先張法預(yù)應(yīng)力U型梁施工關(guān)鍵技術(shù)研究

王曉磊

(中鐵三局集團(tuán)廣東建設(shè)工程有限公司，廣東 廣州 510630)

0 前 言

U形梁薄壁開口式結(jié)構(gòu)，具有降噪效果好、外形美觀、空間利用率高、造價低等特點，正在被廣泛采用[1-2]。我國的U形梁技術(shù)源自法國，2003年廣州地鐵2號線和2007年上海軌道交通8號線采用的都是法國技術(shù)，2009年南京地鐵2號線[3]首次使用了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化U形梁技術(shù)。除上述線路外，重慶軌道交通1號線[4]，江蘇城市軌道交通，上海軌道交通11號線[5]、11號迪士尼專線、16號線，東莞軌道交通，青島藍(lán)色硅谷交通配套工程[6]，南京至高淳城際快軌[7]，鄭機(jī)城際線路均采用了U形梁技術(shù)。U型梁的設(shè)計使用還處于發(fā)展階段，目前對于先張法施工U型梁的研究較少，尤其缺乏與實際工程相結(jié)合的理論成果，而本研究所依托工程中，先張法U型梁被大量應(yīng)用，因此，在工程基礎(chǔ)上對先張法U型梁進(jìn)行研究具有重要的意義。

1 工程概況

深圳市城市軌道交通6號線6102標(biāo)段位于廣東省深圳市光明新區(qū)和寶安區(qū)，從光明中心站出站沿光明大道至北段設(shè)荔林站預(yù)留接駁東莞R1線，再左拐進(jìn)入規(guī)劃的公園大道，上跨龍大高速公路及茅洲河進(jìn)入別墅大道，下穿紅花山公園及公明廣場拐向松白路，在合水口站之前出地面，過薯田埔站后拐入沙江路轉(zhuǎn)入地下，至終點松崗站與11號線換乘。全長14.166 km，高架區(qū)間長7.014 km。

所采用的U形梁長度多為25～35 m七種梁型，長度25～30 m的U形梁跨中高度1.9 m，梁端加厚段1 m范圍內(nèi)加高至2.02 m，梁頂寬5.42 m，內(nèi)寬4.02 m。斷面采用U形，曲線腹板，底板與腹板厚度均為280 mm，梁端加厚段底板厚400 mm。如圖1所示，先張法預(yù)應(yīng)力筋采用1×7-15.20 mm-1860 MPa高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，預(yù)應(yīng)力筋分別為84～100根，均分部在底板位置。

圖1 U型梁截面簡圖

2 先張法施工工藝

采用“單束初調(diào)、整體初拉、單束終拉”的張拉工藝，“雙控法”控制，即：“以應(yīng)力控制，伸長量校核”。

單束初調(diào)：鋼絞線通過錨具、連接器連接成一根受力桿件，根據(jù)預(yù)應(yīng)力計算書計算出預(yù)應(yīng)力終張拉力，再用小千斤頂多次、反復(fù)調(diào)整張拉到終張拉力的20%。

整體初拉：張拉設(shè)備確認(rèn)無誤后，在張拉端再進(jìn)行80%終張拉應(yīng)力整體張拉，持續(xù)保壓進(jìn)行張拉，最后用小千斤頂多次、反復(fù)調(diào)整至既定預(yù)應(yīng)力。

單束終拉：安裝預(yù)埋件及內(nèi)模后，在固定端單束張拉至100%設(shè)計應(yīng)力，持荷3 min，實測伸長值，以減少鋼絲錨固后的應(yīng)力損失。補(bǔ)足或放松預(yù)應(yīng)力筋的拉力至控制應(yīng)力。張拉滿足要求后，錨固預(yù)應(yīng)力筋，千斤頂回油至零。

放張：先將底模上固定預(yù)埋件用的螺栓卸掉，為避免在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生瞬間荷載，鋼絞線放張連貫、均勻進(jìn)行。單端采用分級放張：10%→10%→20%→20%→20%→20%。

