公路现浇连续梁预应力筋张力对支架体系的受力影响分析.pdf

中国新技术新产品2024 NO.3（上）-117-工 程 技 术在深入相关领域的研究中发现，截至目前，中国公路的里程总数位居全球之首，此类工程的建设大多经过 3 个阶段：“模仿”“追赶”“超越”。目前国内公路的建造技术与设计开发水平处于国际领先地位1。针对我国公路建设中土地资源紧张及对铁路基础稳定要求较高的现状，大部分公路基础为高程预应力混凝土梁桥，在不设置特殊障碍物的条件下，可采用标准跨度预制梁桥进行施工，而在跨江、跨径等条件下，需要采用大跨度结构的混凝土连续梁进行桥梁工程的设计施工2。随着桥梁工程、公路工程建设水平的持续进步，大跨度预应力梁桥的施工方法也越来越多，目前常用的有支架原位浇筑法、顶推法等，其中原位浇筑法具有操作便捷、建成后结构刚度大等优势，因此，被施工单位定义为最优的施工技术。尽管连续支架结构属于临时结构，但此结构仍为工程施工中不可忽视的重点结构，支撑系统具有节点多、数目多、受力计算过程十分复杂等特点，至今尚无通用的支撑系统设计与计算模型。为深化此方面工作，发挥支架结构在工程建造与施工中的价值与效能，本文将对此进行研究。1 项目实例随着建筑技术的进步，支架的种类也在增加，但不同种类支架结构在使用中的力学性能设计未能完全优化。随着构筑物体积变大、结构复杂程度的加深，模板支架的搭设方式也变得更复杂。由于支架架设规范不完善，加上工程方对现浇支架设计缺乏足够关注，因此在目前的工程建设中，支架的坍塌事故很常见3。为解决该方面问题，本文以某桥梁工程项目为例，对施工中支架结构受力进行分析。分析前，须对公路现浇连续梁的桥跨布置方式进行分析，如图 1 所示。根据公路现浇连续梁的桥跨布置方式，对桥梁结构相关技术参数进行设计，见表 1。在上述内容的基础上，对梁体结构的构成进行分析，梁体结构由变截面、直腹板、单箱单室等结构构成，其中箱梁结构的顶部宽度为 12.6m，底部宽度为 7m，顶板厚度按折线方式变化。明确桥梁结构的基本技术参数后，对其设计施工材料进行分析，内容见表 2。对箱梁浇筑阶段施工工艺进行分析，如图 2 所示。2 空间有限元模型构建在上述内容的基础上，构建连续梁空间有限元模型。在建模的过程中，用实体单元表示箱形梁底端及箱形梁底端的空间分布，用钢筋单元表示纵向预应力钢束。由于 MIDAS/FEA 建模软件中缺少钢筋混凝土柱的组合截面形式，因此，可使用 MIDAS/FEA 中的 CIVIL 工具换算组合截面，当截面材质为钢材时，将钢筋混凝土柱截面转换为当量截面，其他的单元由具有同样剖面属性的梁元模拟4。完成支架结构中构件、箱梁的模拟后，设定支架结构在工程中的边界条件，模拟结构中核心杆件的连接，为保证模拟的合理性，在考虑现浇梁施工中组合风荷载的条件下，计算立杆极限条件下的稳定性。如公式（1）所示。公路现浇连续梁预应力筋张力对支架体系的受力影响分析李春（南京永安工程技术有限公司，江苏 南京 210000）摘 要：针对现浇连续梁施工时，支架体系受力过大导致梁体中部位置支架内力产生卸荷现象，影响结构整体质量的问题，对公路现浇连续梁预应力筋张力对支架体系受力影响进行分析。以具体项目为例，构建公路现浇连续梁空间有限元模型。在此基础上，在不考虑预应力条件下，分析钢束张拉时支架结构受力以及不同连接方式时支架竖杆结构受力影响。结合分析结果对支架体系进行优化。优化后的支架体系能够承受更大的负荷，提高结构整体受力能力，确保后续施工工作的顺利进行。