蓋梁預應力工程施工過程優化研究

王 瓊，牛萬芬

（1.中交第二公路勘察設計研究院市政工程設計院，湖北　武漢 430050；2.重慶交通大學，重慶市　400074）

蓋梁預應力工程施工過程優化研究

王 瓊1，牛萬芬2

（1.中交第二公路勘察設計研究院市政工程設計院，湖北武漢 430050；2.重慶交通大學，重慶市400074）

通過Midas-FEA有限元分析系統對沌口互通式立體交叉主線橋左幅24#蓋梁預應力工程施工過程進行優化，研究發現對大懸臂蓋梁預應力筋采用一次張拉方式并且在蓋梁與橋墩交界處添加鋼筋網片，不僅可保證工程質量，而且可大幅縮短工期以及設備占用時間。

蓋梁；預應力工程；施工過程；優化

1　工程概況

武漢市四環吳家山至沌口互通式立體交叉主線橋橋墩蓋梁共有94座。其中長懸臂的蓋梁共88座，長懸臂且非對稱蓋梁有46座。有88座蓋梁一側懸挑跨度達697.5 cm。蓋梁懸挑根部截面為220 cm×250 cm或170 cm×250 cm，端部截面為170 cm×120 cm或220 cm×120 cm。

按設計要求，預應力鋼筋束分三批張拉。為保證施工安全，須待所有鋼束張拉完成并封錨后方可拆除橋墩蓋梁支架。時間跨度大，資源占用時間長，要滿足工期要求，需配置10多套模板及支架，資源消耗量大，工期和費用風險大。施工現場情況復雜，現場除了地面作業外，還需搭設高支架進行高空作業；施工時不能封閉施工現場，須保證兩條縱橫主干道的正常交通，這些情況均為本工程的組織帶來挑戰。為了縮短工期，節省人力物力，需要對整個施工過程進行優化研究，尋求一種經濟合理，安全可靠的蓋梁預應力工程施工方案。

2　數值建模

橋梁結構體積龐大，在研究中很少進行實際結構模型試驗，而采用大型仿真模擬軟件對結構進行受力和位移分析，不僅可以在施工前預知結構的危險區段以及大概破壞情況，還可避免試驗中外界因素對試驗結果的影響，達到對試驗的真實模擬。Midas-FEA是土木工程專用非線性細部分析有限元軟件。可用于線性靜力分析、特征值分析、動力分析、鋼筋分析、界面非線性分析、接觸分析、非線性靜力分析、裂縫分析等，是一種行之有效的數值模擬技術［1，2］。

本研究采用Midas-FEA有限元分析系統，對沌口互通結構受力最不利的左幅24#蓋梁建立了三維仿真分析模型，有別于傳統數值分析將鋼筋混凝土蓋梁及墩柱視為一彈性體，分別建立了混凝土單元、普通鋼筋單元及預應力鋼筋單元，最大程度的模擬真實實體。設計文件給定的張拉控制應力為1 302 MPa。依據設計文件計算得到：蓋梁自重約G1=3 450 kN，箱梁自重約G2=9 220 kN，二期荷載路面自重約G3=4 710 kN。分析考察在各種設計文件工況下蓋梁的整體位移云圖、混凝土應力云圖、普通鋼筋應力云圖和預應力鋼筋應力云圖。其中位移向上↑為+，向下↓為-；主應力拉為+，主應力壓為-。

3　所有預應力鋼筋一次張拉數值分析

蓋梁施工完成后，所有預應力鋼筋一次張拉，此時蓋梁承擔自重G1和所有預應力鋼筋的張拉力。

3.1數值模擬結果

蓋梁的整體位移云圖見圖1，混凝土應力云圖見圖2，普通鋼筋應力云圖見圖3，預應力鋼筋應力云圖見圖4。

從以上計算結果可知，如將所有預應力筋一次張拉100%的應力，并且蓋梁承擔自重G1時，外表面混凝土的應力達到7.22～8.41 MPa，此時混凝土早已開裂，裂縫將延伸至蓋梁內部。

圖1　一次張拉整體位移云圖（單位：mm）

圖2　一次張拉混凝土應力云圖（單位：MPa）

圖3　一次張拉普通鋼筋應力云圖（單位：MPa）

圖4　一次張拉預應力鋼筋應力云圖（單位：MPa）

3.2外表面混凝土及梁內混凝土應力分布

為判斷混凝土開裂裂縫深度，需分析了解梁墩交界處混凝土應力分布情況。從梁墩交界處向上分六層，從外向內分三層，分別為表面、距離表面20 cm處、距離表面40 cm處。根據各節點內力的大小變化情況，見圖5～圖7，來初步判斷裂縫的最大深度。

