預(yù)應(yīng)力張拉作用下自行式臺(tái)座受力性能分析研究

許 晟

（福建省高速公路集團(tuán)有限公司，福州 350001）

自行式臺(tái)座工廠化流水線(xiàn)作業(yè)是近年來(lái)新研發(fā)的一項(xiàng)梁片預(yù)制新技術(shù)，該技術(shù)采用了“施工工序區(qū)域固定、流水線(xiàn)作業(yè)”的預(yù)制新模式：通過(guò)自行式臺(tái)座將鋼筋骨架制作胎膜區(qū)、制梁區(qū)、蒸汽養(yǎng)護(hù)區(qū)、預(yù)應(yīng)力張拉區(qū)和存梁區(qū)有機(jī)串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)工廠化流水線(xiàn)作業(yè)的橋梁預(yù)制施工[1]，從而節(jié)約大量預(yù)制場(chǎng)地，并大幅縮短制梁周期。 自行式臺(tái)座作為該技術(shù)中最重要的設(shè)施， 承擔(dān)著預(yù)制梁片的混凝土澆筑、養(yǎng)生、張拉等重要工序，尤其是在預(yù)應(yīng)力張拉作用下自行式臺(tái)座的受力較為復(fù)雜。

1 工程概況

某國(guó)家高速公路項(xiàng)目采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁為單箱單室截面，跨徑30 m，頂板寬2.4 m， 底板寬1 m， 箱梁高1.6 m。 預(yù)應(yīng)力鋼束的N1、N2、N3 起彎點(diǎn)距跨中分別為0.885 m、2.507 m、4.129 m，起彎半徑均為45 m，偏轉(zhuǎn)角度為5°；N4 起彎點(diǎn)距跨中為12.901 m，起彎半徑為30 m，偏轉(zhuǎn)角度為1.4°。 箱梁預(yù)制采用自行式臺(tái)座工廠化流水線(xiàn)作業(yè)，施工工序流程為：自行式臺(tái)座移至胎膜區(qū)，箱梁鋼筋骨架吊至臺(tái)座上，安裝外模和內(nèi)模，再吊裝成型的頂板鋼筋； 待驗(yàn)收合格后自行式臺(tái)座移至制梁區(qū)澆筑混凝土；達(dá)到拆模條件，拆除內(nèi)模和外模； 自行式臺(tái)座將梁體移至養(yǎng)護(hù)區(qū)進(jìn)行蒸汽養(yǎng)生；當(dāng)梁體達(dá)到張拉條件，移至預(yù)應(yīng)力智能張拉區(qū)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉； 待外觀檢測(cè)合格后將梁體吊運(yùn)至存梁區(qū)， 同時(shí)將自行式臺(tái)座移至下一條生產(chǎn)線(xiàn)投入生產(chǎn)[1]。

2 自行式臺(tái)座的結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 自行式臺(tái)座構(gòu)造

自行式臺(tái)座全長(zhǎng)32 m，寬1.652 m，所選用的材料主要有0.8 cm 厚頂面鋼板、6.3 槽鋼、25b 工字鋼、0.8 cm 厚底面鋼板、20a 工字鋼、40a 槽鋼、40b工字鋼等，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖1 所示。 自行式臺(tái)座采用電纜卷筒和地面操縱加遙控操縱的方式運(yùn)行，運(yùn)行速度5 m/min，配備8 個(gè)功率2.2 kW 的電動(dòng)機(jī)，9組車(chē)輪（4 組主動(dòng)，5 組被動(dòng)）。

2.2 桿系有限元模型

采用橋梁專(zhuān)業(yè)軟件MIDAS/Civil 進(jìn)行分析計(jì)算， 空間計(jì)算模型見(jiàn)圖2， 自行式臺(tái)座及箱梁共1264 個(gè)節(jié)點(diǎn)，1434 個(gè)梁?jiǎn)卧?82 個(gè)板單元。該模型比較真實(shí)地模擬了箱梁的各截面形及自行式臺(tái)座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)造，如箱梁的橫隔板，自行式臺(tái)座的頂面鋼板、6.3 槽鋼、25b 工字鋼、20a 工字鋼、40a 槽鋼、40b 工字鋼等。

邊界條件模擬時(shí)， 箱梁與自行式臺(tái)座之間采用彈性連接的僅受壓模擬，6.3 槽鋼與25b 工字鋼、25b 工字鋼與20a 工字鋼或40a 槽鋼之間采用彈性連接的剛性連接模擬，自行式臺(tái)座車(chē)輪與自行式臺(tái)座間采用彈性連接的剛性連接模擬，車(chē)輪底部采用一般支承固結(jié)。 有限元模型中相對(duì)應(yīng)的邊界模擬如圖3 所示。

預(yù)制混凝土箱梁及自行式臺(tái)座設(shè)計(jì)中主要材料的應(yīng)用有C50 混凝土、Q235 鋼材及高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，混凝土、鋼材和預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)的彈性模量、設(shè)計(jì)抗壓（拉）強(qiáng)度等基本參數(shù)均按規(guī)范取值，具體如表1～3 所示。

