空間曲線預應力筋的施工布設及伸長量計算方法探討

李召弟

摘要：本文以某高速公路樞紐互通立交橋的匝道彎橋預應力鋼絞線布設和張拉計算為引例，重點介紹了小半徑空間曲線非對稱布設預應力筋在施工中的投影布置方法及空間曲線包角、曲線長、平均張拉力、伸長量的計算思路，利用Mathematica數學軟件進行精確計算的方法，為以后同類施工及計算提供一定參考價值。

Abstract： This paper takes the prestressed steel strand layout and tension calculation of the ramp bridge of a highway interchange interchange as an example， and focuses on the projection arrangement method and the calculation method of wrap angle， curve length， average tension and elongation space curve of the asymmetrically placed prestressed tendons in the small radius space curve during construction. Mathematica mathematics software is used for accurate calculation， which provides some reference value for similar construction and calculation in the future.

關鍵詞：預應力;橋梁;伸長量;計算;Mathematica

Key words： prestress;bridge;elongation;calculation;Mathematica

中圖分類號：U445 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）12-0117-03

0 ?引言

城市公路橋梁設計中采用預應力混凝土彎橋的方案越來越多，且橋梁曲線在空間布設復雜。在施工技術中，預應力筋伸長量計算準確是施工質量保證的重要因素?！豆窐蛄菏┕ぜ夹g規(guī)范》對預應力筋的理論伸長值計算有明確、簡單的公式及說明，這對于直線或平面曲線類型的預應力筋計算比較容易，因對于空間小半徑曲線計算沒有詳細說明，所以計算起來較有難度，本文以工程實例為引，探討預應力混凝土彎橋空間預應力筋布設及伸長量的計算方法。

1 ?工程概況

某高速公路樞紐互通立交橋的匝道彎橋，橋梁起點樁號為HK0+089.37，終點樁號為HK0+675.37，橋梁全長586.00m。此橋梁共7聯，其中第7聯橋跨布設為：（3×20+19）m（圖1）。第7聯原設計、施工采用普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，后在箱梁內、外兩側腹板的外側加厚腹板，并在其內布設通長體內預應力筋（圖2、圖3）。設計給的預應力筋立面布置展開圖是位于路線中心線處，鋼束在縱向上非對稱布置，鋼束豎彎半徑為10m，平彎半徑為6m。張拉方式為雙端張拉。

此橋平面分別位于直線（起始樁號：HK0+076.33，終止樁號：HK0+319.22）、緩和曲線（起始樁號：HK0+319.22，終止樁號：HK0+389.22，參數A：64.807，右偏）、圓曲線（起始樁號：HK0+389.22，終止樁號：HK0+561.115，半徑：60.00m，右偏）和緩和曲線（起始樁號：HK0+561.115，終止樁號：HK0+704.421，參數A：107.277，右偏）上，墩臺徑向布置。

2 ?預應力筋布設、張拉特點

①設計圖給的預應力筋立面布置圖為路線中心線處，而實際鋼絞線位置在腹板兩側。

②預應力筋布置為空間曲線。整體平面曲線為緩和曲線，在張拉端部的局部為圓曲線，曲線半徑小。立面曲線為圓曲線，曲線半徑小。

③預應力筋在平曲線與豎曲線上均為非對稱布置，采用雙端張拉。

3 ?理論伸長量計算依據

依據《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTG/ TF50-2011）中伸長量計算公式為：

①預應力筋的理論伸長值ΔL（mm）可按下式計算：

②預應力筋平均張拉力按下式計算：

以上兩式中：AP——預應力筋的截面面積（mm2）; EP——預應力筋的彈性模量（N/mm2）;k——孔道每米局部偏差對摩擦的影響系數，參見附表G-1;μ——預應力筋與孔道壁的摩擦系數，參見附表G-1;L——預應力筋的長度（mm）;x——從張拉端至計算截面的孔道長度（m）;θ——從張拉端至計算截面曲線孔道部分切線的夾角之和（rad）;PP——預應力筋的平均張拉力（N），計算方法見附錄G-8;P——預應力筋張拉端的張拉力（N）。

4 ?計算存在的問題

上述公式（1）、（2）中，AP、EP、k、μ的值在設計文件或規(guī)范中已經給出。但x、θ、L的求解及最終理論伸長量的計算需要解決以下問題：①通過什么方法把線路中線處的鋼絞線立面布置圖還原在腹板兩側的實際位置并計算腹板處鋼絞線的曲線長？②通過什么方法計算從張拉端至計算截面曲線孔道部分切線的夾角之和θ？③通過什么方法找到非對稱布置鋼絞線雙端張拉的平衡點？

