盖梁预应力工程施工过程优化研究

2016-11-18牛万芬

城市道桥与防洪 2016年7期

关键词：盖梁网片桥墩

王琼，牛万芬

（1.中交第二公路勘察设计研究院市政工程设计院，湖北　武汉 430050；2.重庆交通大学，重庆市　400074）

盖梁预应力工程施工过程优化研究

王琼1，牛万芬2

（1.中交第二公路勘察设计研究院市政工程设计院，湖北武汉 430050；2.重庆交通大学，重庆市400074）

通过Midas-FEA有限元分析系统对沌口互通式立体交叉主线桥左幅24#盖梁预应力工程施工过程进行优化，研究发现对大悬臂盖梁预应力筋采用一次张拉方式并且在盖梁与桥墩交界处添加钢筋网片，不仅可保证工程质量，而且可大幅缩短工期以及设备占用时间。

盖梁；预应力工程；施工过程；优化

1　工程概况

武汉市四环吴家山至沌口互通式立体交叉主线桥桥墩盖梁共有94座。其中长悬臂的盖梁共88座，长悬臂且非对称盖梁有46座。有88座盖梁一侧悬挑跨度达697.5 cm。盖梁悬挑根部截面为220 cm×250 cm或170 cm×250 cm，端部截面为170 cm×120 cm或220 cm×120 cm。

按设计要求，预应力钢筋束分三批张拉。为保证施工安全，须待所有钢束张拉完成并封锚后方可拆除桥墩盖梁支架。时间跨度大，资源占用时间长，要满足工期要求，需配置10多套模板及支架，资源消耗量大，工期和费用风险大。施工现场情况复杂，现场除了地面作业外，还需搭设高支架进行高空作业；施工时不能封闭施工现场，须保证两条纵横主干道的正常交通，这些情况均为本工程的组织带来挑战。为了缩短工期，节省人力物力，需要对整个施工过程进行优化研究，寻求一种经济合理，安全可靠的盖梁预应力工程施工方案。

2　数值建模

桥梁结构体积庞大，在研究中很少进行实际结构模型试验，而采用大型仿真模拟软件对结构进行受力和位移分析，不仅可以在施工前预知结构的危险区段以及大概破坏情况，还可避免试验中外界因素对试验结果的影响，达到对试验的真实模拟。Midas-FEA是土木工程专用非线性细部分析有限元软件。可用于线性静力分析、特征值分析、动力分析、钢筋分析、界面非线性分析、接触分析、非线性静力分析、裂缝分析等，是一种行之有效的数值模拟技术［1，2］。

本研究采用Midas-FEA有限元分析系统，对沌口互通结构受力最不利的左幅24#盖梁建立了三维仿真分析模型，有别于传统数值分析将钢筋混凝土盖梁及墩柱视为一弹性体，分别建立了混凝土单元、普通钢筋单元及预应力钢筋单元，最大程度的模拟真实实体。设计文件给定的张拉控制应力为1 302 MPa。依据设计文件计算得到：盖梁自重约G1=3 450 kN，箱梁自重约G2=9 220 kN，二期荷载路面自重约G3=4 710 kN。分析考察在各种设计文件工况下盖梁的整体位移云图、混凝土应力云图、普通钢筋应力云图和预应力钢筋应力云图。其中位移向上↑为+，向下↓为-；主应力拉为+，主应力压为-。

3　所有预应力钢筋一次张拉数值分析

盖梁施工完成后，所有预应力钢筋一次张拉，此时盖梁承担自重G1和所有预应力钢筋的张拉力。

3.1数值模拟结果

盖梁的整体位移云图见图1，混凝土应力云图见图2，普通钢筋应力云图见图3，预应力钢筋应力云图见图4。

从以上计算结果可知，如将所有预应力筋一次张拉100%的应力，并且盖梁承担自重G1时，外表面混凝土的应力达到7.22～8.41 MPa，此时混凝土早已开裂，裂缝将延伸至盖梁内部。

图1　一次张拉整体位移云图（单位：mm）

图2　一次张拉混凝土应力云图（单位：MPa）

图3　一次张拉普通钢筋应力云图（单位：MPa）

图4　一次张拉预应力钢筋应力云图（单位：MPa）

3.2外表面混凝土及梁内混凝土应力分布

为判断混凝土开裂裂缝深度，需分析了解梁墩交界处混凝土应力分布情况。从梁墩交界处向上分六层，从外向内分三层，分别为表面、距离表面20 cm处、距离表面40 cm处。根据各节点内力的大小变化情况，见图5～图7，来初步判断裂缝的最大深度。

