先张法预应力U型梁施工关键技术研究

王晓磊

(中铁三局集团广东建设工程有限公司，广东 广州 510630)

0 前 言

U形梁薄壁开口式结构，具有降噪效果好、外形美观、空间利用率高、造价低等特点，正在被广泛采用[1-2]。我国的U形梁技术源自法国，2003年广州地铁2号线和2007年上海轨道交通8号线采用的都是法国技术，2009年南京地铁2号线[3]首次使用了具有自主知识产权的国产化U形梁技术。除上述线路外，重庆轨道交通1号线[4]，江苏城市轨道交通，上海轨道交通11号线[5]、11号迪士尼专线、16号线，东莞轨道交通，青岛蓝色硅谷交通配套工程[6]，南京至高淳城际快轨[7]，郑机城际线路均采用了U形梁技术。U型梁的设计使用还处于发展阶段，目前对于先张法施工U型梁的研究较少，尤其缺乏与实际工程相结合的理论成果，而本研究所依托工程中，先张法U型梁被大量应用，因此，在工程基础上对先张法U型梁进行研究具有重要的意义。

1 工程概况

深圳市城市轨道交通6号线6102标段位于广东省深圳市光明新区和宝安区，从光明中心站出站沿光明大道至北段设荔林站预留接驳东莞R1线，再左拐进入规划的公园大道，上跨龙大高速公路及茅洲河进入别墅大道，下穿红花山公园及公明广场拐向松白路，在合水口站之前出地面，过薯田埔站后拐入沙江路转入地下，至终点松岗站与11号线换乘。全长14.166 km，高架区间长7.014 km。

所采用的U形梁长度多为25～35 m七种梁型，长度25～30 m的U形梁跨中高度1.9 m，梁端加厚段1 m范围内加高至2.02 m，梁顶宽5.42 m，内宽4.02 m。断面采用U形，曲线腹板，底板与腹板厚度均为280 mm，梁端加厚段底板厚400 mm。如图1所示，先张法预应力筋采用1×7-15.20 mm-1860 MPa高强度低松弛钢绞线，预应力筋分别为84～100根，均分部在底板位置。

图1 U型梁截面简图

2 先张法施工工艺

采用“单束初调、整体初拉、单束终拉”的张拉工艺，“双控法”控制，即：“以应力控制，伸长量校核”。

单束初调：钢绞线通过锚具、连接器连接成一根受力杆件，根据预应力计算书计算出预应力终张拉力，再用小千斤顶多次、反复调整张拉到终张拉力的20%。

整体初拉：张拉设备确认无误后，在张拉端再进行80%终张拉应力整体张拉，持续保压进行张拉，最后用小千斤顶多次、反复调整至既定预应力。

单束终拉：安装预埋件及内模后，在固定端单束张拉至100%设计应力，持荷3 min，实测伸长值，以减少钢丝锚固后的应力损失。补足或放松预应力筋的拉力至控制应力。张拉满足要求后，锚固预应力筋，千斤顶回油至零。

放张：先将底模上固定预埋件用的螺栓卸掉，为避免在结构内产生瞬间荷载，钢绞线放张连贯、均匀进行。单端采用分级放张：10%→10%→20%→20%→20%→20%。

3 张拉系统设计

3.1 制梁台座

采用整体式制梁台座进行“长线法”施工，按“一串二”方式进行设计，采用一个先张台座串二片梁一起张拉的施工方法。根据地质条件不同、地基处承载力不同，分别设计了桩承式整体制梁台座与压柱式整体制梁台座。

桩承式整体制梁台座基础为直径为120 cm钻孔灌注桩，桩身采用C30混凝土，传力墩、台身采用C50混凝土，底模平台采用C40混凝土，台身下设C15混凝土垫层厚10 cm。考虑30 m U梁重为220 t，在预制阶段台座承受的钢模重量即端模、底模及侧模施加在台座的重量约49 t。考虑梁重、钢模重及所有施工荷载，台座设计承载力按312 t计算。根据地质勘查报告，基础设计桩长均为15 m，基础横向布置三排，间距3 m，纵向桩基间距不大于8 m。制梁台座剖面图见图2。

图2 桩承式制梁台座剖面图

压柱式整体制梁台座全长85 m，宽8 m，按25-30 mU形梁长度设计。台座基础为扩大基础，采用C50混凝土，台座张拉端头扩大基础增加70 cm厚配重基础，配重基础浇筑C25混凝土；传力墩、压柱与台座基础整体浇筑，采用C50混凝土；底模平台采用C40混凝土，台身下设C15混凝土垫层厚10 cm。考虑30 mU梁重为220 t，在预制阶段台座承受的钢模重量即端模、底模及侧模施加在台座的重量约49 t。考虑梁重、钢模重及所有施工荷载，台座设计承载力按312 t计算。台身端头加厚段高230 cm，标准段高100 cm。制梁台座剖面图见图3。

