預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁頂推施工控制技術(shù)研究

張永剛

(中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000)

頂推法的概念由德國學(xué)者包爾和弗.雷昂博士等提出，該構(gòu)想可用于連續(xù)梁施工[1]。自此以后，頂推法被各國接受并逐漸推廣使用。我國頂推技術(shù)起步較晚，1977年，在修建西延線時，首次使用頂推法用于橋梁施工，其橋式為4×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。張培炎等通過分析和計算，得到頂推施工導(dǎo)梁的合理設(shè)計參數(shù)并對導(dǎo)梁的變形提出控制原則，為頂推施工提供參考[2]。研究表明，在跨越山谷、河流和不可拆卸建筑物的橋梁施工中，頂推法可以避免支架架設(shè)帶來的困難。全國各地相繼采用該方法建成了一些頗具特色的橋梁。

以下擬通過優(yōu)化預(yù)應(yīng)力張拉方案和混凝土施工工藝來解決如下問題：

(1)借助Midas civil有限元分析軟件對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁每個頂推施工工況的混凝土結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行模擬分析。

(2)通過對預(yù)應(yīng)力筋張拉方案進(jìn)行優(yōu)化，確保每個頂推工況的混凝土箱梁受力滿足規(guī)范要求的控制指標(biāo)。

(3)對仿真分析結(jié)果和實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，確保仿真分析的可靠性和預(yù)應(yīng)力張拉方案的合理性。

(4)通過對頂推法施工混凝土連續(xù)箱梁預(yù)應(yīng)力張拉的技術(shù)研究和特殊部位混凝土的施工經(jīng)驗總結(jié)，為類似工程施工提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。

1 有限元模型建立

1.1 模型假設(shè)

忽略早齡期混凝土泊松比的時變特性，假設(shè)混凝土塊體為各向同性的彈性徐變體，采用疊加原理計算其應(yīng)力應(yīng)變。

1.2 荷載條件

在預(yù)制施工階段，混凝土連續(xù)箱梁主要的荷載有自重荷載、溫度荷載、混凝土收縮徐變和預(yù)應(yīng)力鋼束荷載，將不同的荷載形式分別施加在所建連續(xù)箱梁有限元模型上。

1.3 材料力學(xué)參數(shù)

混凝土彈性模量隨齡期變化規(guī)律有指數(shù)式、修正指數(shù)式、復(fù)合指數(shù)式、雙曲線式、對數(shù)公式和插值公式等[4]。該模型中，采用與試驗資料符合程度較好的復(fù)合指數(shù)式進(jìn)行計算。模型其它材料參數(shù)如表1所示。

表1 有限元計算材料參數(shù)

根據(jù)實際工況，連續(xù)箱梁預(yù)制澆筑階段采用面支撐。在頂推施工過程中，根據(jù)不同階段，采用不同數(shù)量的活動鉸支座和固定鉸支座進(jìn)行模擬[5]。其它未添加支承的面或者點為自由。建立的連續(xù)箱梁模型如圖1所示。

圖1 Midas Civil中連續(xù)箱梁計算模型

2 預(yù)應(yīng)力張拉方案對比分析

2.1 全部預(yù)應(yīng)力張拉方案分析

梁體為單箱單室、等高度、變截面箱梁，全長96.0 m，高4.0 m。按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線為1×7-15.2-1860—GB/T5224，錨固體系為自錨式拉絲，錨具為M15-17型，采用φ90 mm塑料波紋管成孔[6]。N1和N2為頂、底板通長束，N3～N6為腹板通長束，N7為頂板短束。箱梁腹板及橫隔板豎向預(yù)應(yīng)力規(guī)格為φ25 mm精扎螺紋鋼，波紋管外徑D=60 mm。

本橋鋼束布置如圖2及圖3所示。

預(yù)應(yīng)力計算相關(guān)參數(shù)：預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間的摩擦系數(shù)μ=0.15；管道位置的偏差系數(shù)k=0.001 5；ΔL=6 mm，鋼鉸線松弛系數(shù)為0.025?？v向預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨下控制應(yīng)力(不包括錨圈口之間及錨下墊板喇叭處摩阻損失)為σcon=0.75fpk=1 302 MPa。

圖2 鋼束布置縱向示意(單位：cm)

圖3 鋼束布置斷面示意(單位：cm)

梁端起始點距L1為12 m，以兩個頂推步距(90 cm)走行的主梁受力狀態(tài)為一個施工階段[7]，行程為78.3 m，共劃分87個施工階段。頂推示意如圖4所示。