关键词：大节段；现浇；连续梁；预应力筋；张拉；支架结构中图分类号：TU757文献标志码：A表 1 公路现浇连续梁结构参数分析（单位：m）梁跨设计箱梁全长中支点处截面中心处梁高跨中长度边跨直线段长度截面中心处梁高64+128+64257.59.61595.355.615表 2 公路现浇连续梁设计施工材料分析梁体施工材料封端材料工程施工中的普通钢筋预应力钢束的抗拉强度标准值预应力钢束公称直径竖向结构施工材料竖向结构钢筋抗拉强度支座结构C55混凝土 C55干硬性补偿收缩混凝土 HPB螺纹钢筋/HRB400光圆钢筋1086MPa15.2mm25mm螺纹钢筋830MPa球形钢结构支座图 1 公路现浇连续梁的桥跨布置方式中国新技术新产品2024 NO.3（上）-118-工 程 技 术0.9WfkAM=+（1）式中：k 为立杆极限条件下的稳定性系数；W 为立杆结构的截面抵抗矩；为结构中受压构件的极限荷载；A 为立杆截面面积；f 为风荷载强度设计值；M 为立杆弯矩。在此基础上，计算立杆在极限受力条件下的位移量，如公式（2）所示。QHEA k=（2）式中：为立杆在极限受力条件下的位移量；Q 为立杆总高度；H 为立杆计算恒载；E 为立杆材料的弹性模量。完成计算后，将得到的参数作为空间有限元模型的边界条件进行录入，操作 MIDAS/FEA 建模软件界面中的“生成”按键，构建结构空间有限元模型，为支架架构在不同工况下的受力综合分析提供支持5。3 不考虑预应力条件下钢束张拉时支架结构受力分析在不考虑预应力钢束张拉作用的情况下，箱梁荷载的施加力为两个箱梁阶段同时加载在模板支撑架上并且补偿拉纵向预应力的钢束。在此基础上，以支架的垂直和水平连接形式为变量，分别分析刚接和铰接两种连接方式下的支架结构各主要构件受力6。图 3 为不考虑预应力条件下钢束张拉时支架竖杆轴力云图。从图 3 可以看出，在刚接形式下，支架竖向最大轴力40.00kN，在铰接形式下，支架竖向轴力 41.00kN，在顺桥方向上，钢管柱顶端处的轴力大于钢管柱的跨中处，由于端部有两根钢筋混凝土柱，因此在横桥方向上，箱梁腹板下的轴力比底板其他部分要大。而两种连接方式下，支架的轴力几乎相同且竖向与横向为刚体连接，其绝对应力比其他部分小，为 3.2%。结合上述基本逻辑，对支架竖向位移进行分析7-8。支架体系的位移大小分布为在顺桥方向上从箱梁边跨位置开始到跨中位置，竖直方向的位移逐渐增加，并且在钢管柱的上方位置，竖直方向上的位移明显小于钢管柱两侧的竖直方向位移。在 2 种连接情况下，支架结构竖直方向上的位移大小分布基本相同。支架竖杆与横杆的连接方式若选用刚接形式，与铰接形式相比，则产生的竖直方向位置绝对值更小，但相差不大。在横桥方向上，钢管柱顶部分配梁轴力大小分布呈现从外向内受压轴力绝对值逐渐增加的趋势。在刚接和铰接两种连接形式下，钢管柱顶分配梁轴力的分布大致相同，当支架竖杆与横杆的连接方式为刚性连接时，其轴力绝对值要小于其铰接连接方式，但二者间的差异较小，通常 3%。在上述两种连接方式下，钢管柱顶分配梁正负弯矩的分布基本上相同，当支架竖杆与横杆的连接方式为刚性连接时，弯矩绝对值要小于其铰接连接方式，但二者差异不大，通常情况下差值 1.5%。钢管柱和钢管混凝土柱轴力也会受到不考虑预应力条件下钢束张拉的影响。钢管柱底部和钢管混凝土柱底部反力的分布在两种不同的连接形式图 2 箱梁浇筑阶段施工工艺图 3 不考虑预应力条件下钢束张拉时支架竖杆轴力云图中国新技术新产品2024 NO.3（上）-119-工 程 技 术下基本一致，支架竖杆与横杆的连接方式若选择刚性连接，与铰接方式相比，则其最大基础支反力更小，但二者之间相差不大，差值通常为 1.9%。