图3 压柱式制梁台座剖面图

3.2 先张台座

采用张拉横梁、智能张拉系统，确保预应力筋的同步张拉，结合放张后U型梁上拱值调整超张拉系数，有效控制了单根预应力筋的张拉力值。U形梁先张台座设计如图4所示。

图4 先张台座设计图

钢绞线通过工具锚锚固在活动张拉横梁上，采用同步张拉液压系统带动4台张拉千斤顶拉动活动张拉梁，达到张拉力后紧锁拉缸螺母，然后浇筑混凝土，待强度达到后通过泵站对千斤顶进行同步放张。

4 结构分析计算

4.1 结构荷载

1)恒载。结构自重：主梁采用C55混凝土，容重取26 kN/m3；二期恒载：包括轨道结构(含钢轨和承轨台)、吸声板及强及弱点支架、声屏障、桥面铺装层，合计恒载集度为48.8 kN/m；预加力：采用高强度低松弛钢绞线Φs15.2的预应力钢绞线[8]，先张法计算；混凝土收缩徐变：按相关标准进行[9]计算。

2)活载。列车竖向动力作用：

(1)

取a=2，L为桥梁跨度，程序自动计算。

离心力：

F=V2N/(127R)

(2)

式中，V为设计最高列车速度；N为列车竖向静活载；R为曲线半径。通过计算，离心力为196 kN。

列车横向摇摆力：按相邻两节车四个轴轴重的15%计算。

3)附加力。制动力或牵引力：按列车竖向静活载的15%计算，当与离心力同时计算时，可按竖向静活载的10%计算；温度荷载：对于简支梁，整体升降温不产生力的效应；梯度温度按图5模式计算。

图5 梯度温度计算模式

风荷载：桥上有车和桥上无车两种情况[10]，有车时取1 469 Pa，无车时取1 175.2 Pa。

4.2 U型梁有限元模型及参数

U型梁有限元模型如图6所示。

图6 U型梁有限元模型

以30 m U形梁为研究对象，桥梁长29.9 m，计算跨度为29.0 m，采用Midas Civil进行建模计算分析，全桥主梁共33个节点，32个单元。

主要材料参数见表1。

表1 混凝土材料参数[8]

主梁纵向预应力采用公称直径15.2 mm钢绞线，抗拉强度标准值1 860 MPa，弹性模量为195 000 MPa。钢束张拉控制应力按1 230 MPa计算。

4.3 计算结果分析

1)主截面及斜截面强度。如表2所示，主梁正截面及斜截面的强度安全系数均满足规范要求。

表2 主截面及斜截面强度计算结果

2)运营荷载下正应力见表3。

表3 主梁正应力计算结果 单位：MPa

由表3可知，主力组合作用下，主梁上缘最大压应力为14.52 MPa，除支座至梁端处为0.39 MPa拉应力外，均满足要求；主梁下缘最大压应力为7.27 MPa，最小压应力为1.46 MPa，满足要求。主加附组合作用下，主梁上缘最大压应力为14.52 MPa，梁端1.8 m范围内产生拉应力，越靠近梁端拉应力越大，最大拉应力为1.77 MPa<0.7ft=2.31 MPa，所以梁端上翼缘的普通钢筋需加强；主梁下缘最大压应力为8.77 MPa，最小压应力为1.46 MPa，满足要求。

3)预应力钢绞线应力。预应力钢绞线的最大应力为1 114.5 MPa小于1 116 MPa，满足要求。

4)最大剪应力。主力作用下主梁最大剪应力为2.65 MPa，主加附作用下主梁最大剪应力为2.69 MPa，均小于6.29 MPa，满足要求。

5)残余徐变变形、挠度及梁端转角见表4。

表4 残余变形、挠度及梁端转角计算结果

由表4可知，U型梁结构的残余徐变变形、挠度以及梁端转角均满足要求。

5 结论及建议

以深圳市城市轨道交通6号线高架段U形梁实体项目为依托，研究了先张法U形梁规模化生产中的关键技术，形成了“单束初调、整体初拉、单束终拉”的施工工艺，主要结论及建议如下。

1)先张法预应力筋数量大，单根预应力筋张拉力值控制困难，采用智能张拉系统及张拉横梁同步张拉，结合放张后U形梁上拱值调整超张拉系数，能够有效控制单根预应力筋的张拉力值。

2)结构的受压稳定性以及强度和变形都能满足要求，所设计的U型梁结构安全合理。

3)梁端1.8 m范围内产生拉应力，越靠近梁端拉应力越大，最大拉应力为1.77 MPa，所以梁端上翼缘的普通钢筋需加强。

4)整体压柱式制梁台座的应用，克服了不同跨度梁型长度调整的问题，实现了张拉系统在台座外张拉作业。

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