大跨度折线配筋先张法预应力混凝土T梁制梁台座传力柱设计

2013-07-26李友明

四川建筑 2013年2期

李友明，黄东，秦嘉

(中铁二局股份有限公司，四川成都610031)

1 工程概况

1.1 先张法折线配筋预应力钢筋混凝土T梁结构设计

山东鄄城黄河公路大桥引桥采用50 m先张法折线配筋预应力混凝土T梁，为先简支后连续结构。单片中梁翼宽160 cm，梁高270 cm，翼板厚18～30 cm，肋板厚20 cm(支点处加宽至50 cm)，下缘马蹄宽60 cm(支点处加宽至70 cm)，马蹄高50 cm(支点处加高至80 cm)，每片T梁设两道端横梁和七道中横梁，两片梁横向翼间55 cm宽现浇混凝土连续，单片边梁翼宽217.5 cm，外侧翼挑出总长127.5 cm，其余尺寸与中梁相同。

T梁预应力筋采用270级 15.24 mm钢绞线，分直线束和弯起束(图1)。直线束设于T梁马蹄部位，部分钢绞线在梁端30～610cm采用PVC管隔离失效;弯起束设于T梁腹板内，通过导向装置在距梁端13.0 m(第二道中横隔板)处一批次对称弯起，成发散的非平行布置形式，弯起角度7.5°～9.2°，部分钢绞线在梁端30～90 cm采用PVC管隔离失效;中梁配直线束36根、弯起束18根，边梁配直线束42根、弯起束18根。

T梁采用C50混凝土，中、边梁分别为60～66.71 m3。

图1 先张法折线配筋预应力混凝土T梁钢绞线布置

1.2 50m折线配筋先张法T梁的特点

(1)结构跨度大。鄄城黄河大桥50 m折线配筋先张法T梁的跨度为国内同类结构第一，使国内折线配筋的先张梁跨度由35 m跨越到50 m。

(2)预应力吨位大。单片中梁配直线束36根、弯起束18根，边梁配直线束42根、弯起束18根，张拉总吨位近1 200 t。

(3)预应力筋布置密集，结构局部应力复杂。先张法预应力筋采用单根布置，T梁的马蹄部位均匀布置60根预应力筋，纵横间距仅5 cm，最小间净间距只有约3 cm，预应力筋布置密集，结构局部应力复杂。尤其在预应力筋的锚固区，由于绝缘管的影响，混凝土的净间距更小，对预应力筋的传力锚固影响大。

(4)折线筋布置形式新颖。折线筋布束采用非平行布置，最大弯起角度9.2°，最小弯起角度7.5°，共9层，每层2根，单个弯起器需同时弯起18根钢绞线，非平行布置预应力筋对弯起器的设计更复杂。

2 折线配筋先张梁制梁台座系统组成及方案比选

2.1 折线配筋先张梁制梁台座系统组成

制梁台座是先张梁预制的关键装备，由模板系统和张拉系统组成。模板系统是混凝土梁浇筑成形的模具;张拉系统包括预应力筋张拉设备和临时承担预应力筋压力的支撑体系，其中预应力筋支撑体系是先张法区别于后张法预制的关键设备，预应力筋支撑体系由传力柱、张拉横梁、折线筋竖向分力平衡梁、弯起器和机械锁定装置组成，形成一个自平衡体系，整个支撑体系在施工过程中近似于一个体外预应力结构。

2.2 折线配筋先张梁制梁台座方案比选

先张梁制梁台座从受力结构形式可分为槽式台座和桩式台座，其中槽式台座利用结构自身平衡预应力筋的张拉力，桩式台座利用地基抗力平衡张拉力。两种形式台座适用于不同的张拉吨位和地质条件，桩式台座力学模型近似于受横向推力的悬臂结构，因此适用于张拉吨位不太大，地质条件好的条件(尤其是岩石地质);槽式台座依靠自身的结构抗力平衡张拉荷载，力学模型近似于受压的弹性地基梁，可根据预应力张拉荷载的大小进行结构设计。国内目前已有的折线配筋预应力混凝土梁的制梁台座均采用槽式台座，经验相对比较成熟。

槽式台座可分为长线台座和短线台座两种。国内已有折线配筋先张梁采用长线台座施工方案，但其跨度大(梁体最大长度35 m)和张拉吨位不大，均为一次预制2片梁的长线台座;采用两端张拉，两片梁之间设置转向架。在不考虑摩阻的情况下，长线台座理论上可以应用于任意多片梁，但折线预应力筋每经过一次转向都发生摩阻损失，转向的次数越多，转向引起的摩阻损失越大。虽然两个张拉端的张拉力满足设计要求，但弯折点的摩阻损失降低了中间段预应力筋有效应力。因此，长线法比较适用于直线布筋的先张梁，并不适宜折线配筋的先张梁。综合比较各方面的利弊，50 m折线配筋先张T梁制梁台座选择短线槽式台座方案。

