先張法框架式預(yù)應(yīng)力張拉臺座的設(shè)計

曹武賓

摘要：先張法框架式預(yù)應(yīng)力張拉長線臺座可一次對多片梁板的預(yù)應(yīng)力筋進行下料和張拉，具有工效高、預(yù)應(yīng)力筋損耗少、張拉應(yīng)力均勻、安全可靠的優(yōu)點。雖然前期投入稍大，但對于預(yù)制梁板數(shù)量多、工期緊張的工程仍有其經(jīng)濟合理性。

框架式臺座設(shè)計的主要內(nèi)容是傳力柱和固定橫梁截面尺寸的擬定。本文通過工程實例，介紹了先張法框架式張拉臺座的設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞： 先張法框架式臺座設(shè)計

中圖分類號： S611文獻標(biāo)識碼： A

框架式預(yù)應(yīng)力張拉臺座主要利用柱和橫梁組成框架，為預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備提供反力，實現(xiàn)對預(yù)應(yīng)力筋的張拉。橫梁和柱的設(shè)計就成了框架式張拉臺座設(shè)計的主要內(nèi)容，如下圖所示：

現(xiàn)以實例來說明先張法框架式預(yù)應(yīng)力張拉臺座的設(shè)計過程。

1、工程概況

我單位施工的桂林至梧州高速公路鐘山至馬江段第5合同段段內(nèi)共有橋梁七座，其中大橋1座，中橋3座，小橋3座，上部構(gòu)造的主要任務(wù)為320片20m和84片16m先張法預(yù)應(yīng)力空心板梁的預(yù)制和架設(shè)。

2、預(yù)應(yīng)力張拉臺座的設(shè)計

為了加快施工進度，要求每槽每次可對4片20m梁或5片16m梁的預(yù)應(yīng)力筋進行下料和張拉。根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋的工藝要求，槽寬取1.6m，槽長取86.46m。由于預(yù)應(yīng)力筋張拉后需等混凝土強度達到設(shè)計強度的80%才可放松，若只設(shè)一道張拉槽需等待較長時間才能進行下一批次張拉，造成窩工。根據(jù)施工進度的要求和場地情況，共設(shè)5道張拉槽，以保證在上一槽梁板的預(yù)應(yīng)力筋放松前進行下一槽梁板的預(yù)應(yīng)力張拉和混凝土澆注。

2.1 受力分析

根據(jù)設(shè)計圖紙說明：中梁的預(yù)應(yīng)力筋為14根，邊梁的預(yù)應(yīng)力筋為15根，張拉控制應(yīng)力σk=1395Mpa，品質(zhì)證明書中預(yù)應(yīng)力鋼絞線公稱截面積Ag=140mm2。

1根預(yù)應(yīng)力筋的最大張拉力Pj=σk·Ag=1395×140=195.3KN

14根預(yù)應(yīng)力筋的最大張拉力Pk=nPj=14×195.3=2734.2KN

15根預(yù)應(yīng)力筋的最大張拉力Pk=nPj=15×195.3=2929.5KN

故張拉預(yù)應(yīng)力筋所需的最大反力P=2929.5KN

整體張拉端（千斤頂端）受力分析

一片邊梁的15根預(yù)應(yīng)力筋在設(shè)計滿荷狀態(tài)下通過移動橫梁、絲桿和千斤頂將其張力P傳遞給了固定橫梁和傳力柱。由于工字鋼橫梁與傳力柱焊接在一起，且絲桿在橫梁中點兩側(cè)對稱布置，故可將固定橫梁的受力簡化為在兩個對稱集中荷載P/2作用下的固端梁。見固定橫梁受力簡圖Ⅰ：

固端剪力QA=QB==2929.5/2=1464.75 KN

設(shè)橫梁總長為l，一個集中力與一側(cè)固定端距離a，與另一固定端距離為b，則由結(jié)構(gòu)力學(xué)知識，固定橫梁和傳力柱連接處的固端彎矩:

MA=MB

=+===

==308.971 KN.m

橫梁在兩絲桿之間的彎矩為

MP=－=（1－）=

==57.217 KN.m

錨固端受力分析

橫梁和傳力柱之間的作用力為P/2，而橫梁由兩根工字鋼組成，故每根工字鋼受到傳立柱的反力為P/4。由于15根預(yù)應(yīng)力筋的分布寬度c=0.9m，則相鄰兩根預(yù)應(yīng)力筋的間距d=。又因為15根預(yù)應(yīng)力筋對稱分布，故可將錨固端橫梁的荷載看做由1個作用于跨中的預(yù)應(yīng)力筋拉力Pj 和兩側(cè)7對預(yù)應(yīng)力筋拉力7×2Pj組成。見固定橫梁受力簡圖Ⅱ：

