梁國棟，麥 研，方長遠，林慧東，王彩芳

(1. 中交四航局 第二工程有限公司，廣東 廣州 510300；2. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

1 500 t大噸位先張法預制臺座的試驗研究

梁國棟1，麥 研1，方長遠1，林慧東2，王彩芳2

(1. 中交四航局 第二工程有限公司，廣東 廣州 510300；2. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

根據先張法預應力的設計原理，開展了大噸位預應力混凝土張拉臺座的結構設計。介紹壓柱式臺座關鍵部位的設計計算方法，著重介紹廣東新會1 500 t大噸位壓桿式張拉臺座端部的設計。采用有限元ANSYS軟件對其整體受力性能進行結構分析，并對臺座牛腿的關鍵部位進行現場測試，對其力學性能進行對比分析。驗證了其安全性和可靠性，對推動大噸位先張法預應力混凝土張拉臺座的建造技術具有實際參考價值。

港口工程；大噸位；預應力；先張法；預制；臺座

0 引 言

在碼頭新建及擴建工程中，常采用混凝土預制構件。水工碼頭預制構件包括預制PHC管樁、靠船靠件、預制預應力空心板梁、預制縱向梁系構件、預制面板、預制水平撐，預制進度要符合水工總體施工進度安排。通過船舶將構件運輸至碼頭現場，并安裝到位[1]。

先張法的預應力混凝土構件具有生產工藝簡單、成本低、預制場地周轉快。預制工廠在生產方式和生產組織上，以最初的人拉肩扛的手工勞動為主，向著半機械化、機械化、自動化為主的方向發(fā)展。隨著港口碼頭的規(guī)模增大，先張法預應力張拉臺座張拉力從500 t逐步發(fā)展到1 000 t，以滿足水工市場工藝配套水平及設計水平的發(fā)展[2]。

新會預制梁廠1 500 t先張法預應力張拉臺座處于海邊的淤泥軟土地基上。淤泥軟土地基的承載力低、壓縮性大、透水性差、固結時間長、并有觸變性、流變性和很強的不均勻性。不易滿足張拉臺座對地基承載力的要求，故需要進行處理。通常有樁基法、換土法、灌漿法、排水固結法、加筋法等方法可供選用；樁基法中有：水泥攪拌樁、砂石樁、木樁、灌注樁、鋼筋混凝土樁和預應力管樁等可以采用。而預應力管樁具有較強的承載力，投資省、質量有保證、施工速度快、得到普遍應用。其中，PHC樁，脫模后進入高壓釜蒸養(yǎng)，經10個大氣壓、180 ℃左右的蒸壓養(yǎng)護，混凝土強度等級達C80，從成型到使用的最短時間只需1～2 d[3]。

在以往的同類工程經驗的基礎上[4]，設計了新會預制場張拉臺座，為了解其力學性能。驗證其安全性和可靠性，對其開展了現場試驗測試，并對張拉端臺座牛腿應力進行了數值模擬計算，與實測值進行了對比分析。

1 臺座的設計

1.1 長線預制臺座設計原則

設計的張拉臺座要滿足設計強度和穩(wěn)定性的要求，限制底板的縱向變形、滑移引起的預應力損失，并預防張拉臺座的傾覆。采用PHC群樁限制其側向變形，確保其壓柱的穩(wěn)定性。這種構造措施尚不多見。此外，在建造預制梁臺座時，要嚴格控制梁臺座的底板標高，確保其頂面光滑、平整、易于排水，以便直接作為預制梁的底模板[7]。

在這種地基上，若采用重力式先張法臺座結構，其結構自重偏大，軟基承載力不足，容易產生較大的水平滑動位移和傾覆轉動，且混凝土用量較大，不經濟。新會預制場張拉臺座選擇了樁式組合張拉臺座。張拉臺座、底座以及樁基礎共同受力，通過樁基礎承擔臺座的自重，降低了對軟基承載力及其強度的要求。分布式樁基結構，確保了臺座的整體穩(wěn)定性，并且提供了足夠豎向抗拔力和水平抵抗力。多點彈性約束，確保底座作為彈性地基梁的剛度和彎曲強度。