3 張拉系統(tǒng)設(shè)計

3.1 制梁臺座

采用整體式制梁臺座進(jìn)行“長線法”施工，按“一串二”方式進(jìn)行設(shè)計，采用一個先張臺座串二片梁一起張拉的施工方法。根據(jù)地質(zhì)條件不同、地基處承載力不同，分別設(shè)計了樁承式整體制梁臺座與壓柱式整體制梁臺座。

樁承式整體制梁臺座基礎(chǔ)為直徑為120 cm鉆孔灌注樁，樁身采用C30混凝土，傳力墩、臺身采用C50混凝土，底模平臺采用C40混凝土，臺身下設(shè)C15混凝土墊層厚10 cm?？紤]30 m U梁重為220 t，在預(yù)制階段臺座承受的鋼模重量即端模、底模及側(cè)模施加在臺座的重量約49 t?？紤]梁重、鋼模重及所有施工荷載，臺座設(shè)計承載力按312 t計算。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，基礎(chǔ)設(shè)計樁長均為15 m，基礎(chǔ)橫向布置三排，間距3 m，縱向樁基間距不大于8 m。制梁臺座剖面圖見圖2。

圖2 樁承式制梁臺座剖面圖

壓柱式整體制梁臺座全長85 m，寬8 m，按25-30 mU形梁長度設(shè)計。臺座基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，采用C50混凝土，臺座張拉端頭擴(kuò)大基礎(chǔ)增加70 cm厚配重基礎(chǔ)，配重基礎(chǔ)澆筑C25混凝土；傳力墩、壓柱與臺座基礎(chǔ)整體澆筑，采用C50混凝土；底模平臺采用C40混凝土，臺身下設(shè)C15混凝土墊層厚10 cm?？紤]30 mU梁重為220 t，在預(yù)制階段臺座承受的鋼模重量即端模、底模及側(cè)模施加在臺座的重量約49 t?？紤]梁重、鋼模重及所有施工荷載，臺座設(shè)計承載力按312 t計算。臺身端頭加厚段高230 cm，標(biāo)準(zhǔn)段高100 cm。制梁臺座剖面圖見圖3。

圖3 壓柱式制梁臺座剖面圖

3.2 先張臺座

采用張拉橫梁、智能張拉系統(tǒng)，確保預(yù)應(yīng)力筋的同步張拉，結(jié)合放張后U型梁上拱值調(diào)整超張拉系數(shù)，有效控制了單根預(yù)應(yīng)力筋的張拉力值。U形梁先張臺座設(shè)計如圖4所示。

圖4 先張臺座設(shè)計圖

鋼絞線通過工具錨錨固在活動張拉橫梁上，采用同步張拉液壓系統(tǒng)帶動4臺張拉千斤頂拉動活動張拉梁，達(dá)到張拉力后緊鎖拉缸螺母，然后澆筑混凝土，待強(qiáng)度達(dá)到后通過泵站對千斤頂進(jìn)行同步放張。

4 結(jié)構(gòu)分析計算

4.1 結(jié)構(gòu)荷載

1)恒載。結(jié)構(gòu)自重：主梁采用C55混凝土，容重取26 kN/m3；二期恒載：包括軌道結(jié)構(gòu)(含鋼軌和承軌臺)、吸聲板及強(qiáng)及弱點支架、聲屏障、橋面鋪裝層，合計恒載集度為48.8 kN/m；預(yù)加力：采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線Φs15.2的預(yù)應(yīng)力鋼絞線[8]，先張法計算；混凝土收縮徐變：按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[9]計算。

2)活載。列車豎向動力作用：

(1)

取a=2，L為橋梁跨度，程序自動計算。

離心力：

F=V2N/(127R)

(2)

式中，V為設(shè)計最高列車速度；N為列車豎向靜活載；R為曲線半徑。通過計算，離心力為196 kN。

列車橫向搖擺力：按相鄰兩節(jié)車四個軸軸重的15%計算。

3)附加力。制動力或牽引力：按列車豎向靜活載的15%計算，當(dāng)與離心力同時計算時，可按豎向靜活載的10%計算；溫度荷載：對于簡支梁，整體升降溫不產(chǎn)生力的效應(yīng)；梯度溫度按圖5模式計算。

