大跨度折線配筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土T梁制梁臺座傳力柱設(shè)計

李友明，黃 東，秦 嘉

(中鐵二局股份有限公司，四川成都610031)

1 工程概況

1.1 先張法折線配筋預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

山東鄄城黃河公路大橋引橋采用50 m先張法折線配筋預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，為先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)。單片中梁翼寬160 cm，梁高270 cm，翼板厚18～30 cm，肋板厚20 cm(支點處加寬至50 cm)，下緣馬蹄寬60 cm(支點處加寬至70 cm)，馬蹄高50 cm(支點處加高至80 cm)，每片T梁設(shè)兩道端橫梁和七道中橫梁，兩片梁橫向翼間55 cm寬現(xiàn)澆混凝土連續(xù)，單片邊梁翼寬217.5 cm，外側(cè)翼挑出總長127.5 cm，其余尺寸與中梁相同。

T梁預(yù)應(yīng)力筋采用270級 15.24 mm鋼絞線，分直線束和彎起束(圖1)。直線束設(shè)于T梁馬蹄部位，部分鋼絞線在梁端30～610cm采用PVC管隔離失效;彎起束設(shè)于T梁腹板內(nèi)，通過導(dǎo)向裝置在距梁端13.0 m(第二道中橫隔板)處一批次對稱彎起，成發(fā)散的非平行布置形式，彎起角度7.5°～9.2°，部分鋼絞線在梁端30～90 cm采用PVC管隔離失效;中梁配直線束36根、彎起束18根，邊梁配直線束42根、彎起束18根。

T梁采用C50混凝土，中、邊梁分別為60～66.71 m3。

圖1 先張法折線配筋預(yù)應(yīng)力混凝土T梁鋼絞線布置

1.2 50m折線配筋先張法T梁的特點

(1)結(jié)構(gòu)跨度大。鄄城黃河大橋50 m折線配筋先張法T梁的跨度為國內(nèi)同類結(jié)構(gòu)第一，使國內(nèi)折線配筋的先張梁跨度由35 m跨越到50 m。

(2)預(yù)應(yīng)力噸位大。單片中梁配直線束36根、彎起束18根，邊梁配直線束42根、彎起束18根，張拉總噸位近1 200 t。

(3)預(yù)應(yīng)力筋布置密集，結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力復(fù)雜。先張法預(yù)應(yīng)力筋采用單根布置，T梁的馬蹄部位均勻布置60根預(yù)應(yīng)力筋，縱橫間距僅5 cm，最小間凈間距只有約3 cm，預(yù)應(yīng)力筋布置密集，結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力復(fù)雜。尤其在預(yù)應(yīng)力筋的錨固區(qū)，由于絕緣管的影響，混凝土的凈間距更小，對預(yù)應(yīng)力筋的傳力錨固影響大。

(4)折線筋布置形式新穎。折線筋布束采用非平行布置，最大彎起角度9.2°，最小彎起角度7.5°，共9層，每層2根，單個彎起器需同時彎起18根鋼絞線，非平行布置預(yù)應(yīng)力筋對彎起器的設(shè)計更復(fù)雜。

2 折線配筋先張梁制梁臺座系統(tǒng)組成及方案比選

2.1 折線配筋先張梁制梁臺座系統(tǒng)組成

制梁臺座是先張梁預(yù)制的關(guān)鍵裝備，由模板系統(tǒng)和張拉系統(tǒng)組成。模板系統(tǒng)是混凝土梁澆筑成形的模具;張拉系統(tǒng)包括預(yù)應(yīng)力筋張拉設(shè)備和臨時承擔(dān)預(yù)應(yīng)力筋壓力的支撐體系，其中預(yù)應(yīng)力筋支撐體系是先張法區(qū)別于后張法預(yù)制的關(guān)鍵設(shè)備，預(yù)應(yīng)力筋支撐體系由傳力柱、張拉橫梁、折線筋豎向分力平衡梁、彎起器和機械鎖定裝置組成，形成一個自平衡體系，整個支撐體系在施工過程中近似于一個體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

2.2 折線配筋先張梁制梁臺座方案比選

先張梁制梁臺座從受力結(jié)構(gòu)形式可分為槽式臺座和樁式臺座，其中槽式臺座利用結(jié)構(gòu)自身平衡預(yù)應(yīng)力筋的張拉力，樁式臺座利用地基抗力平衡張拉力。兩種形式臺座適用于不同的張拉噸位和地質(zhì)條件，樁式臺座力學(xué)模型近似于受橫向推力的懸臂結(jié)構(gòu)，因此適用于張拉噸位不太大，地質(zhì)條件好的條件(尤其是巖石地質(zhì));槽式臺座依靠自身的結(jié)構(gòu)抗力平衡張拉荷載，力學(xué)模型近似于受壓的彈性地基梁，可根據(jù)預(yù)應(yīng)力張拉荷載的大小進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。國內(nèi)目前已有的折線配筋預(yù)應(yīng)力混凝土梁的制梁臺座均采用槽式臺座，經(jīng)驗相對比較成熟。