通常，在先張法預應力臺座的設計中，按空間無側限的壓桿理論進行壓柱計算。僅考慮縱向彎曲系數的影響，不考慮土的側壓力和壓桿自重等邊界條件的影響，這樣設計的壓桿截面偏大，配筋量偏多。實際壓柱的工作狀態(tài)類似彈性地基梁承受水平荷載作用的狀態(tài)。壓柱和臺座受土體側壓力的邊界條件約束，壓柱的受力是兩端大，中間段逐漸減少。因此，壓柱計算時可不考慮縱向穩(wěn)定，由于臺座和壓柱削減了部分壓力可減少中間段的配筋[8]。在實際施工中，一般在10～15 m壓柱長度下設置連系梁，增加其縱向穩(wěn)定。但在使用過程中給工作人員造成了許多不便,有的已拆除。李錫胤[9]通過對壓柱的系統(tǒng)失穩(wěn)、構件失穩(wěn)的計算,認為對預應力張拉臺座的設計，只按混凝土構件的軸心受力(局部承壓)計算即可，不必考慮縱向失穩(wěn)問題。在臺座的加工、制作中,要使伸縮縫處擠壓緊密,通過這一措施確保臺座穩(wěn)定。

1.2 端頂柱的構造

端頂柱間面板厚度為2 m，橫向寬度為4.8 m，縱向長度為3.25 m，縱、橫兩方向受拉、受壓鋼筋均按照GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)要求的最小配筋率0.2%進行配筋。

1.3 中間頂柱的配筋計算

中間頂柱截面為1 300 mm×900 mm；分段長度為18.8 m；軸心荷載設計值為Nm=[(1 500×9.8)/2]×1.5=11 025 kN；軸向穩(wěn)定系數為φ=0.75。

1.3 實驗方法 小鼠在麻醉狀態(tài)下接受氣管插管，放置于體描箱內記錄靜息狀態(tài)下呼吸狀態(tài)。潮氣量設置為1 ml，呼氣/吸氣比為20∶10，機械通氣頻率為100次/min。預設用力吸氣量為5 ml/kg，待小鼠呼吸平穩(wěn)后，記錄呼氣過程。連續(xù)5次肺活量測量后，計算平均值作為用力肺功能呼氣指數。在模型建立6、18、36 h后，檢測肺功能。

中間頂柱按照《規(guī)范》要求的最小配筋率0.6%配置鋼筋：16Φ25，As′=7 854 mm2；則該柱正截面受壓承載力為NU=18 937 kN>Nm=11 250 kN。

縱向鋼筋16Φ25滿足規(guī)范要求，截面上、下部均配置6Φ25，中部共配置4Φ25作為腰筋。箍筋采用Ⅰ級鋼筋Φ12@200 mm。

每段中間頂柱下部布置6根Φ300的PHC樁，樁芯混凝土及樁芯鋼筋籠與頂柱連接。

1.4 臺座張拉端的構造

本次設計大噸位先張法預應力張拉臺座局部立面布置如圖1。樁基礎布置如圖2。

圖1 1 500 t預應力梁張拉臺座張拉端立面Fig.1 Elevation of tensioned abutment side in 1 500 t pretensioned prestressed platform

圖2 樁基礎布置Fig.2 Layout of pile foundation

由于現場地質條件較差，地基承載力難以滿足地基反力要求，需在臺座張拉端下部布置樁基礎，采用Φ400的PHC樁，樁長25 m，停錘標準以貫入度控制為主，標高控制為輔，最后10錘貫入度≯5 cm，單樁承載力按N=1 000 kN要求實施，如圖2。采用樁基礎可以避免上部結構荷載直接作用在軟土地基上。

2 結構分析模型

采用通用軟件ANSYS對新會預制張拉臺座進行實體建模，采用整體式模型進行分析，混凝土單元用SOLID65單元模擬，材料為C40混凝土；PHC樁用beam4單元模擬，材料為C80的混凝土，樁總長按25 m計算，每1 m劃分為一個單元；樁土之間的作用按只受壓土彈簧模擬，采用combin39單元進行模擬；表貼鋼板用shell63單元模擬，用cpintf命令對節(jié)點進行黏結，建立的計算模型如圖3，考慮自重荷載和預應力荷載，預應力荷載采用等效荷載(單邊總荷載4 251 kN)按千斤頂作用面的面荷載作用于模型單元上，模型采用點-線-面-體的順序建立。網格劃分采用自動劃分[10-12]。

