折線先張法預制工字梁張拉臺座結構的數值模擬

王海軍, 蔣楊樊, 劉 偉, 謝仔杰, 陳 嶺

(1.黑龍江科技大學 建筑工程學院, 哈爾濱 150022; 2.中建八局一公司基礎公司, 浙江 寧波 315400)

0 引 言

折線先張法施工技術,集傳統先張法與后張法優點于一體,克服傳統直線先張法無法在大跨度橋梁結構中應用的弊端,同時避免后張法中預留孔道和穿筋等問題以及灌漿這樣一種復雜的技術,從根本上解決了壓漿不密的難題,增強了預應力混凝土結構的抗剪能力及耐久性[1-2]。

對折線先張法臺座的研究,國內外大量的學者已對此做了諸多研究工作。董建偉等[3]基于Ansys有限元仿真軟件,采用DM模塊進行參數化臺座建模,以臺座最大主拉應力最小為優化目標,計算結果采用響應面法擬合為二次多項式,對優化前后臺座的力學性能進行分析與比較。崔章超等[4]以折線先張法預應力筋工字梁為研究對象,研究了張拉臺座擴建對鋼絞線兩端張拉機以及混凝土施工工藝的影響。陳麗君[5]結合實際工程問題對大型混凝土簡支梁張拉臺座的穩定性、抗滑移情況進行了定量分析。Deng等[6]基于凹槽基座和橋墩基座的優勢,構建了一種新型的預張拉基座,通過抗傾覆、防滑、工作臺抗壓、傳力板、橫梁等承載力分析,優化了新基座。Widianto等[7]折線先張法Bulb-T梁預制施工為背景,研究了折線先張法臺座設計過程中張拉端反力系統、轉折器和轉向架等關鍵構件。Philipp等[8]依據先張法空心梁施工原理,對先張法張拉臺座進行了結構設計,通過張拉臺座受力驗算,優化結構尺寸。

綜上可知,現階段對于折線先張法張拉臺座的研究,主要集中在基于已有臺座的基礎上進行結構優化或驗算其穩定性、抗滑移等情況,大多數學者研究都是針對局部桿件,如傳力板、張拉橫梁以及轉向架等,而對于適用于預制工字梁方面的折線先張法張拉臺座相關研究較少,可使用的臺座類型較缺乏,因此,筆者針對折線先張法預制工字梁張拉臺座進行研究,分析其張拉端結構。

1 張拉臺座設計

1.1 工程概況

某在建特大橋引橋上部主梁為折線先張法裝配式預應力混凝土工字梁,主梁混凝土強度等級采用C50,主梁預制長度為3 996 cm,主梁梁頂寬為127 cm,底板寬102 cm,腹板厚度為22 cm;主梁預應力鋼束總共布置58根,其中,直線束40根,折線束18根,設計時取單根預應力鋼絞線的張拉控制力為200 kN,采用折線先張法對預應力鋼束進行張拉施工,工字型主梁預應力鋼束立面布置如圖1所示。工字梁預應力鋼束A-A斷面布置,如圖2所示。

圖2 工字梁預應力鋼束A-A斷面布置

1.2 樁板式張拉臺座張拉端上部結構設計

因折線先張法預制工字梁跨度較大、預應力筋數量較多等特點,設計時考慮到臺座預制張拉時需承受較大的水平方向張拉力,因此為保證張拉臺座在預制張拉鋼絞線過程中滿足抗傾覆、抗滑移以及強度剛度要求,同時結合已有各類折線先張法張拉臺座不足之處,提出一種新型“樁板式”折線先張法張拉臺座。該張拉臺座由“鋼混組合結構+鋼管樁基礎+預制梁底座下部受壓構件”組成。此種折線先張法預制梁臺座利用鋼管樁和臺座自重來共同承擔偏心張拉力引起抗傾覆力矩,利用鋼管樁和制梁底座下部基礎受壓構件來共同抵抗水平向拉力,以解決張拉臺座的抗傾覆及滑移問題?！皹栋迨健闭劬€先張法張拉臺座張拉端的平面和側面示意如圖3和4所示。

圖3 樁板式折線先張法張拉臺座張拉端平面示意

圖4 樁板式折線先張法張拉臺座張拉端側面示意

為滿足在建某特大橋引橋上部裝配式預應力混凝土工字梁施工要求,擬采用長線法預制梁臺座對其進行預制張拉施工。長線法預制梁臺座共包括三個折線先張法預制工字梁預制底座,預制底座之間需加設應力補償器,以確保預制工字梁預應力張拉質量。其他跨徑的工字型主梁預制生產時只需多加設一道轉向器即可通用此預制梁底座。長線法預制梁臺座布置三維效果如圖5所示。

