先张法预应力混凝土预制梁台座设计施工技术-secret.doc

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先张法预应力混凝土预制梁
台 座 设 计 施 工 技 术
一、 方案选择
某高速公路某合同段，共有20米先张法空心板梁384片，其中中梁324片，边梁60片，计划施工工期为 年6月1日至 年9月30日，计划工期为122天，计划每月按25个工作日计划，一个台座的生产梁的生产周期按4天计算，所以台座需设计为：每槽生产4片梁的台座4道，根据设计图纸具体尺寸，台座布置如下图1。

某高速公路某合同段位于内蒙古东北教来河冲积平原内，地表土由冲积粉细沙和薄层亚沙土组成。土的物理、力学性质较差，强度低，其土的承载力[σ0]为30～300Kpa之间。预制梁台座初步方案选择较为经济的桩柱式台座，但其地质条件很难满足力学要求，最终通过质量、安全、经济评估、以及力学验算确定为框架式台座。
3 台座的设计
3.1 台座尺寸设计
台座长度计算：
L=l·n+(n-1)×0.5+2·K=20×4＋（4-1）×0.5＋2×3.7=88.9 m
式中 L—台座长度(m），l—构件长度(m）；n—一条生产线内生产的预制梁数（片）；1—两构件相邻端头间的距离(m）；K—台座横梁到第一根构件端头的距离，这里取3.7米。
根据场地条件、生产规模及预制梁尺寸，台座结构设计如图2。
3.2　稳定性验算
　　20米空心板梁钢绞线张拉力：单根钢绞线张拉力为１９６KN，共有１５根钢绞线，按超张拉力１０５%计算。
　　N=１９６KN×１５根×１.０５＝３０８７KN
3.2.1 抗倾覆验算
抗倾覆验算按下式计算
（图2）：
K= Mr/ MOV=
G1L1+ G2L2+ G3L3+ G4L4
N h1
>1.5
式中 K—抗倾覆安全系数，一般不小于1.5；MOV—倾覆力矩，由预应力筋的张拉力产生；Mr—抗倾覆力矩，由自重力和土压力等产生；G1—台座外伸部分的重力；G2 、G3 、G4—台座部分的重力；
Li—各部分重心至O点的水平距离；N—预应力筋的张拉力；h1—张拉力合力作用点至倾覆转动点O的垂直距离。
平衡力矩：
Mr=G1L1+ G2L2+ G3L3+ G4L4
=2×1×2×24.5×9.7+1.7×1×3×24.5×8.35+(3×1+0.5×2)/2×1×24.5×7＋(2×0.5＋0.5×1)/2×6.5×24.5×3.25
=2725.1 KN·m
倾覆力矩：MOV=N h1=3087×0.3=926.1 KN·m
抗倾覆安全系数：K= Mr/ MOV=2725.1 /926.1=2.9>1.5 (安全)
3.2.2 抗滑移验算
抗滑移验算按下式计算：K= N1/N≥1.3
即 N1≥1.3 N=1.3×３０８７=4013.1 KN
此处忽略混凝土台座与土的摩阻力和土对台座的被动土压力作用。设作用于台座上的滑动力N全部作用于传力柱上，即 N1≥1.3 N=1.3×３０８７=4013.1 KN
3.3 牛腿设计
3.3.1 牛腿受拉钢筋配筋设计
已知：N=3087 KN h0=2700-50=2650 mm fg=300 MPa
h1=300 mm<0.3 h0 =0.3×2650=795 mm （设计规范规定：当h1<0.3 h0时，取h1=0.3 h0），故取h1=0.3 h0=795 mm
Ag=(N h1) /(0.85 h0 fg)=(3087×795×103)/(0.85×2650×300)
=3631.7 mm2
设计规范规定：承受竖向所需的水平纵向受拉钢筋的配筋率（按全断面计算）不应小于0.2%。现Ag小于规范规定，故取
Ag=0.002×A =0.002×2.75×106=5500 mm2=55.0 cm2
选用Ⅱ钢筋12Φ25mm钢筋（配筋构造图如图3所示），
Ag=12×4.909=58.908 cm2>55.0 cm2 满足要求

