺紋鋼梯形螺桿配梯形螺母,張拉桿與連接器相連的一端,是以螺母的外螺紋與連接器相連。

(2)拉伸強度條件。

式中:σe和[σe]分別為螺桿的計算拉應力和容許拉應力。

根據 d1的計算值由 GB784-65選擇相應的梯形螺紋,同時也就確定了螺母的螺紋大徑D和螺距P。

(3)強度條件。

(4)把螺紋牙看作懸臂梁,由螺紋牙的彎曲強度條件

式中:h為螺紋牙的工作高度,h=0.5p;Z為螺紋的工作圈數,Z=H/p;b為螺紋牙的根部寬度,b=0.65p;[σb]為螺母材料的容許彎曲應力。

(5)連接器。

連接器的設計荷載亦為軸向拉力 P=σconAp,其設計要點如下:

①連接器的內徑和內螺紋與張拉桿螺母的外螺紋配套;

②連接器的最小外徑(或壁厚),由拉伸強度條件確定;

③連接器右端壁厚δ由剪切強度條件確定。

張拉臺座的型式有多種,本文介紹的“框架式制梁臺座”只是其中的一種,由于具體的設計與計算牽涉諸多因素,且計算過程繁冗,不再贅述。文中著重論述了總體設計構思和主要驗算項目的計算方法,為類似工程的設計和計算提供參考。