1 500 t大吨位先张法预制台座的试验研究

梁国栋，麦 研，方长远，林慧东，王彩芳

(1. 中交四航局 第二工程有限公司，广东 广州 510300；2. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

1 500 t大吨位先张法预制台座的试验研究

梁国栋1，麦 研1，方长远1，林慧东2，王彩芳2

(1. 中交四航局 第二工程有限公司，广东 广州 510300；2. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

根据先张法预应力的设计原理，开展了大吨位预应力混凝土张拉台座的结构设计。介绍压柱式台座关键部位的设计计算方法，着重介绍广东新会1 500 t大吨位压杆式张拉台座端部的设计。采用有限元ANSYS软件对其整体受力性能进行结构分析，并对台座牛腿的关键部位进行现场测试，对其力学性能进行对比分析。验证了其安全性和可靠性，对推动大吨位先张法预应力混凝土张拉台座的建造技术具有实际参考价值。

港口工程；大吨位；预应力；先张法；预制；台座

0 引 言

在码头新建及扩建工程中，常采用混凝土预制构件。水工码头预制构件包括预制PHC管桩、靠船靠件、预制预应力空心板梁、预制纵向梁系构件、预制面板、预制水平撑，预制进度要符合水工总体施工进度安排。通过船舶将构件运输至码头现场，并安装到位[1]。

先张法的预应力混凝土构件具有生产工艺简单、成本低、预制场地周转快。预制工厂在生产方式和生产组织上，以最初的人拉肩扛的手工劳动为主，向着半机械化、机械化、自动化为主的方向发展。随着港口码头的规模增大，先张法预应力张拉台座张拉力从500 t逐步发展到1 000 t，以满足水工市场工艺配套水平及设计水平的发展[2]。

新会预制梁厂1 500 t先张法预应力张拉台座处于海边的淤泥软土地基上。淤泥软土地基的承载力低、压缩性大、透水性差、固结时间长、并有触变性、流变性和很强的不均匀性。不易满足张拉台座对地基承载力的要求，故需要进行处理。通常有桩基法、换土法、灌浆法、排水固结法、加筋法等方法可供选用；桩基法中有：水泥搅拌桩、砂石桩、木桩、灌注桩、钢筋混凝土桩和预应力管桩等可以采用。而预应力管桩具有较强的承载力，投资省、质量有保证、施工速度快、得到普遍应用。其中，PHC桩，脱模后进入高压釜蒸养，经10个大气压、180 ℃左右的蒸压养护，混凝土强度等级达C80，从成型到使用的最短时间只需1～2 d[3]。

在以往的同类工程经验的基础上[4]，设计了新会预制场张拉台座，为了解其力学性能。验证其安全性和可靠性，对其开展了现场试验测试，并对张拉端台座牛腿应力进行了数值模拟计算，与实测值进行了对比分析。

1 台座的设计

1.1 长线预制台座设计原则

设计的张拉台座要满足设计强度和稳定性的要求，限制底板的纵向变形、滑移引起的预应力损失，并预防张拉台座的倾覆。采用PHC群桩限制其侧向变形，确保其压柱的稳定性。这种构造措施尚不多见。此外，在建造预制梁台座时，要严格控制梁台座的底板标高，确保其顶面光滑、平整、易于排水，以便直接作为预制梁的底模板[7]。

在这种地基上，若采用重力式先张法台座结构，其结构自重偏大，软基承载力不足，容易产生较大的水平滑动位移和倾覆转动，且混凝土用量较大，不经济。新会预制场张拉台座选择了桩式组合张拉台座。张拉台座、底座以及桩基础共同受力，通过桩基础承担台座的自重，降低了对软基承载力及其强度的要求。分布式桩基结构，确保了台座的整体稳定性，并且提供了足够竖向抗拔力和水平抵抗力。多点弹性约束，确保底座作为弹性地基梁的刚度和弯曲强度。

通常，在先张法预应力台座的设计中，按空间无侧限的压杆理论进行压柱计算。仅考虑纵向弯曲系数的影响，不考虑土的侧压力和压杆自重等边界条件的影响，这样设计的压杆截面偏大，配筋量偏多。实际压柱的工作状态类似弹性地基梁承受水平荷载作用的状态。压柱和台座受土体侧压力的边界条件约束，压柱的受力是两端大，中间段逐渐减少。因此，压柱计算时可不考虑纵向稳定，由于台座和压柱削减了部分压力可减少中间段的配筋[8]。在实际施工中，一般在10～15 m压柱长度下设置连系梁，增加其纵向稳定。但在使用过程中给工作人员造成了许多不便,有的已拆除。李锡胤[9]通过对压柱的系统失稳、构件失稳的计算,认为对预应力张拉台座的设计，只按混凝土构件的轴心受力(局部承压)计算即可，不必考虑纵向失稳问题。在台座的加工、制作中,要使伸缩缝处挤压紧密,通过这一措施确保台座稳定。