圖1 自行式臺(tái)座結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖

圖2 有限元計(jì)算模型

圖3 邊界條件的模擬

2.3 箱梁預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中自行式臺(tái)座各構(gòu)件關(guān)鍵部位的受力分析

根據(jù)預(yù)制混凝土箱梁的結(jié)構(gòu)受力分析，可得出在預(yù)應(yīng)力張拉階段箱梁會(huì)出現(xiàn)反拱現(xiàn)象，使得箱梁跨中附近一定區(qū)域箱梁與自行式臺(tái)座脫開(kāi)，從而箱梁自重荷載會(huì)向梁端部分布，在箱梁端部相對(duì)應(yīng)的自行式臺(tái)座區(qū)域?qū)⒊惺芨蟮呢Q向荷載，這對(duì)于自行式臺(tái)座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受力更為不利，現(xiàn)根據(jù)相關(guān)資料及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)， 取左右兩側(cè)距梁端2.6 m 內(nèi)自行式臺(tái)座承受的箱梁自重對(duì)自行式臺(tái)座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，其受荷載布置及對(duì)應(yīng)應(yīng)力示意圖如圖4 所示。

表1 混凝土的強(qiáng)度與容許應(yīng)力 （單位：MPa）

表2 鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 （單位：MPa）

表3 預(yù)應(yīng)力鋼材的強(qiáng)度與容許應(yīng)力 （單位：MPa）

圖4 自行式臺(tái)座受力圖

通過(guò)有限元分析計(jì)算得到自行式臺(tái)座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件最大的應(yīng)力值及出現(xiàn)位置見(jiàn)表4。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)簡(jiǎn)介

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的主要任務(wù)是在對(duì)完成養(yǎng)護(hù)后放置在自行式臺(tái)座上的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中自行式臺(tái)座系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力及箱梁反拱的試驗(yàn)測(cè)試。 現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)在自行式臺(tái)座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受力最不利的構(gòu)件表面布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)和在臺(tái)座與箱梁之間布置位移測(cè)點(diǎn)，從而來(lái)監(jiān)測(cè)張拉過(guò)程中臺(tái)座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)薄弱受力點(diǎn)所受應(yīng)力情況，以及箱梁跨中的起拱度和起拱后臺(tái)座受力面積。 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中采用智能張拉設(shè)備對(duì)箱梁兩端鋼束進(jìn)行同時(shí)張拉，其箱梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束布置如圖5 所示，張拉順序分別為N1、N3、N2、N4。

表4 自行式臺(tái)座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最不利應(yīng)力分布

圖5 預(yù)制箱梁鋼束構(gòu)造圖圖

3.2 測(cè)點(diǎn)布置及儀器設(shè)備

由于箱梁放置在自行式臺(tái)座上位置與設(shè)計(jì)圖紙不完全一致，導(dǎo)致理論計(jì)算與實(shí)際箱梁受力點(diǎn)存在細(xì)微偏差，并且箱梁端部底下預(yù)留吊裝孔，將所受最大應(yīng)力處6.3 槽鋼割斷， 所以現(xiàn)場(chǎng)自行式臺(tái)座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)位置存在細(xì)微調(diào)整，也會(huì)使得槽鋼測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與理論計(jì)算值存在偏差。 采用ZX-212CT 表面應(yīng)變計(jì)進(jìn)行鋼構(gòu)件應(yīng)力測(cè)試， 選擇量程為3 cm 的百分表對(duì)撓度及位移進(jìn)行測(cè)量。 實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)自行式臺(tái)座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)布置如圖6 所示；箱梁預(yù)應(yīng)力張拉起拱度、箱梁縱向位移及自行式臺(tái)座縱向位移測(cè)試點(diǎn)布置如圖7 所示，其中對(duì)箱梁預(yù)應(yīng)力張拉起拱位移監(jiān)測(cè)的百分表，間隔距離為1.5 m。

圖7 預(yù)應(yīng)力張拉階段自行式臺(tái)座與箱梁間相對(duì)位移測(cè)試點(diǎn)布置

實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中主要任務(wù)是按照測(cè)點(diǎn)布置方案對(duì)ZX-212CT 表面應(yīng)變計(jì)、百分表、壓力傳感器進(jìn)行安裝固定、調(diào)試，然后在試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)張拉順序分別對(duì)應(yīng)變計(jì)、百分表，以及壓力傳感器進(jìn)行讀數(shù)記錄，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)直接計(jì)算出所測(cè)構(gòu)件的應(yīng)力、位移和壓力。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析與比較

在箱梁預(yù)應(yīng)力張拉階段，據(jù)其張拉順序測(cè)得相應(yīng)自行式臺(tái)座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力見(jiàn)表5， 箱梁預(yù)應(yīng)力張拉起拱度、箱梁縱向位移及自行式臺(tái)座縱向位移見(jiàn)表6，千斤頂所受豎向壓力見(jiàn)表7。