槽式臺座可分為長線臺座和短線臺座兩種。國內(nèi)已有折線配筋先張梁采用長線臺座施工方案，但其跨度大(梁體最大長度35 m)和張拉噸位不大，均為一次預(yù)制2片梁的長線臺座;采用兩端張拉，兩片梁之間設(shè)置轉(zhuǎn)向架。在不考慮摩阻的情況下，長線臺座理論上可以應(yīng)用于任意多片梁，但折線預(yù)應(yīng)力筋每經(jīng)過一次轉(zhuǎn)向都發(fā)生摩阻損失，轉(zhuǎn)向的次數(shù)越多，轉(zhuǎn)向引起的摩阻損失越大。雖然兩個張拉端的張拉力滿足設(shè)計要求，但彎折點的摩阻損失降低了中間段預(yù)應(yīng)力筋有效應(yīng)力。因此，長線法比較適用于直線布筋的先張梁，并不適宜折線配筋的先張梁。綜合比較各方面的利弊，50 m折線配筋先張T梁制梁臺座選擇短線槽式臺座方案。

3 折線配筋先張梁制梁臺座傳力柱結(jié)構(gòu)的受力特點及選型

3.1 折線配筋先張梁的制梁臺座傳力柱受力特點

傳力柱是制梁臺座的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，從受力而言是受壓構(gòu)件。直線配筋先張梁的預(yù)應(yīng)力荷載較小，荷載工況簡單，經(jīng)過初調(diào)、整體終張、放張3個工況完成施加預(yù)應(yīng)力荷載，可根據(jù)直線筋合力的位置將傳力柱設(shè)計為軸心受壓的鋼筋混凝土構(gòu)件。50 m折線配筋先張梁的預(yù)應(yīng)力荷載高達1 200 t，放張時需要放松機械千斤頂，液壓千斤頂還要超過控制應(yīng)力進行頂升，再加上T梁混凝土收縮影響，最終荷載大于設(shè)計預(yù)應(yīng)力荷載。而且折線預(yù)應(yīng)力筋和直線筋各自合力的作用點與全部預(yù)應(yīng)力合力作用點高度不同，張拉過程中折線筋與直線筋張拉的先后順序不同，因此荷載工況較多。因此，50 m折線配筋先張梁制梁臺座傳力柱應(yīng)根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋張拉順序確定對應(yīng)的荷載工況，按照偏心受壓結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.2 傳力柱選型

傳力柱是承受預(yù)應(yīng)力筋壓力的結(jié)構(gòu)，最理想的的狀態(tài)是傳力柱在各個施工階段均為軸心受壓構(gòu)件，可最大限度的發(fā)揮混凝土材料抗壓特性。先張梁采用直線配筋時，預(yù)應(yīng)力筋集中布置于底板區(qū)域，預(yù)應(yīng)力筋合力在張拉和放張施工階段合力中心位置不變，可將傳力柱受力簡化為一個合力作用點不變的集中力。

先張梁采用折線布配筋時，直線筋集中于底板區(qū)，而折線筋布置于位置較高的腹板區(qū)，在張拉與放張施工階段，預(yù)應(yīng)力合力的大小和位置都發(fā)生較大變化。若按理想軸心受壓結(jié)構(gòu)設(shè)計傳力柱，則可設(shè)計為剛構(gòu)體系見圖2(a);此結(jié)構(gòu)是一種理想化的模型在理想受力狀態(tài)的結(jié)果，折線筋與直線筋必須同步張拉或放張，以保證直線部分和折線部分傳力柱的變形同步。但是由于實際施工狀態(tài)與理想狀態(tài)差異很大，首先預(yù)應(yīng)力施工過程不可能完全同步，無法保證傳力柱變形精確的同步，結(jié)果引起剛構(gòu)體系產(chǎn)生附加內(nèi)力，受力體系不明確;其次構(gòu)造要求傳力柱是整體框構(gòu)體系，構(gòu)造復(fù)雜，施工難度大。同時由于折線筋布筋的需要以及梁高的制約，折線筋的彎起角度一般不可能過大(通常在8°左右)，施加預(yù)應(yīng)力荷載的過程中折線筋合力與直線筋合力交叉點處局部應(yīng)力復(fù)雜。鑒于上述原因，偏心受壓構(gòu)件是折線配筋先張梁傳力柱設(shè)計的合理型式見圖2(b)，考慮到折線方向放坡較長，傳力柱施工控制難度大，進一步優(yōu)化形成傳力柱最終結(jié)構(gòu)型式見圖2(c)。