圖5 長線法預制梁臺座布置三維效果示意

1.3 樁板式張拉臺座張拉端下部樁基設計

樁板式張拉臺座張拉端下部樁基部分按照樁受力方式分為抗拔樁與承壓樁,其中承壓樁與上部結構之間加設擴大基礎,通過擴大基礎將豎向壓力傳遞至承壓樁,并且擴大基礎將部分豎向壓力直接傳遞至地基,從而減少承壓樁打入深度?？拱螛杜c上部結構之間采用焊接連接,同時在兩者連接處加設多道豎向加勁肋,確保豎向力的傳遞同時提高側向抗剪?？拱螛杜c張拉端上部結構連接細部,如圖6所示。

圖6 抗拔樁與張拉端上部結構連接細部示意

2 樁板式張拉臺座張拉端數值模型

2.1 參數設定

樁板式張拉臺座張拉端上部結構采用豎桿、水平桿以及斜撐共同形成張拉錨固體系,各構件均由鋼材和混凝土組成,由鋼板組焊形成各個構件外形,再用混凝土對其內部進行填充,從而形成鋼混組合構件。主要桿件尺寸及材料參數見表1。其中,外部鋼板厚為δ。

表1 主要桿件尺寸及材料參數

由于預制工字梁設計要求中同時包含直線束與折線束,其中直線束位于工字梁底部共40根,折線束出梁體時位于工字梁腹板中上部共18根,單根預應力鋼絞線張拉控制力為200 kN,千斤頂與張拉臺座豎桿之間均加設鋼墊板以擴散張拉反力傳遞,故預制張拉時需采用兩套不同的張拉千斤頂及鋼墊板,同時為方便穿心鋼棒張拉,需在張拉臺座豎桿內部設置預留鋼管孔,千斤頂及鋼墊板等相關具體參數見表2。荷載參數見表3。

表2 千斤頂及鋼墊板等相關參數

表3 荷載參數

2.2 模型建立

為保證整個樁板式張拉臺座達到強度、剛度和穩定性的要求,符合現場施工的安全性以及可靠性,擬采用Midas FEA NX有限元軟件對樁板式張拉臺座張拉端進行建模分析,由于樁板式張拉臺座張拉端上部結構為整體主要張拉受力部分,而下部樁基部分主要驗算其與張拉端上部結構焊接連接處,故將模型簡化為三角對撐,且各桿件外部鋼板及內部混凝土均采用三維實體單元進行建模。

對樁板式張拉臺座張拉端模型外部鋼板及內部混凝土分別進行網格劃分,劃分網格尺寸選取為50 mm,網格劃分時根據軟件自帶功能,將各桿件外部鋼板與其內部混凝土自動連接且匹配相鄰面,從而使其鋼結構內部與混凝土接觸處的網格連續劃分,同時將結構外部鋼材部分各個構件之間采用自動焊接功能,分別將鋼豎板、水平桿以及斜撐兩兩相連,從而形成整個樁板式張拉臺座張拉端上部結構。

對樁板式張拉臺座張拉端上部結構各構件分別賦予材料屬性以及接觸定義,并針對千斤頂張拉所處位置對樁板式臺座張拉端豎桿對應處施加相應的面壓力荷載,根據上部結構各桿件所用鋼材及混凝土相關材料參數對整體模型施加自重荷載,其中面壓力荷載系數取1.5,自重荷載系數取1.3。樁板式張拉臺座張拉端上部結構模型及對應各荷載施加示意如圖7所示。

圖7 樁板式張拉臺座張拉端上部結構模型及對應各荷載施加示意

由于張拉端上部結構與抗拔樁之間采用焊接連接,故根據抗拔樁所處位置對其進行條件約束,通過主從節點設置將抗拔樁所有焊接連接處附從到中心點,并對該點進行固定約束;由于張拉端上部結構與承壓樁之間設有擴大基礎,且是直接放置于擴大基礎之上,故對底面接觸位置設置豎向約束;由于張拉端上部結構前側直接頂在傳立柱上,故對前側接觸位置設置水平方向約束。

3 臺座張拉端數值模型分析

將有限元模型建立完成并設定好計算過程中所需要輸出的數據種類后,設置靜力分析工況進行計算分析求解,根據計算結果,分別從上部結構各桿件的承載力、變形以及抗拔樁焊接連接強度驗算來分析樁板式張拉臺座的安全性及可靠性。