圖4 頂推示意—L1支墩反力最大(單位：m)

在頂推施工過程中，鋼導(dǎo)梁最大拉、壓應(yīng)力及最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在導(dǎo)梁根部，其中最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)梁上緣(200.8 MPa)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)梁下緣(209.9 MPa)，導(dǎo)梁根部最大剪應(yīng)力為38.4 MPa[8]。對于箱梁，由于拉、壓應(yīng)力的交替出現(xiàn)，出現(xiàn)在上緣的最大拉應(yīng)力為2.15 MPa，最大壓應(yīng)力為13.0 MPa；出現(xiàn)在下緣的最大拉應(yīng)力為2.76 MPa，最大壓應(yīng)力為23.9 MPa。

通過對全部預(yù)應(yīng)力張拉方案的研究，發(fā)現(xiàn)該方案導(dǎo)梁的最大壓應(yīng)力已超過規(guī)范允許值，且箱梁在頂推過程中上緣拉應(yīng)力較大，易產(chǎn)生裂縫，故排除該方案[9]。

2.2 部分預(yù)應(yīng)力張拉方案分析

全部張拉方案導(dǎo)致梁下緣拉應(yīng)力減小，梁上緣拉應(yīng)力增大[10]。為此，可采用頂推前只張拉部分預(yù)應(yīng)力，來達(dá)到箱梁上下緣拉應(yīng)力均衡的目的。

(1)預(yù)應(yīng)力張拉過程

連續(xù)箱梁預(yù)制完成后，各梁段鋼束張拉需在該梁段混凝土達(dá)到設(shè)計強度的90%并達(dá)到相應(yīng)的彈性模量且不少于20 d的齡期后方可進(jìn)行張拉。頂推前，張拉全部頂板束N2及短束N7，腹板張拉N5、N6束，底板張拉最外側(cè)的4束N1，其余鋼束待頂推到位后進(jìn)行張拉[10]。

張拉順序為先張拉底板束，再張拉頂板束，最后張拉腹板束。為了使梁體受力均勻，張拉時采用左右對稱、先內(nèi)側(cè)后外側(cè)、由下至上的順序，頂推施工前張拉鋼束的位置如圖5所示。

圖5 頂推前張拉鋼束位置(單位：cm)

預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間的摩擦系數(shù)μ=0.15；管道位置的偏差系數(shù)k=0.001 5；ΔL=6 mm，鋼鉸線松弛系數(shù)為0.025。

縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨下控制應(yīng)力(不包括錨圈口之間及錨下墊板喇叭處摩阻損失)為

σcon=0.75fpk=1 302 MPa

內(nèi)埋測點：三個截面距梁尾距離分別為46.6 m，76.6 m，95.6 m，每個截面設(shè)4個測點，編號分別為S1～S4，S5～S8，S9～S10，共計10個測點，如圖6所示。

圖6 預(yù)應(yīng)力張拉階段應(yīng)力內(nèi)埋點布置示意(單位：cm)

外貼測點：四個截面距梁尾距離分別為36.2 m，46.6 m，76.6 m，93.1 m，A、B、C截面各8個測點，D截面4個測點，如圖7所示。

圖7 預(yù)應(yīng)力張拉階段應(yīng)力外貼點布置示意(單位：cm)

根據(jù)關(guān)鍵監(jiān)測截面實測數(shù)據(jù)提取位置，確定Midas橋梁模型仿真分析的結(jié)果數(shù)據(jù)提取位置，并對提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析[11]，如表2所示。

將關(guān)鍵截面所測得的實際數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，如表3所示。

表2 關(guān)鍵監(jiān)測截面預(yù)應(yīng)力張拉數(shù)值分析應(yīng)力響應(yīng) MPa

表3 關(guān)鍵監(jiān)測截面預(yù)應(yīng)力張拉實測應(yīng)力響應(yīng) MPa

在預(yù)應(yīng)力張拉過程中，關(guān)鍵截面(A、C、D)上下緣實測應(yīng)力響應(yīng)與數(shù)值仿真分析計算結(jié)果基本一致，數(shù)值基本吻合，截面軸向壓應(yīng)力數(shù)值較為接近，預(yù)應(yīng)力張拉效果總體滿足設(shè)計要求(如圖8所示)[12]。

圖8 關(guān)鍵監(jiān)測截面實測及理論應(yīng)力響應(yīng)

在預(yù)應(yīng)力張拉過程中，靠近墩頂(B、N9/10)實測截面上下緣應(yīng)力較理論計算存在一定偏差，推斷與墩頂設(shè)置了橫隔板以及測量過程中的溫度變化有關(guān)。