圖2 折線配筋先張梁傳力柱選型

4 傳力柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 傳力柱的荷載工況

結(jié)合50 m折線配筋的先張梁預(yù)應(yīng)力張拉工藝，確定傳力柱結(jié)構(gòu)設(shè)計按以下8個工況進行施工荷載分析:

工況1:張拉直線筋0～20%σcon(初調(diào));

工況2:張拉折線筋0～20%σcon(初調(diào));

工況3:張拉到(直線筋(單根張拉)80%+折線筋20%)σcon;

工況4:張拉到(直線筋+折線筋(單根張拉))80%σcon;

工況5:張拉到(直線筋80%+折線筋100%)σcon;

工況6:張拉到(直線筋100%+折線筋100%)σcon;

工況7:放張到(直線筋100%+折線筋0)σcon;

工況8:放張到(直線筋0+折線筋0)σcon。

4.2 傳力柱的施工荷載計算

根據(jù)本工程T梁構(gòu)造圖與預(yù)應(yīng)力布置圖，中梁、邊梁預(yù)應(yīng)力束布置共6種型式，傳力柱的施工荷載計算見表1(表中詳列一種中梁的計算過程，其它僅列結(jié)果)。

表1 傳力柱的施工荷載計算表

4.3 傳力柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳力柱按偏心受壓構(gòu)件設(shè)計，采用C50鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?？紤]放張等因素，單根傳力柱長度51 m;截面采用等寬變高的形式，端部約3 m等高節(jié)段，經(jīng)過2 m線性漸變至中部較矮的等高節(jié)段;截面寬度1.2 m。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》分別進行面內(nèi)和面外驗算，面內(nèi)驗算軸向力和附加彎矩作用下截面的承載力，面外驗算整體的穩(wěn)定性。

4.3.1 附加彎矩和軸向力驗算

根據(jù)前面的施工工況和力筋合力的作用位置，采用下部橫梁中心與直線筋合力作用線重合，上部橫梁中心與第四排折線筋方向重合，千斤頂中線分別與各自上下橫梁中線重合。偏心矩增大系數(shù)、荷載偏心率對截面曲率的影響系數(shù)、構(gòu)件長細比對截面曲率的影響系數(shù)和偏心距計算公式如下，具體計算結(jié)果見表2、表3。

ξ1為荷載偏心率對截面曲率的影響系數(shù)

ξ2為構(gòu)件長細比對截面曲率的影響系數(shù)

e為偏心距:e=η×e0

受壓區(qū)高度X、矩形截面偏心受壓構(gòu)件的正截面抗彎承載力Mu、矩形截面偏心受壓構(gòu)件的正截面抗壓承載力Nu的計算公式如下，計算結(jié)果見表4。5%超張拉;

表2 邊梁單根傳力柱偏心距e計算結(jié)果

表3 中梁單根傳力柱偏心距e計算結(jié)果

續(xù)表3

Nu 為按 Nu=fcmbx+f'yA's－fyAs計算;

N為矩形截面偏心受壓構(gòu)件的正截面所受外荷載，考慮5%超張拉。

表4 單根傳力柱正截面承載力計算結(jié)果

4.3.2 面外穩(wěn)定計算

上述計算結(jié)果表明:矩形截面偏心受壓構(gòu)件的正截面抗壓承載力均大于構(gòu)件所承受的外荷載，在各個工況均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

(1)折線配筋先張梁制梁臺座傳力柱邊界條件比較復(fù)雜，上述計算方法簡化了很多的邊界條件，可粗略計算出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，結(jié)果偏于保守，但經(jīng)工程實踐證明是可行的。

(2)傳力柱抗壓剛度較大時彈性壓縮變形小，有利于降低因傳力柱彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失。

(3)預(yù)應(yīng)力張拉、放張工作是一項精度要求較高的工作，同時張拉千斤頂必須經(jīng)過校驗，因此荷載組合系數(shù)的取值可降低至1.1。

(4)由于傳力柱是條形結(jié)構(gòu)，為避免混凝土開裂，施工中要控制好混凝土的塌落度、振搗及養(yǎng)護，尤其是傳力柱兩端承壓鋼板下混凝土更要澆筑密實。

[1]折線配筋預(yù)應(yīng)力混凝土50 m T梁先張法施工工法[S]

[2]JTG D62－2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S]

[3]JTG 041－2001公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S]