圖5 梯度溫度計算模式

風(fēng)荷載：橋上有車和橋上無車兩種情況[10]，有車時取1 469 Pa，無車時取1 175.2 Pa。

4.2 U型梁有限元模型及參數(shù)

U型梁有限元模型如圖6所示。

圖6 U型梁有限元模型

以30 m U形梁為研究對象，橋梁長29.9 m，計算跨度為29.0 m，采用Midas Civil進(jìn)行建模計算分析，全橋主梁共33個節(jié)點，32個單元。

主要材料參數(shù)見表1。

表1 混凝土材料參數(shù)[8]

主梁縱向預(yù)應(yīng)力采用公稱直徑15.2 mm鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 860 MPa，彈性模量為195 000 MPa。鋼束張拉控制應(yīng)力按1 230 MPa計算。

4.3 計算結(jié)果分析

1)主截面及斜截面強(qiáng)度。如表2所示，主梁正截面及斜截面的強(qiáng)度安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表2 主截面及斜截面強(qiáng)度計算結(jié)果

2)運(yùn)營荷載下正應(yīng)力見表3。

表3 主梁正應(yīng)力計算結(jié)果 單位：MPa

由表3可知，主力組合作用下，主梁上緣最大壓應(yīng)力為14.52 MPa，除支座至梁端處為0.39 MPa拉應(yīng)力外，均滿足要求；主梁下緣最大壓應(yīng)力為7.27 MPa，最小壓應(yīng)力為1.46 MPa，滿足要求。主加附組合作用下，主梁上緣最大壓應(yīng)力為14.52 MPa，梁端1.8 m范圍內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，越靠近梁端拉應(yīng)力越大，最大拉應(yīng)力為1.77 MPa<0.7ft=2.31 MPa，所以梁端上翼緣的普通鋼筋需加強(qiáng)；主梁下緣最大壓應(yīng)力為8.77 MPa，最小壓應(yīng)力為1.46 MPa，滿足要求。

3)預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的最大應(yīng)力為1 114.5 MPa小于1 116 MPa，滿足要求。

4)最大剪應(yīng)力。主力作用下主梁最大剪應(yīng)力為2.65 MPa，主加附作用下主梁最大剪應(yīng)力為2.69 MPa，均小于6.29 MPa，滿足要求。

5)殘余徐變變形、撓度及梁端轉(zhuǎn)角見表4。

表4 殘余變形、撓度及梁端轉(zhuǎn)角計算結(jié)果

由表4可知，U型梁結(jié)構(gòu)的殘余徐變變形、撓度以及梁端轉(zhuǎn)角均滿足要求。

5 結(jié)論及建議

以深圳市城市軌道交通6號線高架段U形梁實體項目為依托，研究了先張法U形梁規(guī)?；a(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)，形成了“單束初調(diào)、整體初拉、單束終拉”的施工工藝，主要結(jié)論及建議如下。

1)先張法預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量大，單根預(yù)應(yīng)力筋張拉力值控制困難，采用智能張拉系統(tǒng)及張拉橫梁同步張拉，結(jié)合放張后U形梁上拱值調(diào)整超張拉系數(shù)，能夠有效控制單根預(yù)應(yīng)力筋的張拉力值。

2)結(jié)構(gòu)的受壓穩(wěn)定性以及強(qiáng)度和變形都能滿足要求，所設(shè)計的U型梁結(jié)構(gòu)安全合理。

3)梁端1.8 m范圍內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，越靠近梁端拉應(yīng)力越大，最大拉應(yīng)力為1.77 MPa，所以梁端上翼緣的普通鋼筋需加強(qiáng)。

4)整體壓柱式制梁臺座的應(yīng)用，克服了不同跨度梁型長度調(diào)整的問題，實現(xiàn)了張拉系統(tǒng)在臺座外張拉作業(yè)。

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