图5　混凝土表面应力的分布情况（单位：MPa）

图7　距离混凝土表面40 cm应力的分布情况（单位：MPa）

图5～图7纵坐标为应力（单位MPa），横坐标为水平位移（单位m）。

由图5知：表面混凝土应力从下至上分布不均匀，最大应力分布在4.5～8.5 MPa范围。由图6可知：距表面20 cm处，最大应力分布在3.5～6.0 MPa范围。由图7可知：距表面40 cm处，最大应力分布在2.0～3.5 MPa范围。综合分析，所有预应力筋一次张拉时，其裂缝深度在30～40 cm。

因此，如果在盖梁完成后，一次将所有预应力筋张拉完毕，不能保证施工质量，将会出现不可接受的裂缝，包括裂缝的深度和宽度，甚至出现盖梁与支柱交界处混凝土脱落，必须对施工过程进行优化。

4　施工过程优化

经分析，混凝土拉应力超过混凝土的开裂应力主要集中在盖梁与墩柱的交界处，可以从如下几个方面进行考虑：

（1）提高混凝土强度等级，由于提高混凝土强度等级，对其抗拉强度提高的影响有限，不宜考虑。

（2）采用抗拉强度高的特种混凝土，如钢纤维混凝土。

综合考虑施工可操作性及成本节约针对第（3）方面做深入探讨。

5　加钢筋网片的优化方案

本研究拟定以下两种优化方案：

优化方案（一）：在盖梁与桥墩连接处加两层钢筋网片，两层钢筋网片之间距离为20 cm。盖梁施工完成后，所有预应力钢筋一次张拉，此时盖梁承担自重G1和所有预应力钢筋的张拉力。

优化方案（二）：在盖梁与桥墩连接处加三层钢筋网片，钢筋网片外表面到内间距分别为15 cm 和20 cm。盖梁施工完成后，所有预应力钢筋一次张拉，此时盖梁承担自重G1和所有预应力钢筋的张拉力。

5.1优化方案（一）：加两层钢筋网片数值分析

在盖梁与桥墩交界处添加两层钢筋网片，两层钢筋网片的具体布置方法是：每层钢筋网片，纵向间距16@5.5，横向间距12@15，两层间距为20 cm，两层钢筋之间设置直径12 mm的拉结筋，横向间距110 mm，纵向间距150 mm。盖梁施工完成后，所有预应力钢筋一次张拉，此时盖梁承担自重G1和所有预应力钢筋的张拉力。盖梁的整体位移云图见图8，混凝土应力云图见图9，普通钢筋应力云图见图10，预应力钢筋应力云图见图11。

图8　加两层钢筋网片整体位移云图（单位：mm）

图9　加两层钢筋网片混凝土应力云图（单位：MPa）

图10　加两层钢筋网片普通钢筋应力云图（单位：MPa）

图11　加两层钢筋网片预应力钢筋应力云图（单位：MPa）

5.2优化方案（二）：加三层钢筋网片数值分析

在盖梁与桥墩交界处添加三层钢筋网片，三层钢筋网片的具体布置方法是：每层钢筋网片纵向间距16@5.5，横向间距12@15，从外到内，一两层钢筋网片间距为15 cm，二三层钢筋网片间距为20 cm，三层钢筋之间设置直径12 mm的拉结筋，横向间距110 mm，纵向间距150 mm。盖梁施工完成后，所有预应力钢筋一次张拉，此时盖梁承担自重G1和所有预应力钢筋的张拉力。盖梁的整体位移云图见图12，混凝土应力云图见图13，普通钢筋应力云图见图14，预应力钢筋应力云图见图15。

混凝土搅拌是使集料均匀的重要手段，在本工程之中，施工人员设计拌和系统，严格遵守现场实验室的配料单，避免擅自更改配料，致使其出现不均匀问题。首先应安装搅拌机，边投料边搅拌，结合试验过程，对混凝土的搅拌程序、搅拌时间进行确定，严格按照混凝土搅拌质量参数执行。为保障工程质量，在搅拌过程中，对原材料进行称量记录，每3个小时对其进行一次检查，对搅拌计量系统进行效验，实现对混凝土搅拌的全过程控制。最后，在搅拌之后，混凝土设备进行坍落度测定，整个时间控制在30min以内[3]。