(2)頂推施工受力分析

梁端起始點距L1為12 m，以兩個頂推步距(90 cm)走行的主梁受力狀態(tài)為一個施工階段，行程為78.3 m，共劃分為87個施工階段，如圖4所示。在頂推施工過程中，鋼導(dǎo)梁的最大拉、壓應(yīng)力及最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在導(dǎo)梁根部，其中最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)梁上緣(為149.0 MPa)，相較于全部張拉減少25.80%[13]；最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)梁下緣(為155.8 MPa)，相較于全部張拉減少25.77%；導(dǎo)梁根部最大剪應(yīng)力為34.3 MPa，相較于全部張拉減少10.68%。在頂推施工過程中，由于拉壓應(yīng)力的交替出現(xiàn)，出現(xiàn)在箱梁上緣的最大拉應(yīng)力為1.02 MPa，相較于全部張拉減少52.56%；出現(xiàn)在箱梁上緣的最大壓應(yīng)力為9.67 MPa，相較于全部張拉減少25.62%；出現(xiàn)在箱梁下緣的最大拉應(yīng)力2.17 MPa，相較于全部張拉減少21.38%；出現(xiàn)在箱梁下緣的最大壓應(yīng)力為16.8 MPa，相較于全部張拉減少29.71%。

根據(jù)對部分預(yù)應(yīng)力張拉方案的計算結(jié)果，箱梁及導(dǎo)梁的拉、壓應(yīng)力均變小。因此，采用如下方案：頂推前張拉全部頂板束N2及短束N7，腹板張拉N5、N6束，底板張拉最外側(cè)的4束N1，其余鋼束待頂推到位后進(jìn)行張拉。

3 混凝土質(zhì)量的改善措施

梁體與導(dǎo)梁連接部位為頂推梁施工澆筑的重點部位，該部位鋼筋密集，導(dǎo)梁上下腹板在梁體內(nèi)形成空腔，梁體預(yù)應(yīng)力和導(dǎo)梁預(yù)應(yīng)力體系及梁底支座、防落梁預(yù)埋復(fù)雜[14]。而頂推過程中梁體應(yīng)力及導(dǎo)梁連接應(yīng)力集中于此處。在導(dǎo)梁預(yù)埋區(qū)及支座網(wǎng)片鋼筋密集區(qū)域布設(shè)14個串筒，確保支座網(wǎng)片區(qū)、導(dǎo)梁空腔區(qū)混凝土布料均勻充盈。串筒采用φ200 mm的PVC材料制作，底口與底板頂面平齊。與預(yù)應(yīng)力管道沖突時，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整串筒位置[15]?；炷翝仓?yīng)分段分層進(jìn)行。澆筑過程中，串筒隨混凝土頂面高度上升而逐步提升，需保持串筒底部距離混凝土頂面約1.5 m，混凝土自由下落高度不大于2.0 m。

在支座上部鋼筋密集區(qū)及導(dǎo)梁預(yù)埋區(qū)正上方頂板位置，預(yù)設(shè)通長振搗通道(采用內(nèi)徑70 mm，壁厚3 mm的鋼管，1 m短管內(nèi)嵌式接頭)。利用“井”字鋼筋限位，頂部采用自制鎖扣固定。單腹板區(qū)域布設(shè)12個通道，共計布設(shè)24個，其中14個布料串筒兼振搗通道功能，如圖9所示。

圖9 導(dǎo)梁預(yù)埋段澆筑串筒布置(單位：cm)

4 結(jié)論

(1)借助Midas Civil建模軟件建立兩種不同預(yù)應(yīng)力張拉工況，并對其進(jìn)行受力分析。結(jié)果表明，對主梁及導(dǎo)梁，部分張拉較全部張拉的拉、壓應(yīng)力均變小。

(2)對比仿真分析結(jié)果和連續(xù)箱梁頂推過程中的實測數(shù)據(jù)，仿真分析的結(jié)果具有很高的可靠性，故預(yù)應(yīng)力張拉方案的調(diào)整最終選用部分張拉方案。

(3)預(yù)應(yīng)力部分張拉方案解決了頂推過程中箱梁頂板上沿拉應(yīng)力超限、預(yù)應(yīng)力處理不當(dāng)導(dǎo)致的梁體裂縫問題。

(4)總結(jié)了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁施工工藝，對導(dǎo)梁與混凝土結(jié)合部位，增加了布料孔和振搗孔，采用定制鋼底模、設(shè)置沉降差等措施控制混凝土質(zhì)量。