3 折线配筋先张梁制梁台座传力柱结构的受力特点及选型

3.1 折线配筋先张梁的制梁台座传力柱受力特点

传力柱是制梁台座的关键结构，从受力而言是受压构件。直线配筋先张梁的预应力荷载较小，荷载工况简单，经过初调、整体终张、放张3个工况完成施加预应力荷载，可根据直线筋合力的位置将传力柱设计为轴心受压的钢筋混凝土构件。50 m折线配筋先张梁的预应力荷载高达1 200 t，放张时需要放松机械千斤顶，液压千斤顶还要超过控制应力进行顶升，再加上T梁混凝土收缩影响，最终荷载大于设计预应力荷载。而且折线预应力筋和直线筋各自合力的作用点与全部预应力合力作用点高度不同，张拉过程中折线筋与直线筋张拉的先后顺序不同，因此荷载工况较多。因此，50 m折线配筋先张梁制梁台座传力柱应根据预应力筋张拉顺序确定对应的荷载工况，按照偏心受压结构设计。

3.2 传力柱选型

传力柱是承受预应力筋压力的结构，最理想的的状态是传力柱在各个施工阶段均为轴心受压构件，可最大限度的发挥混凝土材料抗压特性。先张梁采用直线配筋时，预应力筋集中布置于底板区域，预应力筋合力在张拉和放张施工阶段合力中心位置不变，可将传力柱受力简化为一个合力作用点不变的集中力。

先张梁采用折线布配筋时，直线筋集中于底板区，而折线筋布置于位置较高的腹板区，在张拉与放张施工阶段，预应力合力的大小和位置都发生较大变化。若按理想轴心受压结构设计传力柱，则可设计为刚构体系见图2(a);此结构是一种理想化的模型在理想受力状态的结果，折线筋与直线筋必须同步张拉或放张，以保证直线部分和折线部分传力柱的变形同步。但是由于实际施工状态与理想状态差异很大，首先预应力施工过程不可能完全同步，无法保证传力柱变形精确的同步，结果引起刚构体系产生附加内力，受力体系不明确;其次构造要求传力柱是整体框构体系，构造复杂，施工难度大。同时由于折线筋布筋的需要以及梁高的制约，折线筋的弯起角度一般不可能过大(通常在8°左右)，施加预应力荷载的过程中折线筋合力与直线筋合力交叉点处局部应力复杂。鉴于上述原因，偏心受压构件是折线配筋先张梁传力柱设计的合理型式见图2(b)，考虑到折线方向放坡较长，传力柱施工控制难度大，进一步优化形成传力柱最终结构型式见图2(c)。

图2 折线配筋先张梁传力柱选型

4 传力柱结构设计

4.1 传力柱的荷载工况

结合50 m折线配筋的先张梁预应力张拉工艺，确定传力柱结构设计按以下8个工况进行施工荷载分析:

工况1:张拉直线筋0～20%σcon(初调);

工况2:张拉折线筋0～20%σcon(初调);

工况3:张拉到(直线筋(单根张拉)80%+折线筋20%)σcon;

工况4:张拉到(直线筋+折线筋(单根张拉))80%σcon;

工况5:张拉到(直线筋80%+折线筋100%)σcon;

工况6:张拉到(直线筋100%+折线筋100%)σcon;

工况7:放张到(直线筋100%+折线筋0)σcon;

工况8:放张到(直线筋0+折线筋0)σcon。

4.2 传力柱的施工荷载计算

根据本工程T梁构造图与预应力布置图，中梁、边梁预应力束布置共6种型式，传力柱的施工荷载计算见表1(表中详列一种中梁的计算过程，其它仅列结果)。

表1 传力柱的施工荷载计算表

4.3 传力柱结构设计

传力柱按偏心受压构件设计，采用C50钢筋混凝土结构。考虑放张等因素，单根传力柱长度51 m;截面采用等宽变高的形式，端部约3 m等高节段，经过2 m线性渐变至中部较矮的等高节段;截面宽度1.2 m。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》分别进行面内和面外验算，面内验算轴向力和附加弯矩作用下截面的承载力，面外验算整体的稳定性。

4.3.1 附加弯矩和轴向力验算

根据前面的施工工况和力筋合力的作用位置，采用下部横梁中心与直线筋合力作用线重合，上部横梁中心与第四排折线筋方向重合，千斤顶中线分别与各自上下横梁中线重合。偏心矩增大系数、荷载偏心率对截面曲率的影响系数、构件长细比对截面曲率的影响系数和偏心距计算公式如下，具体计算结果见表2、表3。

ξ1为荷载偏心率对截面曲率的影响系数

ξ2为构件长细比对截面曲率的影响系数

e为偏心距:e=η×e0

受压区高度X、矩形截面偏心受压构件的正截面抗弯承载力Mu、矩形截面偏心受压构件的正截面抗压承载力Nu的计算公式如下，计算结果见表4。5%超张拉;