3.3.2 牛腿弯起钢筋设计
本台座 h1/ h0=300/2650=0.11<0.3，故应按构造要求配筋：
Ag=0.0015×(2+0.75)×106=4125 mm2=41.25 cm2
选用Ⅱ钢筋12Φ25mm钢筋（配筋构造图如图3所示），
Ag=12×4.909=58.908 cm2>41.25 cm2 满足要求
3.3.3 牛腿采用水平箍筋Ⅰ钢筋φ10且双支箍，间距100 mm（配筋构造图如图3所示），满足规范要求（规范要求：在牛腿上部2/3 h0的范围内水平箍筋总截面积不少于承受竖向力的受拉钢筋截面积的1/2）。
3.3.4 裂缝控制验算
N≤(βfTKbh0) / (0.5+ h1/ h0)
式中：β—裂缝控制系数。
取β=0.65，则有：
N=(0.65×1.8×2.75×103)/(0.5+300/2650)
=5247 KN > N=3087 KN （安全）
3.3.5 牛腿支承面混凝土强度验算
N/A=3087/(0.5×1)=1.543 Mpa
<0.75fc=0.75×19.5=14.625Mpa （安全）
3.4 传力柱配筋设计
已知：h=1000 mm h0=1000-50=950mm a=50mm b=50mm
fcm=21.5 Mpa fy=300 Mpa
由抗滑移验算可知,传力柱上抵抗力应N1≥4013.1 KN，取N=4013.1 KN
e0=M/N=4013.1×300/4013.1=300 mm>0.3×950=285 mm
故ea=0 e1= e0+ea= e0
ψ=l0/h=5000/100=5<8
故不考虑挠度对纵向偏心距的影响，η=1
e=ηe0+h/2-a=300+1000/2-50=750 mm
x=N / (γb/γc·fcmb)= 4013.1×103/(0.95/1.25×21.5×500)
=491 mm
γb—构件工作安全系数，取γb=0.95
γc—混凝土安全系数，取γc=1.25
ξ=x/ h0=491/950=0.51<ξjg=0.55
x>2ag`=2×50=100 mm（符合大偏心受压矩形截面对称配筋要求）
Ag = A`g=［N· e－γb/γc fcmbx(h0-x/2)］/［γb/γc fy(h0－a)］
=［4013.1×750－0.95/1.25×21.5×500×491×(950-491/2)/1000 ］/［0.95/1.25×300×(950－50) ×1000］×10000
=8.95 cm2
每侧各选用选用Ⅱ钢筋2Φ25mm钢筋（配筋构造图如图3所示），即Ag= A`g =2×4.909=9.818cm2>8.95 cm2 (满足要求)
3. 5 钢横梁设计
钢横梁承受的均部荷载为：
q=3087/1=3087 KN/m
M=1/8 q L2=1/8×3087×12=385.875 KN·m
钢梁需要的截面抵抗距为：
W=M/f=385.875×106/315=1225×103mm3
用16Mn钢，2I40b，Wx=1140×103×2=2280×103 mm3>1225×103mm3 (可满足条件)
钢梁的剪力为： V=1/2 q L=1/2×385.875×1=192.94 KN
钢梁的剪应力为：
τ= V/F=192.94×103/(9410×2)=10.252 Mpa<fV=185 Mpa
钢梁变形值为：
ωmax=(5 q L4)/(384EI)=(5×3087×10004)/(384×2×105×22780×104×2)
=0.441mm<L/400=1000/400= 2.5mm (可满足要求)
3.6 预应力砂箱设计
砂箱是预先放在台座与横梁之间。由钢制箱套及活塞（套筒内径比活塞外径大2mm）等组成。内装石英砂。当放张预应力筋时，将出砂口打开，使砂慢慢流出，从而可慢慢放张张预应力筋。具有能控制放张速度，工作可靠，施工方便等优点。
砂箱的承载力主要取决于筒壁厚度，按下式计算：
t≥(pr)/［f］ 其中 p=N/A·tg2(45°-ψ/2)
t—砂箱筒壁厚(mm)；p—筒壁所受压力(N/mm2)； N—砂箱所受正压力(N)；A—砂箱活塞面积 (mm2); ψ—砂的内摩擦角(°)；r—砂箱的内径(mm)。
这里选用砂箱内径D=300mm，砂的内摩擦角ψ=35°，筒钢板用Q235，允许应力［f］=215N/mm2，张拉力N=3087KN。
筒壁所受侧压力：
p=N/A·tg2(45°-ψ/2)
=3087/（π/4×3002）tg2(45°-35°/2)=11.8 N/mm2
筒壁钢板厚度：
t=(pr)/［f］=(11.8×150)/215=8.2 mm
选用t=10mm（考虑加工损耗减薄等）。
4．台座施工工序
框架式台座工作原理是张拉力通过钢横梁、砂箱传于牛腿、再通过牛腿传于传力柱整体受力，传力柱埋于地面以下，传力柱间由系梁联系成整体。施工要控制好以下环节：
第一步：平整压实场地，；为防止地基沉降带来的质量事故，场地要求压实度达到93%以上。
第二步：开挖基坑，要求传力柱顶面与地面同高；使台座中的配重、传力柱，牛腿下部均埋置于地基中，增加筐架式台座的结构受力特性。
某步：钢筋绑扎，牛腿是关键部位，钢筋要求布置准确，牛腿受力面处预埋钢板要求位置准确，钢板面平整。
第四步：浇注牛腿、配重、传力柱混凝土，采用 C40混凝土；
尤其注意牛腿预埋件处混凝土振捣密实。
第五步：台座板及台面施工，台座板置于压实的地基上，厚30厘米，台座面精确水整，四周边缘角钢用φ10锚固于混凝土中，再在其上铺设5mm厚钢板，钢板和边缘角钢焊接为一整体。
第六步：钢横梁、砂箱安装，钢横梁采用2I40b制作和 20mm厚钢绞线限位钢板组焊而成。钢横梁安装：钢绞线限位钢板穿线定位孔位置要与台座面高差要准确（以控制好钢绞线保护层）。钢横梁、砂箱要安装水平，且轴心在同一水平面。
第七步：调试。
5、结束语
张拉实践证明，该台座强度、刚度足够满足张拉要求，抗倾覆、抗滑移稳定性好，张拉质量稳定易控制、施工安全可靠。
框架式先张法张拉台座完全适用于在地质较差的地区设置先张法生产预制梁的预制梁厂。
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