1.2 端顶柱的构造

端顶柱间面板厚度为2 m，横向宽度为4.8 m，纵向长度为3.25 m，纵、横两方向受拉、受压钢筋均按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(以下简称《规范》)要求的最小配筋率0.2%进行配筋。

1.3 中间顶柱的配筋计算

中间顶柱截面为1 300 mm×900 mm；分段长度为18.8 m；轴心荷载设计值为Nm=[(1 500×9.8)/2]×1.5=11 025 kN；轴向稳定系数为φ=0.75。

1.3 实验方法 小鼠在麻醉状态下接受气管插管，放置于体描箱内记录静息状态下呼吸状态。潮气量设置为1 ml，呼气/吸气比为20∶10，机械通气频率为100次/min。预设用力吸气量为5 ml/kg，待小鼠呼吸平稳后，记录呼气过程。连续5次肺活量测量后，计算平均值作为用力肺功能呼气指数。在模型建立6、18、36 h后，检测肺功能。

中间顶柱按照《规范》要求的最小配筋率0.6%配置钢筋：16Φ25，As′=7 854 mm2；则该柱正截面受压承载力为NU=18 937 kN>Nm=11 250 kN。

纵向钢筋16Φ25满足规范要求，截面上、下部均配置6Φ25，中部共配置4Φ25作为腰筋。箍筋采用Ⅰ级钢筋Φ12@200 mm。

每段中间顶柱下部布置6根Φ300的PHC桩，桩芯混凝土及桩芯钢筋笼与顶柱连接。

1.4 台座张拉端的构造

本次设计大吨位先张法预应力张拉台座局部立面布置如图1。桩基础布置如图2。

图1 1 500 t预应力梁张拉台座张拉端立面Fig.1 Elevation of tensioned abutment side in 1 500 t pretensioned prestressed platform

图2 桩基础布置Fig.2 Layout of pile foundation

由于现场地质条件较差，地基承载力难以满足地基反力要求，需在台座张拉端下部布置桩基础，采用Φ400的PHC桩，桩长25 m，停锤标准以贯入度控制为主，标高控制为辅，最后10锤贯入度≯5 cm，单桩承载力按N=1 000 kN要求实施，如图2。采用桩基础可以避免上部结构荷载直接作用在软土地基上。

2 结构分析模型

采用通用软件ANSYS对新会预制张拉台座进行实体建模，采用整体式模型进行分析，混凝土单元用SOLID65单元模拟，材料为C40混凝土；PHC桩用beam4单元模拟，材料为C80的混凝土，桩总长按25 m计算，每1 m划分为一个单元；桩土之间的作用按只受压土弹簧模拟，采用combin39单元进行模拟；表贴钢板用shell63单元模拟，用cpintf命令对节点进行黏结，建立的计算模型如图3，考虑自重荷载和预应力荷载，预应力荷载采用等效荷载(单边总荷载4 251 kN)按千斤顶作用面的面荷载作用于模型单元上，模型采用点-线-面-体的顺序建立。网格划分采用自动划分[10-12]。

图3 台座整体计算模型Fig.3 Calculation model of the whole platform

3 实测值与理论值比较

3.1 台座牛腿现场布置与实测值

在张拉端牛腿处布设应变片，获取张拉过程中应力变化情况，应变片黏贴于张拉端牛腿内侧，如图4。共布设了8个测点分别为ZL-Z-i(i=1,…, 8)，i表示应变片的序号。混凝土应变测试采用浙江黄岩双立工程传感器厂生产的BX120-80AA型应变片，敏感栅尺寸为：80 mm×2.5 mm，基底尺寸：86 mm×6 mm，电阻为120 Ω，灵敏系数为2.06；应变数据采集仪器为江苏东华测试技术有限公司生产的DH3815N型多功能应力应变仪，它包括电源/控制器、数据采集模块。

图4 台座牛腿测点布置Fig.4 Structural arrangement plan of abutment bracket

主要的测试步骤：首先，打磨、黏贴应变片，将应变片与测试箱链接，并用主、从连接线形成一个完整的测量系统。在笔记本电脑上，采用东华DH3815N测量软件对测量机箱进行识别，测量线路选择1/4桥路，然后对输出的各种参数的设定，包括应变片的电阻值，测量导线的电阻值，灵敏系数，泊松比等，最后查看平衡结果，检查各个接口处是否完成平衡，如果未完成平衡应认真检查各导线接口处的导线连接情况，包括是否连接牢固，导线外面的金属丝是否接到一块。

