蓋梁預應力工程施工過程優(yōu)化研究

2016-11-18 02:28:01牛萬芬

城市道橋與防洪 2016年7期

關鍵詞：混凝土

王瓊，牛萬芬

（1.中交第二公路勘察設計研究院市政工程設計院，湖北　武漢 430050；2.重慶交通大學，重慶市　400074）

蓋梁預應力工程施工過程優(yōu)化研究

王瓊1，牛萬芬2

（1.中交第二公路勘察設計研究院市政工程設計院，湖北武漢 430050；2.重慶交通大學，重慶市400074）

通過Midas-FEA有限元分析系統(tǒng)對沌口互通式立體交叉主線橋左幅24#蓋梁預應力工程施工過程進行優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)對大懸臂蓋梁預應力筋采用一次張拉方式并且在蓋梁與橋墩交界處添加鋼筋網(wǎng)片，不僅可保證工程質量，而且可大幅縮短工期以及設備占用時間。

蓋梁；預應力工程；施工過程；優(yōu)化

1　工程概況

武漢市四環(huán)吳家山至沌口互通式立體交叉主線橋橋墩蓋梁共有94座。其中長懸臂的蓋梁共88座，長懸臂且非對稱蓋梁有46座。有88座蓋梁一側懸挑跨度達697.5 cm。蓋梁懸挑根部截面為220 cm×250 cm或170 cm×250 cm，端部截面為170 cm×120 cm或220 cm×120 cm。

按設計要求，預應力鋼筋束分三批張拉。為保證施工安全，須待所有鋼束張拉完成并封錨后方可拆除橋墩蓋梁支架。時間跨度大，資源占用時間長，要滿足工期要求，需配置10多套模板及支架，資源消耗量大，工期和費用風險大。施工現(xiàn)場情況復雜，現(xiàn)場除了地面作業(yè)外，還需搭設高支架進行高空作業(yè)；施工時不能封閉施工現(xiàn)場，須保證兩條縱橫主干道的正常交通，這些情況均為本工程的組織帶來挑戰(zhàn)。為了縮短工期，節(jié)省人力物力，需要對整個施工過程進行優(yōu)化研究，尋求一種經(jīng)濟合理，安全可靠的蓋梁預應力工程施工方案。

2　數(shù)值建模

橋梁結構體積龐大，在研究中很少進行實際結構模型試驗，而采用大型仿真模擬軟件對結構進行受力和位移分析，不僅可以在施工前預知結構的危險區(qū)段以及大概破壞情況，還可避免試驗中外界因素對試驗結果的影響，達到對試驗的真實模擬。Midas-FEA是土木工程專用非線性細部分析有限元軟件?？捎糜诰€性靜力分析、特征值分析、動力分析、鋼筋分析、界面非線性分析、接觸分析、非線性靜力分析、裂縫分析等，是一種行之有效的數(shù)值模擬技術［1，2］。

本研究采用Midas-FEA有限元分析系統(tǒng)，對沌口互通結構受力最不利的左幅24#蓋梁建立了三維仿真分析模型，有別于傳統(tǒng)數(shù)值分析將鋼筋混凝土蓋梁及墩柱視為一彈性體，分別建立了混凝土單元、普通鋼筋單元及預應力鋼筋單元，最大程度的模擬真實實體。設計文件給定的張拉控制應力為1 302 MPa。依據(jù)設計文件計算得到：蓋梁自重約G1=3 450 kN，箱梁自重約G2=9 220 kN，二期荷載路面自重約G3=4 710 kN。分析考察在各種設計文件工況下蓋梁的整體位移云圖、混凝土應力云圖、普通鋼筋應力云圖和預應力鋼筋應力云圖。其中位移向上↑為+，向下↓為-；主應力拉為+，主應力壓為-。

3　所有預應力鋼筋一次張拉數(shù)值分析

蓋梁施工完成后，所有預應力鋼筋一次張拉，此時蓋梁承擔自重G1和所有預應力鋼筋的張拉力。

3.1數(shù)值模擬結果

蓋梁的整體位移云圖見圖1，混凝土應力云圖見圖2，普通鋼筋應力云圖見圖3，預應力鋼筋應力云圖見圖4。

從以上計算結果可知，如將所有預應力筋一次張拉100%的應力，并且蓋梁承擔自重G1時，外表面混凝土的應力達到7.22～8.41 MPa，此時混凝土早已開裂，裂縫將延伸至蓋梁內部。

圖1　一次張拉整體位移云圖（單位：mm）

圖2　一次張拉混凝土應力云圖（單位：MPa）

圖3　一次張拉普通鋼筋應力云圖（單位：MPa）

圖4　一次張拉預應力鋼筋應力云圖（單位：MPa）

3.2外表面混凝土及梁內混凝土應力分布

為判斷混凝土開裂裂縫深度，需分析了解梁墩交界處混凝土應力分布情況。從梁墩交界處向上分六層，從外向內分三層，分別為表面、距離表面20 cm處、距離表面40 cm處。根據(jù)各節(jié)點內力的大小變化情況，見圖5～圖7，來初步判斷裂縫的最大深度。