5 ?解決方法

5.1 投影法布設鋼絞線

通過投影法把位于路線中心處的鋼絞線立面布置展開圖轉換到設計的腹板位置，采用分段法計算空間曲線長。

投影法原理：為保證實際預應力效果與設計預應力效果相同，則必須使鋼絞線實際布設形狀與設計布設現狀相似。在實際投影轉換時，應選擇與立面曲線沒有重疊的平面曲線部分，如果是連續(xù)梁，則在每跨均設置一個調整段，調整段宜靠近跨中位置。為方便計算期間，每個調整段長度宜平均分配。箱梁外側腹板鋼絞線的長度增加，箱梁內側腹板鋼絞線的長度減小。

投影法實施流程：

①依據中心線處的鋼絞線布置圖，對其劃分段落、編號、列鋼絞線位置參數表，并計算曲線的平面投影總長。因為設計圖紙給的是展開圖，所以總長就是累加水平投影長度而得;

②計算設計位置處鋼絞線平面投影總長度。

特別說明：緩和曲線的平行線不再具備緩和曲線的性質。緩和曲線內、外側邊線長度的計算方法：

當邊線為外側（ρ'>ρ）時，取正號，當邊線為內側（ρ'<ρ）時，取負號。l為緩和曲線起點至緩和曲線某點p的長度。

式中，l'、l″——分別代表緩和曲線經偏移D距離后，形成的外側、內側邊線的曲線長度;l——代表緩和曲線上任意一點到起點的曲線長度;D——緩和曲線與邊線的偏移間距;R——圓曲線半徑;ls——緩和曲線總長。

設p1，p2為緩和曲線上任意兩點，離起點的曲線長度分別為l1，l2。則p1，p2兩點間相應的外、內側邊線長度分別為：

③利用①、②中投影總長計算平面投影長度總差值，此總差值除以連續(xù)梁的跨數就是每跨的調整值。以中心線的位置為準，在曲線的外側取正值，在曲線的內側取負值。

④按照①中原則對設計位置的鋼絞線的投影劃分段落、編號，選取每跨立面投影為平直線段的跨中位置為調整段進行調整。列出設計鋼絞線位置立面展開圖的參數表。

⑤依據④中的參數表繪制箱梁左、右側腹板的鋼絞線布置展開圖。到此為止路線中心處的鋼絞線布置圖轉換為設計位置處的鋼絞線布置圖，因為是展開圖，可以按照平面曲線順利計算鋼絞線長度，計算方法不再贅述。

特別說明：如果設計院給的不是鋼絞線的展開圖而是投影圖，則按照空間曲線弧長的曲線積分來計算：

其中：S——空間曲線的弧長;yx——平彎大樣上的曲線函數對x的導函數;zx——豎彎大樣上的曲線函數對x的導函數;S可利用數學軟件順利計算。

5.2 θ角計算方法

規(guī)范對θ定義為從張拉端至計算截面曲線孔道部分切線的夾角之和，但規(guī)范沒有進一步做詳細說明，容易形成誤導。特別是對于空間曲線，θ角具體指空間曲線的包角。對于包角計算分工程簡化計算和精確計算兩種方法。工程簡化計算是通過對模型進行若干簡化、近似得到的，并且有嚴格的限制條件，有些空間曲線是不能用工程簡化方法計算的。對于精確計算，在以前因計算手段限制，不僅需要更為專業(yè)的數學知識，而且工作量龐大，很少有人采用此方法進行工程計算，但精確計算沒有曲線形狀等的限制。兩種具體計算方法分述如下：

①在工程實際中，由于理論計算方法比較復雜，故采用近似計算法，包角的簡化計算可以采用“求和法”、“最大值法”、“綜合法”，基于前人的研究結果，認為采用“綜合法”比較好。以下給出三種方法的具體公式：

5.3 試探法尋找張拉平衡點

對預應力筋在雙端張拉的施工方法下，通過力學分析易知，在受張拉的預應力筋中存在一個張拉力左、右相等的截面，并且此截面處張拉力最小，此位置稱為張拉平衡點。對于在縱向非對稱布設的預應力筋采用雙端張拉的，其張拉平衡點必定不在其預應力筋的中點，應采用試探法尋找張拉平衡點。在計算時，假設為單端張拉，先假定從一側張拉進行計算，后假定從對應的另一側張拉進行計算，每次計算各區(qū)段的張拉力并在預應力圖中標出力值，尋找分別從兩側單端張拉計算時，同段張拉力差值的正、負變化區(qū)段，然后按照交點法求解此段張拉力相等的點，此點就是雙端張拉時的張拉平衡點。以此點為張拉的固定點，按照雙端張拉的模式計算預應力筋的伸長量。

6 ?結語

通過本文所述方法，順利解決了案例中，小半徑空間曲線非對稱布設預應力筋在施工中的投影布置問題及空間曲線包角、曲線長、平均張拉力、伸長量的精確計算問題。但是計算手段中還有一些不足，例如精確算法中是分段算出曲線的包角和長度的，這樣對于計算人員操作起來仍然比較麻煩，可以采用編輯系統(tǒng)程序的方法提高計算效率。

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