预应力钢结构在桥梁施工中的应用研究

2012-04-23于顓王坤

城市建设理论研究 2012年35期

关键词：预应力桥梁工程钢结构

于顓王坤

摘要：预应力钢结构具有很多优势，在桥梁施工中已经获取了一定的应用，本文在分析了预应力钢结构特点的基础上，结合工程实例探讨了其在桥梁施工中的应用要点，希望可以给实践提供借鉴。

关键词：预应力；钢结构；桥梁工程；施工；

中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：

1、引言

预应力钢结构具备可以改善结构受力状态、提升结构稳定性、节约成本等优势，在桥梁施工过程中使用这一技术可以体现出“绿色建筑”“低碳经济”等思想，因此，本文针对这方面的研究具有非常重要的实践指导意义。

2、预应力钢结构的特点

所谓预应力钢结构，指的是对预应力和钢结构进行结合之后所获得的新型结构，在这种结构中，可以来施加预应力对钢材弹性范围内强度起到充分利用的效果。它作为当前的一种新学科，是以钢结构为基础发展而来的，在设计预应力钢结构的过程中，主要的内容有以下几点：结构选型和优化；论证及选择施加预应力的方法；分析布索方案经济性；力度设计及张拉阶次；分析计算结构体系中的静力及动力；分析预应力损失给结构造成的影响；设计构件、节点以及锚具设计；结构模型试验并对其进行分析；张拉工艺研究。

具体来说，预应力钢结构主要包括以下几个方面的优点：首先，对钢材弹性强度幅值进行充分、反复的利用。

其次，预应力钢结构可以对结构的受力状态进行改善，进而起到减小应力峰值的效果。我们能够利用撑杆预应力的增加将受弯构件峰值弯矩中的部分弯矩转成轴向力。

第三，对结构的稳定性及刚度起到提升的效果，并对结构各种属性进行改善。这主要是因为预应力结构变形和荷载下变形是反向的，所以其刚度可以获得较大提升。另外，布索给结构边界条件带来的改变则能够提升结构的稳定性。

最后，预应力钢结构在钢量的使用上比较少，能够对成本起到节约的作用。具体来说，其经济性和结构体系类别、荷载性质及力度、布索方案及工艺、结构构造与节点等因素有着紧密的关系，一般情况下能够节约10%~20%钢材；如果使用多次预应力则能够节约30%~40%钢材，可以说潜力非常巨大。

3、工程实例分析

3.1工程概况

某大桥长284211m，公铁粮油，上层为公路，下层为铁路。客运线之间的间距为510m，货运线和客运线之间的距离为816m，货运线之间距离为412m。本桥梁的0号墩到5号墩属于南汊正桥，而5号墩到20号墩属于南引桥，0号墩到28号墩属于北引桥。铁路4017m跨使用的是等高度预应力混凝土简支箱梁，公路4017m跨使用的是等高度连续箱梁。在引桥公铁合建段使用的为双层桥墩这一形式，下层为板式桥墩，上层为框架墩。

其中，南汊主桥斜拉桥的主梁是板桁结合钢桁梁，N形桁架，其中3片主桁的桁宽为2@15m，桁高是1512m，至于节间长则为14m。使用M30以及M24这两种高强度螺栓进行钢桁梁工地的连接。对于全桥来说，钢桁梁的重量为413万t。

3.2预应力钢结构的设计

根据本工程实例的具体情况，我们使用悬臂法进行横梁位置起始8个节间钢梁的安装，这个过程中需要进行临时支撑的设置来对下横梁之外的钢梁起到支撑作用。另外，这一桥梁的设计上层为6线公路，下层为4线铁路，所以具有非常大的自重荷载，其中最大荷载为6250kN，加之步履架梁吊机为7000kN，因此，我们制定了以下支撑方案：

支撑方案1：于钢梁正下方进行满堂支架的设置，对钢梁起到支撑作用，这一方案存在着几个问题：首先，支架基础部分在主塔承台之上，部分在水中，主塔承台支架经过预设埋件形成钢梁支撑，而水中钢梁支撑则是通过水中基础的设置，并利用钻孔桩的方式实现，这种施工作业不仅投资比较大，而且施工的时间也比较长。如果使用钢管桩，那么要想满足这一荷载强度的要求，在其布置上将面临着非常大的困难，不仅如此，相比较主塔承台刚性支撑，如果使用钢管桩，那么在其插打完成之后，将面临着非常大的沉降变形。