对两端台座牛腿处的应力测量应遵循按照不同受力阶段分段采集原则，在此次试验中把两端台座牛腿受力的应变测量分为0%～90%，90%～105%设计应力两个受力阶段进行测试数据采集。放张后为100%的设计应力。在张拉受力阶段内采用定时采样数据；由于数据量较大，为精确的分析预应力张拉台座在各个工况下张拉控制力不同测点的应变变化情况，在大量数据中选取变化趋势稳定的若干数据组，得到各工况下各测点的应变值如表1。

表1 张拉端台座牛腿应变实测值

3.2 数值计算结果分析

经计算，在预应力及台座本身自重荷载作用下，台座牛腿测试截面处的应力云图如图5；台座牛腿分为上层、中层、下层等3层，牛腿处各测点应力理论值如表2。张拉端牛腿处，当张拉控制力达到90%时，牛腿截面测点的最大压应力为22.5 MPa，牛腿截面测点的最大拉应力为-1.08 MPa；当张拉控制力达到105%时，牛腿截面测点的最大压应力为25 MPa，最大拉应力为-1.2 MPa。

图5 台座牛腿测试截面应力云图Fig.5 Stress diagram of testing section in abutment bracket

表2 台座牛腿各层位移偏量

3.3 台座牛腿理论值与实测值的比较

台座牛腿现场实测的应变值通过公式σ=E×ε计算得到各个测点处的应力值。其中：C40混凝土弹性模量，其张拉端台座牛腿应力理论与实测值比较如表3。

表3 张拉端台座牛腿应力理论与实测值比较

从表3可以看出：在两端台座牛腿各测点处，所实测各点的应力值均小于理论值，除去2号、6号测点外其余测点差值都﹤10%。2号测点位于牛腿上缘的拐角处；6号测点位于后隐横梁附近，都属于应力集中区。

在试验测试前，台座牛腿底部的桩基埋入地基中，对其工作机理与效果的评价不够完善。在千斤顶施加预应力张拉荷载过程中，若地基梁和桩基础的摩阻力不足，便会引起台座牛腿向荷载方向偏移，牛腿产生的变位便抵消部分的预应力荷载，这两部分综合影响效应还缺乏有效的评判方法。

4 结 论

对新会1 500 t大吨位先张法预应力梁预应力张拉台座牛腿现场试验测试表明：该张拉台座的牛腿结构安全可靠。可以得到如下结论：

1)在牛腿承受千斤顶施加预应力作用的位置，应该考虑其局部承压效应，对应部位牛腿内应设置足够的钢筋网片扩散应力分布；

2)张拉台座底部受拉区部位，宜设置加强钢筋网片；

3)实测张拉台座牛腿的偏移量较小，引起的桩顶位移也小，从而由桩顶强制位移产生的桩身弯矩就小，桩的抗裂安全系数增大，表明张拉台座结构设计合理；

4)在软弱地基上采用PHC群桩基础作为先张法预应力混凝土预制台座是一种有效的技术措施，可供同类台座设计参考。

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Experimental Research on 1 500 t Pretensioned Precast Platform

LIANG Guodong1, MAI Yan1, FANG Changyuan1, LIN Huidong2, WANG Caifang2

(1. The Second Engineering Company, CCCC Fourth Harbor Engineering Co., Ltd., Guangzhou 510300, Guangdong, P.R.China;2. College of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China)

According to the design principle of the pretensioned prestressing, the structural design of large-tonnage pre-tensioned prefabricated platform was carried out. The design and calculation method of the key parts in prestressing column and abutments were introduced. Especially, the structural design of the 1 500 t large-tonnage pressure abutments in Xinhui district of Guangdong was emphasized. The whole mechanical performance of the platform structure was analyzed by ANSYS software. The key parts of bracket in the abutment were tested in the field in order to compare and analyze its mechanical performance and the comparison analysis of its mechanical performance was also carried out. Finally, its safety and reliability were verified. The above research is of practical reference for promoting the construction technology of the large-tonnage pretensioned precast concrete platform.

port engineering; large-tonnage; prestress; pretension method; precast; platform

2015-01-09；

2015-06-03

交通运输部西部交通建设科技项目(201132849A1140)

梁国栋(1966—)，男，广东茂名人，高级工程师，主要从事港口航道工程施工及管理方面的研究。E-mail: lguodong@gzpcc.com。

王彩芳(1988—)，女，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，主要从事桥梁工程方面的研究。E-mail: liwenhong9898@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.16

U656.1

A

1674-0696(2016)01-080-05