圖5　混凝土表面應力的分布情況（單位：MPa）

圖7　距離混凝土表面40 cm應力的分布情況（單位：MPa）

圖5～圖7縱坐標為應力（單位MPa），橫坐標為水平位移（單位m）。

由圖5知：表面混凝土應力從下至上分布不均勻，最大應力分布在4.5～8.5 MPa范圍。由圖6可知：距表面20 cm處，最大應力分布在3.5～6.0 MPa范圍。由圖7可知：距表面40 cm處，最大應力分布在2.0～3.5 MPa范圍。綜合分析，所有預應力筋一次張拉時，其裂縫深度在30～40 cm。

因此，如果在蓋梁完成后，一次將所有預應力筋張拉完畢，不能保證施工質量，將會出現(xiàn)不可接受的裂縫，包括裂縫的深度和寬度，甚至出現(xiàn)蓋梁與支柱交界處混凝土脫落，必須對施工過程進行優(yōu)化。

4　施工過程優(yōu)化

經(jīng)分析，混凝土拉應力超過混凝土的開裂應力主要集中在蓋梁與墩柱的交界處，可以從如下幾個方面進行考慮：

（1）提高混凝土強度等級，由于提高混凝土強度等級，對其抗拉強度提高的影響有限，不宜考慮。

（2）采用抗拉強度高的特種混凝土，如鋼纖維混凝土。

綜合考慮施工可操作性及成本節(jié)約針對第（3）方面做深入探討。

5　加鋼筋網(wǎng)片的優(yōu)化方案

本研究擬定以下兩種優(yōu)化方案：

優(yōu)化方案（一）：在蓋梁與橋墩連接處加兩層鋼筋網(wǎng)片，兩層鋼筋網(wǎng)片之間距離為20 cm。蓋梁施工完成后，所有預應力鋼筋一次張拉，此時蓋梁承擔自重G1和所有預應力鋼筋的張拉力。

優(yōu)化方案（二）：在蓋梁與橋墩連接處加三層鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片外表面到內間距分別為15 cm 和20 cm。蓋梁施工完成后，所有預應力鋼筋一次張拉，此時蓋梁承擔自重G1和所有預應力鋼筋的張拉力。

5.1優(yōu)化方案（一）：加兩層鋼筋網(wǎng)片數(shù)值分析

在蓋梁與橋墩交界處添加兩層鋼筋網(wǎng)片，兩層鋼筋網(wǎng)片的具體布置方法是：每層鋼筋網(wǎng)片，縱向間距16@5.5，橫向間距12@15，兩層間距為20 cm，兩層鋼筋之間設置直徑12 mm的拉結筋，橫向間距110 mm，縱向間距150 mm。蓋梁施工完成后，所有預應力鋼筋一次張拉，此時蓋梁承擔自重G1和所有預應力鋼筋的張拉力。蓋梁的整體位移云圖見圖8，混凝土應力云圖見圖9，普通鋼筋應力云圖見圖10，預應力鋼筋應力云圖見圖11。

圖8　加兩層鋼筋網(wǎng)片整體位移云圖（單位：mm）

圖9　加兩層鋼筋網(wǎng)片混凝土應力云圖（單位：MPa）

圖10　加兩層鋼筋網(wǎng)片普通鋼筋應力云圖（單位：MPa）

圖11　加兩層鋼筋網(wǎng)片預應力鋼筋應力云圖（單位：MPa）

5.2優(yōu)化方案（二）：加三層鋼筋網(wǎng)片數(shù)值分析

在蓋梁與橋墩交界處添加三層鋼筋網(wǎng)片，三層鋼筋網(wǎng)片的具體布置方法是：每層鋼筋網(wǎng)片縱向間距16@5.5，橫向間距12@15，從外到內，一兩層鋼筋網(wǎng)片間距為15 cm，二三層鋼筋網(wǎng)片間距為20 cm，三層鋼筋之間設置直徑12 mm的拉結筋，橫向間距110 mm，縱向間距150 mm。蓋梁施工完成后，所有預應力鋼筋一次張拉，此時蓋梁承擔自重G1和所有預應力鋼筋的張拉力。蓋梁的整體位移云圖見圖12，混凝土應力云圖見圖13，普通鋼筋應力云圖見圖14，預應力鋼筋應力云圖見圖15。

混凝土攪拌是使集料均勻的重要手段，在本工程之中，施工人員設計拌和系統(tǒng)，嚴格遵守現(xiàn)場實驗室的配料單，避免擅自更改配料，致使其出現(xiàn)不均勻問題。首先應安裝攪拌機，邊投料邊攪拌，結合試驗過程，對混凝土的攪拌程序、攪拌時間進行確定，嚴格按照混凝土攪拌質量參數(shù)執(zhí)行。為保障工程質量，在攪拌過程中，對原材料進行稱量記錄，每3個小時對其進行一次檢查，對攪拌計量系統(tǒng)進行效驗，實現(xiàn)對混凝土攪拌的全過程控制。最后，在攪拌之后，混凝土設備進行坍落度測定，整個時間控制在30min以內[3]。