固端剪力QA=QB==2929.5/2=1464.75 KN

參照整體張拉端的固端彎矩

MA=MB=

對7對對稱的集中力Pj，上式中的

FP=Pj，a=an=-nd，b=bn=+nd（n=1,2,3……7）

則7對對稱的預(yù)應(yīng)力筋拉力Pj引起的固端彎矩

M14A=M14B====-

1根作用在跨中的預(yù)應(yīng)力筋拉力Pj引起的固端彎矩M1A=M1B=

15根預(yù)應(yīng)力筋引起的固端彎矩

MA=MB=M1A+M14A=M1B+M14B

=-+=-=515.278 KN.m

固定橫梁的跨中彎矩為

MP=-MA=326.953 KN.m

移動橫梁受力分析

移動橫梁的荷載分布與錨固端固定橫梁的荷載分布相同，不同的是兩種橫梁的長度。其固端剪力和彎矩可仿照錨固端橫梁的算法：

固端剪力QA=QB==2929.5/2=1464.75 KN

15根預(yù)應(yīng)力筋引起的固端彎矩

MA=MB=-=300.084 KN.m

移動橫梁的跨中彎矩為

MP=-MA=175.96 KN.m

由以上計算看出，在不同的荷載分布情況下，固定橫梁和移動橫梁的固端彎矩和剪力均大于跨中彎矩和剪力。故在選擇橫梁的截面尺寸時，以各自的固端彎矩和固端剪力作為強度驗算的極限值。

2.2 橫梁的選材和截面尺寸擬定

工字鋼具有承載能力強、剛度大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，而公路鋼橋常用的16Mn鋼具有強度高（彎曲應(yīng)力容許值[σw]=210MPa，剪應(yīng)力容許值[τ]=120MPa），塑性、韌性（E=210GPa）比較適宜和可焊性良好等優(yōu)點，故選取16Mn低合金工字鋼作為橫梁。

整體張拉端固定橫梁截面尺寸的擬定和強度、剛度驗算

由截面彎曲應(yīng)力控制條件σw=≤[σw]，得

每根工字鋼的截面系數(shù)W≥===736cm3

為使絲桿能在固定橫梁中自由伸縮移動，且對工字鋼的偏心距較小，應(yīng)使用翼板寬度略大于絲桿直徑（10cm）的兩根工字鋼組合而成。查型鋼表，選取32c型熱軋普通工字鋼：

截面最大剪應(yīng)力

τmax====202.65 MPa

＞1.25[τ]=150MPa

說明固端剪力作用下，32c型工字鋼截面剪應(yīng)力不滿足16Mn鋼強度要求。

由截面剪應(yīng)力控制條件τmax==≤1.25[τ]，得

d≥==18.2mm

查型鋼表，最大型號的63c型工字鋼的腹板厚度也只有17mm。要使剪應(yīng)力滿足強度條件，需增加32c型工字鋼腹板厚度。

工字鋼截面慣性矩I=-

工字鋼半截面靜矩S=-

取d=20mm，及32c工字鋼的其余已知尺寸代入I、S計算式，得

I=13421.38cm4，S=516.775cm3，I/S=25.97cm

將d=20mm和I/S=25.93cm代入強度條件，得

τmax===141.0 MPa＜1.25[τ]=150MPa，

剪應(yīng)力滿足強度要求。

剛度驗算：

固定橫梁的最大撓度fmax=-=-=-0.04mm＜2mm

剛度滿足要求。

移動橫梁截面尺寸的擬定和強度、剛度驗算

根據(jù)受力分析，移動橫梁的固端剪力和整體張拉端固定橫梁固端剪力相等，而固端彎矩稍小于整體張拉端固定橫梁，故采用和整體張拉端固定橫梁相同的32c型工字鋼（腹板加厚6.5mm），不再進行強度驗算，只驗算其剛度。

移動橫梁的最大撓度fmax==-0.6mm＜l/600=1.8mm

剛度滿足要求。

以上計算表明，為使32c工字鋼滿足強度和剛度條件，需將其腹板加厚為20mm，選取厚度為6.5mm，寬度為290mm的16Mn鋼板緊貼在腹板一側(cè)焊接即可。

錨固端固定橫梁截面尺寸的擬定和強度、剛度驗算