表5 自行式臺(tái)座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力 （單位：MPa）

（1）應(yīng)力分析

由表5 中數(shù)據(jù)可得出，在箱梁自重均布荷載和預(yù)應(yīng)力荷載作用下， 箱梁端部6.3 槽鋼的應(yīng)力達(dá)到55.5 MPa，20a 工字鋼的應(yīng)力為118.6 MPa； 在增加2 對(duì)千斤頂后，40b 工字鋼應(yīng)力為122.8 MPa。

值得一提的是， 箱梁端部底下預(yù)留吊裝孔，將所受最大應(yīng)力處6.3 槽鋼割斷， 故本次槽鋼所測(cè)應(yīng)力并不是實(shí)際受力下的最大值。

（2）位移分析

通過(guò)表6 中自行式臺(tái)座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及箱梁位移監(jiān)測(cè)的1-10 號(hào)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可得出，在預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中，箱梁起拱區(qū)域大致為跨中18 m 范圍，兩端各有6 m 左右仍與臺(tái)座接觸， 跨中最大起拱度為4.44 mm；在箱梁端部，自行式臺(tái)座的槽鋼下?lián)戏冗_(dá)到0.66 mm （通過(guò)有限元計(jì)算得到等效應(yīng)力為66.1 MPa），表明槽鋼受力較為不利；由表6 中11、12 號(hào)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可知， 自行式臺(tái)座縱向位移約為-18.88 mm， 其原因可能為自行式臺(tái)座之間存在著間隙（由3 個(gè)分離式臺(tái)座用栓銷(xiāo)拼接而成），也可能為自行式臺(tái)座隨著箱梁出現(xiàn)上拱現(xiàn)象；由13 號(hào)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可知張拉使得箱梁自身縱向位移大于0.84 mm。

（3）千斤頂反力分析

通過(guò)表7 中對(duì)千斤頂豎向壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可得，箱梁預(yù)應(yīng)力張拉完成后千斤頂所受到的最大豎向力達(dá)到9.74 t。

表6 自行式臺(tái)座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及箱梁位移監(jiān)測(cè)數(shù)值

表7 千斤頂豎向壓力監(jiān)測(cè)數(shù)值

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）應(yīng)力測(cè)試：通過(guò)有限元計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出，在箱梁自重均布荷載和預(yù)應(yīng)力荷載作用下，箱梁端部6.3 槽鋼的應(yīng)力達(dá)到55.5 MPa，20a 工字鋼的應(yīng)力為118.6 MPa； 在增加2 對(duì)千斤頂后，40b 工字鋼應(yīng)力為122.8 MPa。

由于箱梁端部底下預(yù)留吊裝孔，將所受最大應(yīng)力處6.3 槽鋼割斷， 故本次槽鋼所測(cè)應(yīng)力并不是實(shí)際受力下的最大值。

（2）位移測(cè)試：預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中，箱梁起拱區(qū)域大致為跨中18 m 范圍， 兩端各有6 m 左右仍與臺(tái)座接觸， 跨中最大起拱度為4.44 mm； 在箱梁端部，自行式臺(tái)座的槽鋼下?lián)戏冗_(dá)到0.66 mm（通過(guò)有限元計(jì)算得到等效應(yīng)力為66.1 MPa）， 表明槽鋼受力較為不利；自行式臺(tái)座縱向位移為-18.88 mm，可能為自行式臺(tái)座之間存在著間隙（由3 個(gè)分離式臺(tái)座用栓銷(xiāo)拼接而成），也可能為自行式臺(tái)座隨著箱梁出現(xiàn)上拱現(xiàn)象；箱梁自身縱向位移大于0.84 mm。

（3）千斤頂反力測(cè)試：千斤頂所受到的最大豎向力達(dá)到9.74 t。

4.2 建議

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及上述存在情況提出以下建議：

（1）張拉階段應(yīng)在自行臺(tái)座左右端部分別增加1 對(duì)千斤頂輔助40b 工字鋼共同受力， 或增加1 組輪軸，其布置如圖8 所示。

(2) 箱梁端部6.3 槽鋼受力較大， 建議增大頂面槽鋼截面尺寸或者在端部一定范圍內(nèi)增設(shè)25b工字鋼（該范圍為箱梁與臺(tái)座的接觸范圍），其布置如圖9 所示。

（3）20a 工字鋼局部受力較大，主要是由于承擔(dān)了上方25b 工字鋼傳遞不均布荷載，建議在自行式臺(tái)座端部一定范圍內(nèi)將橫向布置的25b 工字鋼的長(zhǎng)度增加至與20a 工字鋼同長(zhǎng)（該范圍為箱梁與臺(tái)座的接觸范圍），其布置形式如圖10 所示。

圖8 增設(shè)鋼輪或千斤頂布置圖

圖9 增設(shè)25b 工字鋼布置圖

圖10 增長(zhǎng)布置25b 工字鋼示意圖