4 不同连接方式下支架竖杆结构受力影响分析在支架结构中，由于直接承担了上部大节段现浇连续梁的荷载，因此支架的受力和位移大小会直接影响箱梁的受力以及线形变化。由于部分支架结构中的杆件数量较多，因此必须要对其进行更细致地研究。为分析在不同连接方式下支架竖杆结构受力影响，本文选取在顺桥方向上的支架竖杆和横杆间连接为刚接点和铰接点的情况下轴力、位移等参数，并通过绘制相应的曲线变化图，对顺桥方向上腹板下方每根立杆的轴力和位移值进行分析。在水平方向上，大节段现浇连续梁腹板下支架受力最大，因此选择将该部分竖杆的竖向位移平均值作为纵坐标，将端部距离作为横坐标，绘制不同连接方式下，用钢束张拉计算刚接节点与铰接节点位置位移曲线图，如图 4 所示。由于支架架设在梁上，因此可以明显地看出在竖直方向上，支架位移受梁的影响。在钢管柱的柱顶位置，其位移明显小于相邻钢管柱跨间的竖向位移。同时，由于箱梁端部位置配置了钢筋混凝土柱，对箱梁腹板起到了支撑作用，因此该位置上支架竖杆取值点在竖直方向上的位移较小。从图4 可以看出，在不同的节点处理方式下，跨度较大的跨间位移差值明显比跨度小的跨间位移差值更大，但总体差异不明显。将箱梁腹板底部的支架竖杆的轴力平均值作为因变量，在不考虑预应力钢束张拉的条件下，分析刚接节点与铰接节点的位置与轴力间的关系。由于支架架设在梁上，因此可以明显看出支架的竖杆轴力存在梁的受力特性。在钢管柱柱顶周围的轴力大于其相邻的钢管柱跨间的轴力，由于箱梁端部设有两根钢管混凝土柱，直接支承在箱梁腹板下，因此周围的支架受力并不随混凝土质量和支架体系刚度的增加而增加。研究发现，对两个不同的结合点来说，结合点位置对碗扣支撑竖向杆受力的影响不大。5 结语目前，国内外对支架结构受力问题的研究集中在梁体线形密实度方面，而对大跨径连续箱梁现浇过程，支撑体系受力变化研究却不多。在施工中，如果采用分段施工方式，就会涉及梁体节段预应力钢束张拉，长期张拉会导致箱梁内部应力再分布，会造成箱梁上部拱顶上端弯折、梁体节段中部支座受力下降，严重时会导致梁体节段与支座脱开，造成节段端部支座过大，有一定的工程安全隐患，因此，对预应力钢束张拉所致支座的受力特性进行研究，具有重大的理论与现实意义。为满足此方面需求，本文进行了研究，通过建模等方式，明确了支架中不同构件在预应力筋张拉条件下的内力分布与受力情况，可以在后续类似的工程项目施工中，参照本文研究成果，对施工过程进行全面优化，通过这种方式，深化工程项目施工时支架体系设计。参考文献1 王炜，张延林，陈志远.预应力混凝土预应力筋张拉时机智能判定系统 J.建材世界，2022，43（5）：113-116.2 张德锋，赵令玉，侯建青，等.现浇地下连续墙结构预应力筋线形布置及张拉方法研究 J.建筑结构，2021，51（增刊1）：2070-2073.3 黄流星.预应力楼板中预应力筋合理张拉顺序研究 J.建筑技术开发，2022，49（11）：45-47.4 胡涛.后张法预应力筋张拉伸长值的计算及影响因素分析J.四川水泥，2022（6）：152-153，156.5 李佩勋，蒋方新，陈尚志，等.缓黏结预应力筋张拉适用期确定方法试验研究 J.建筑科学，2022，38（1）：114-118.6 郭苗苗.浅析张拉预应力空心板中预应力筋对结构的影响J.建筑与预算，2021（12）：86-88.7 刘晓允，曹武雷，王柯柯.现浇连续梁预应力筋张拉控制技术 J.科技资讯，2021，19（25）：52-53，56.8 白安生.东冲大桥预应力筋张拉中关键问题的研究 J.工程机械与维修，2021（4）：148-150.图 4 刚接节点与铰接节点位置位移曲线图