圖5　混凝土表面應力的分布情況（單位：MPa）

圖7　距離混凝土表面40 cm應力的分布情況（單位：MPa）

圖5～圖7縱坐標為應力（單位MPa），橫坐標為水平位移（單位m）。

由圖5知：表面混凝土應力從下至上分布不均勻，最大應力分布在4.5～8.5 MPa范圍。由圖6可知：距表面20 cm處，最大應力分布在3.5～6.0 MPa范圍。由圖7可知：距表面40 cm處，最大應力分布在2.0～3.5 MPa范圍。綜合分析，所有預應力筋一次張拉時，其裂縫深度在30～40 cm。

因此，如果在蓋梁完成后，一次將所有預應力筋張拉完畢，不能保證施工質量，將會出現不可接受的裂縫，包括裂縫的深度和寬度，甚至出現蓋梁與支柱交界處混凝土脫落，必須對施工過程進行優化。

4　施工過程優化

經分析，混凝土拉應力超過混凝土的開裂應力主要集中在蓋梁與墩柱的交界處，可以從如下幾個方面進行考慮：

（1）提高混凝土強度等級，由于提高混凝土強度等級，對其抗拉強度提高的影響有限，不宜考慮。

（2）采用抗拉強度高的特種混凝土，如鋼纖維混凝土。

綜合考慮施工可操作性及成本節約針對第（3）方面做深入探討。

5　加鋼筋網片的優化方案

本研究擬定以下兩種優化方案：

優化方案（一）：在蓋梁與橋墩連接處加兩層鋼筋網片，兩層鋼筋網片之間距離為20 cm。蓋梁施工完成后，所有預應力鋼筋一次張拉，此時蓋梁承擔自重G1和所有預應力鋼筋的張拉力。

優化方案（二）：在蓋梁與橋墩連接處加三層鋼筋網片，鋼筋網片外表面到內間距分別為15 cm 和20 cm。蓋梁施工完成后，所有預應力鋼筋一次張拉，此時蓋梁承擔自重G1和所有預應力鋼筋的張拉力。

5.1優化方案（一）：加兩層鋼筋網片數值分析

在蓋梁與橋墩交界處添加兩層鋼筋網片，兩層鋼筋網片的具體布置方法是：每層鋼筋網片，縱向間距16@5.5，橫向間距12@15，兩層間距為20 cm，兩層鋼筋之間設置直徑12 mm的拉結筋，橫向間距110 mm，縱向間距150 mm。蓋梁施工完成后，所有預應力鋼筋一次張拉，此時蓋梁承擔自重G1和所有預應力鋼筋的張拉力。蓋梁的整體位移云圖見圖8，混凝土應力云圖見圖9，普通鋼筋應力云圖見圖10，預應力鋼筋應力云圖見圖11。

圖8　加兩層鋼筋網片整體位移云圖（單位：mm）

圖9　加兩層鋼筋網片混凝土應力云圖（單位：MPa）

圖10　加兩層鋼筋網片普通鋼筋應力云圖（單位：MPa）

圖11　加兩層鋼筋網片預應力鋼筋應力云圖（單位：MPa）

5.2優化方案（二）：加三層鋼筋網片數值分析

在蓋梁與橋墩交界處添加三層鋼筋網片，三層鋼筋網片的具體布置方法是：每層鋼筋網片縱向間距16@5.5，橫向間距12@15，從外到內，一兩層鋼筋網片間距為15 cm，二三層鋼筋網片間距為20 cm，三層鋼筋之間設置直徑12 mm的拉結筋，橫向間距110 mm，縱向間距150 mm。蓋梁施工完成后，所有預應力鋼筋一次張拉，此時蓋梁承擔自重G1和所有預應力鋼筋的張拉力。蓋梁的整體位移云圖見圖12，混凝土應力云圖見圖13，普通鋼筋應力云圖見圖14，預應力鋼筋應力云圖見圖15。

混凝土攪拌是使集料均勻的重要手段，在本工程之中，施工人員設計拌和系統，嚴格遵守現場實驗室的配料單，避免擅自更改配料，致使其出現不均勻問題。首先應安裝攪拌機，邊投料邊攪拌，結合試驗過程，對混凝土的攪拌程序、攪拌時間進行確定，嚴格按照混凝土攪拌質量參數執行。為保障工程質量，在攪拌過程中，對原材料進行稱量記錄，每3個小時對其進行一次檢查，對攪拌計量系統進行效驗，實現對混凝土攪拌的全過程控制。最后，在攪拌之后，混凝土設備進行坍落度測定，整個時間控制在30min以內[3]。