支撑方案2：在承台范围之内直接进行一个斜腿墩旁支架的设置，对钢梁起到支撑作用。这可以避免钻孔桩经济性较差的问题，起到经济性目的。考虑到钢梁杆的刚度比较大，钢梁悬臂安装2个节间将不会给钢梁造成影响。另外，假如墩旁托架的最上部分位置使用普通钢结构处理方法，经过计算得出其需要实现抗拉强度为3500KN的焊缝，这不仅在设计上是非常难以实现的，而且焊接的质量也很难保证，这就不能够满足墩旁支架的安全性要求。基于此，仅仅依靠单一钢结构是不能够满足要求的，我们选择的方法是施加预应力到钢结构之上，二者缺一不可，这一点在很多桥梁的施工过程中都已经得到了很好的应用。

通过上文的分析，在经过大量的计算与研究之后，我们所选择的结构大样布置如下图所示：

图 1托架总体布置

在图1中，1为钢桁梁，2为千斤顶，3为滑道，4为钢绞线，5为下横梁，6为塔柱，7为钢垫梁，8为塔座，9为围堰。我们可以看出主要是于顶部<800@22钢管中利用长水平横穿31<15124钢绞线来产生预应力，起到克服水平力的作用，不仅设计非常简单，而且还能够很好的保证经济性和安全性。,

3.3结构设计的计算

在托架承受荷载方面，主要可以分为：一期荷载钢梁；二期荷载架梁吊机在对钢梁进行吊装过程中所形成的荷载、结构本身荷载以及风压作用下其它结构所形成的水平荷载。在结构计算的过程中，我们进行以下分析：

利用MIDAS 61111来实现有限元模型的构建，桁架结构杆件使用的是梁单元，钢箱梁以及托架支承位置使用的为只受压桁架单元。在钢管和塔座、主塔下横梁的连接以及钢箱梁和主塔下横梁连接过程中使用的是固接。

工况分为对钢梁架设中拼装6个节间，最大悬臂吊装；拼装7个节间，最大悬臂吊装；拼装8个节间，对这三种工况进行分别计算，计算的内容包括钢梁支承位置内力，各种型钢管轴力、应力，各构件约束位置的反力，各构件约束位置位移情况，主桁架各杆件应力和位移。在这些计算过程中，我们要对桁架自重、架梁吊机作用等进行分别计算，其中架梁吊机空载和满载行走的过程中作用点分别是后锚点和前支点的相应位置，在横梁滑移的过程中，还要考虑到横向力的作用，在这里我们以9级风考虑风载，并按照桁架自重的5%计算横向力，作用点为钢管托架节点。此外，我们还要考虑大小为4000kN的预应力。

3.4施工工法

在本工程实例中，桥梁工程的预应力钢结构的施工工法为：

首先，对张拉端进行钢垫块的设计，这可以把力分配到钢结构之中，具体来说，钢结构具备的强度要足够，能够满足局部压力要求。此外，我们还要进行加劲肋的设置。针对钢管径向承压能力比较差的结构，我们可以再其内壁进行剪力钉设置，并通过微膨胀细石混凝土的灌注来提升管径承压的能力。

其次，于钢管向进行波纹管的设置。

第三，于波纹管之内穿钢绞线。

第四，对工作锚进行安装。

第五，张拉钢铰线。

最后，在完成张拉之后将钢绞线切断，并于工作锚位置进行钢筋网片的安装，立模浇筑封锚混凝土。

4、结语

预应力钢结构在桥梁施工中的应用要点还有很多，本文限于篇幅难以对其进行一一分析，因此，我们在实践工作中还要加强这方面的学习和实践，只有我们不断对其进行探索才能真正发挥出预应力钢结构的优势。

参考文献

[1]葛霖新,徐增鹏,张海林. 预应力施工工艺在桥梁工程中的应用[J]. 中国新技术新产品. 2009(08)