3.1 樁板式張拉臺座張拉端上部結構承載力分析

在千斤頂預制張拉作用下,通過有限元軟件Midas FEA NX建立模型并計算,樁板式張拉臺座張拉端上部結構各桿件組合應力云圖如圖8～10所示。

圖8 豎桿組合應力云圖

圖9 水平桿組合應力云圖

圖10 斜撐組合應力云圖

由圖8可知,樁板式張拉臺座張拉端上部結構外部鋼板最大組合應力值出現在豎桿底部,此時豎桿受到較大的預制張拉反力作用,且底部與抗拔樁通過焊接連接,故而最大組合應力值出現在豎桿與抗拔樁焊接連接處附近,最大組合應力為111.5 MPa。而內部混凝土最大組合應力值出現在豎桿中下部,由于豎桿受到向前的預制張拉反力作用,會產生一個前傾的趨向,而水平桿會阻礙該趨向從而對豎桿內部產生一個擠壓力,故最大組合應力值出現在豎桿與水平桿上部交接處位置附近,最大組合應力為20.66 MPa。根據《鋼結構設計標準》GB 50017—2017[9]和《混凝土結構設計規范》GB 50010—2010[10],如果模擬計算所得有效應力值未超過材料屈服強度,并且也沒有超過相關建筑規范規定的強度設計值,則說明樁板式張拉臺座張拉端上部結構承載力計算符合要求。通過有限元應力計算分析可知,在千斤頂張拉荷載以及自重作用下,樁板式張拉臺座張拉端上部結構各桿件外部鋼板組合應力值均小于295 MPa,各桿件內部混凝土組合應力值均小于22.4 MPa,故張拉端各桿件承載力均滿足設計要求。

3.2 樁板式張拉臺座張拉端上部結構變形

由《鋼結構設計標準》GB 50017—2017[9]附錄B可知,結構整體的位移值應小于其相應構件計算跨度的l/400,其中,l為受彎構件的跨度。且根據現場施工預制要求,在最大預制張拉控制力作用的受力狀態下,樁板式張拉臺座張拉端的最大變形量不得超過3 mm,整體位移云圖如圖11所示。樁板式張拉臺座張拉端上部結構各桿件位移云圖如圖12所示。

圖11 樁板式張拉臺座位移云圖

圖12 張拉端上部結構各桿件位移云圖

由圖11和12可知,樁板式張拉臺座張拉端上部結構最大位移發生在豎桿中部,與實際情況較好的符合,其中豎桿實際的最大位移為2.22 mm小于11.25 mm且小于3 mm,水平桿實際最大位移為0.97 mm小于17.5 mm且小于3 mm,斜撐實際最大位移為1.98 mm小于15.0 mm且小于3 mm,故樁板式張拉臺座張拉端上部結構各桿件位移值均符合設計要求。

3.3 樁板式張拉臺座張拉端抗拔樁連接計算

對抗拔樁與樁板式張拉臺座張拉端上部結構連接處采用等強焊接連接方式,并在焊接處附近加設加勁肋,為提高鋼管樁水平向抗剪以及自重,在鋼管樁內部灌注適量的C60混凝土,連接方式如圖13所示。

圖13 樁板式張拉臺座張拉端抗拔樁連接斷面

鋼豎板(張拉端上部結構)與抗拔樁之間的抗拔力均由角焊縫承擔,故需對其角焊縫進行抗拉強度驗算,搭接角焊縫軸心受拉計算公式為

hf——焊腳尺寸,mm;

lw——焊縫計算長度,mm;

σf——角焊縫有效截面應力,MPa。

根據《鋼管混凝土結構技術規范》GB 50936—2014[11]中的5.1.4條相關規定,對抗拔樁進行抗剪承載力驗算。

通過有限元軟件Midas FEA NX建模計算,樁板式張拉臺座張拉端下部抗拔樁處受力情況,如圖14所示。

4 結 論

樁板式張拉臺座是在已有斜撐基樁式張拉臺座結構基礎上,采用“鋼混組合結構+鋼管樁基礎+預制梁底座下部受壓構件”的結構組成方式,優化了其部分桿件,根據樁板式張拉臺座張拉端數值模擬得到如下結論:

(1)優化后的樁板式張拉臺座張拉端各桿件承載力均滿足設計以及施工要求,且最大位移為2.22 mm,小于預制施工設計的3 mm變形要求。

(2)樁板式各桿件內部均填充混凝土,增加了張拉臺座上部結構自重,利用鋼管樁和張拉臺座上部結構自重來共同承擔偏心張拉力引起抗傾覆力矩,在一定程度上提高了上部結構預制張拉抗傾覆性能,從而減少了抗拔樁豎向抗拔力,節省了鋼管樁打入長度。

(3)樁板式張拉臺座張拉端各桿件均采用鋼混組合結構,各桿件外部為外包鋼板,內部為混凝土填充,待預制工程結束后可進行機械拆除并回收重復利用,不僅減少了現場清除工作,同時還提高了施工材料利用率,體現了施工成本經濟性以及預制環保。