圖12　加三層鋼筋網片整體位移云圖（單位：mm）

圖13　加三層鋼筋網片混凝土應力云圖（單位：MPa）

圖14　加三層鋼筋網片普通鋼筋應力云圖（單位：MPa）

圖15　加三層鋼筋網片預應力鋼筋應力云圖（單位：MPa）

5.3混凝土應力及鋼筋應力分析

綜合分析以上模擬結果，可得一次張拉工況、優化方案（一）和優化方案（二）的蓋梁與橋墩交界處表面混凝土應力與最外層鋼筋應力，具體見表1。

表1　表面混凝土應力與最外層鋼筋應力表

為判斷混凝土開裂裂縫深度，分析了解梁墩交界處混凝土應力分布情況。從梁墩交界處向上分六層，從外向內分三層，分別為表面、距離表面20 cm、距離表面40 cm。

分析一次張拉工況，優化方案（一）及優化方案（二）這三種工況下蓋梁與橋墩交界處，從外向內的混凝土應力值變化情況，見圖5～圖7及圖16～圖21。

圖16　混凝土表面應力的分布情況（單位：MPa）

圖17　距離混凝土表面20 cm應力的分布情況（單位：MPa）

圖18　距離混凝土表面40 cm應力的分布情況（單位：MPa）

圖19　混凝土表面應力的分布情況（單位：MPa）

圖20　距離混凝土表面20 cm應力的分布情況（單位：MPa）

圖21　距離混凝土表面40 cm應力的分布情況（單位：MPa）

優化方案（一）：在蓋梁與橋墩交界添加兩層鋼筋網片，混凝土應力見圖16～圖18。

優化方案（二）：在蓋梁與橋墩交界添加三層鋼筋網片，混凝土應力見圖19～圖21。

圖16～圖21縱坐標為應力（單位MPa），橫坐標為水平位移（單位m）。

由前述圖表比較得到，一次張拉工況混凝土應力在距離混凝土表面40 cm的面上達到其抗拉強度設計值；優化方案（一），混凝土應力在距離混凝土表面20～40 cm的面上達到其抗拉強度設計值；優化方案（二），混凝土應力在距離混凝土表面20 cm的面上達到其抗拉強度設計值。

6　施工各階段中蓋梁混凝土結構應力分析

為了進一步比較一次張拉方案與優化方案（一）和優化方案（二）在橋梁施工各階段中蓋梁混凝土結構表面處、距離表面20 cm處、距離表面40 cm處應力的大小，對以下七種工況進行數值模擬研究：

一次張拉工況：蓋梁自重G1，預應力筋一次張拉，在蓋梁與橋墩交界處不添加鋼筋網片；

工況（一）：蓋梁自重G1，預應力筋一次張拉，在蓋梁與橋墩交界處添加兩層鋼筋網片；

工況（二）：蓋梁G1+小箱梁G2，預應力一次張拉，在蓋梁與橋墩交界處添加兩層鋼筋網片；

工況（三）：蓋梁G1+小箱梁G2+二期荷載G3，預應力一次張拉，在蓋梁與橋墩交界處添加兩層鋼筋網片；

工況（四）：蓋梁自重G1，預應力筋一次張拉，在蓋梁與橋墩交界處添加三層鋼筋網片；

工況（五）：蓋梁G1+小箱梁G2，預應力一次張拉，在蓋梁與橋墩交界處添加三層鋼筋網片；

工況 （六）：蓋梁G1+小箱梁G2+二期荷載G3，預應力一次張拉，在蓋梁與橋墩交界處添加三層鋼筋網片。

經計算分析各種工況下，混凝土應力情況見表2。

表2　各施工工況下混凝土應力　N/mm2

分析一次張拉工況與工況（一）和工況（四）可知：蓋梁與橋墩交界處加兩層鋼筋網片或加三層鋼筋網片，與不加鋼筋網片情況相比，可以有效的減小混凝土表面及其內部的拉應力。

分析工況（二）和工況（五）或工況（三）和工況（六）可知：加三層鋼筋網片效果比加兩層鋼筋網片效果好。

7　結　語

研究通過Midas-FEA有限元分析軟件對沌口互通結構受力最不利的左幅24#蓋梁預應力工程施工過程進行優化。研究發現蓋梁預應力筋一次張拉并且在蓋梁與橋墩交界處添加三層鋼筋網片，可大幅度縮短工期以及設備占用時間，節省人力物力，可為類似工程提供借鑒。

［1］桂滿樹，高德志，姜毅榮，等.Midas FEA操作指南與基本例題［Z］.北京：北京邁達斯技術有限公司.

［2］徐芝綸.彈性力學簡明教程［M］.北京:高等教育出版社，2002.

U445

B

1009-7716（2016）07-0190-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.055

2016-03-11

王瓊（1985-），男，湖北武漢人，工程師，從事橋梁設計工作。