圖3 臺座整體計算模型Fig.3 Calculation model of the whole platform

3 實測值與理論值比較

3.1 臺座牛腿現場布置與實測值

在張拉端牛腿處布設應變片，獲取張拉過程中應力變化情況，應變片黏貼于張拉端牛腿內側，如圖4。共布設了8個測點分別為ZL-Z-i(i=1,…, 8)，i表示應變片的序號。混凝土應變測試采用浙江黃巖雙立工程傳感器廠生產的BX120-80AA型應變片，敏感柵尺寸為：80 mm×2.5 mm，基底尺寸：86 mm×6 mm，電阻為120 Ω，靈敏系數為2.06；應變數據采集儀器為江蘇東華測試技術有限公司生產的DH3815N型多功能應力應變儀，它包括電源/控制器、數據采集模塊。

圖4 臺座牛腿測點布置Fig.4 Structural arrangement plan of abutment bracket

主要的測試步驟：首先，打磨、黏貼應變片，將應變片與測試箱鏈接，并用主、從連接線形成一個完整的測量系統(tǒng)。在筆記本電腦上，采用東華DH3815N測量軟件對測量機箱進行識別，測量線路選擇1/4橋路，然后對輸出的各種參數的設定，包括應變片的電阻值，測量導線的電阻值，靈敏系數，泊松比等，最后查看平衡結果，檢查各個接口處是否完成平衡，如果未完成平衡應認真檢查各導線接口處的導線連接情況，包括是否連接牢固，導線外面的金屬絲是否接到一塊。

對兩端臺座牛腿處的應力測量應遵循按照不同受力階段分段采集原則，在此次試驗中把兩端臺座牛腿受力的應變測量分為0%～90%，90%～105%設計應力兩個受力階段進行測試數據采集。放張后為100%的設計應力。在張拉受力階段內采用定時采樣數據；由于數據量較大，為精確的分析預應力張拉臺座在各個工況下張拉控制力不同測點的應變變化情況，在大量數據中選取變化趨勢穩(wěn)定的若干數據組，得到各工況下各測點的應變值如表1。

表1 張拉端臺座牛腿應變實測值

3.2 數值計算結果分析

經計算，在預應力及臺座本身自重荷載作用下，臺座牛腿測試截面處的應力云圖如圖5；臺座牛腿分為上層、中層、下層等3層，牛腿處各測點應力理論值如表2。張拉端牛腿處，當張拉控制力達到90%時，牛腿截面測點的最大壓應力為22.5 MPa，牛腿截面測點的最大拉應力為-1.08 MPa；當張拉控制力達到105%時，牛腿截面測點的最大壓應力為25 MPa，最大拉應力為-1.2 MPa。

圖5 臺座牛腿測試截面應力云圖Fig.5 Stress diagram of testing section in abutment bracket

表2 臺座牛腿各層位移偏量

3.3 臺座牛腿理論值與實測值的比較

臺座牛腿現場實測的應變值通過公式σ=E×ε計算得到各個測點處的應力值。其中：C40混凝土彈性模量，其張拉端臺座牛腿應力理論與實測值比較如表3。

表3 張拉端臺座牛腿應力理論與實測值比較

從表3可以看出：在兩端臺座牛腿各測點處，所實測各點的應力值均小于理論值，除去2號、6號測點外其余測點差值都﹤10%。2號測點位于牛腿上緣的拐角處；6號測點位于后隱橫梁附近，都屬于應力集中區(qū)。

在試驗測試前，臺座牛腿底部的樁基埋入地基中，對其工作機理與效果的評價不夠完善。在千斤頂施加預應力張拉荷載過程中，若地基梁和樁基礎的摩阻力不足，便會引起臺座牛腿向荷載方向偏移，牛腿產生的變位便抵消部分的預應力荷載，這兩部分綜合影響效應還缺乏有效的評判方法。

4 結 論

對新會1 500 t大噸位先張法預應力梁預應力張拉臺座牛腿現場試驗測試表明：該張拉臺座的牛腿結構安全可靠?？梢缘玫饺缦陆Y論：

1)在牛腿承受千斤頂施加預應力作用的位置，應該考慮其局部承壓效應，對應部位牛腿內應設置足夠的鋼筋網片擴散應力分布；

2)張拉臺座底部受拉區(qū)部位，宜設置加強鋼筋網片；

3)實測張拉臺座牛腿的偏移量較小，引起的樁頂位移也小，從而由樁頂強制位移產生的樁身彎矩就小，樁的抗裂安全系數增大，表明張拉臺座結構設計合理；

4)在軟弱地基上采用PHC群樁基礎作為先張法預應力混凝土預制臺座是一種有效的技術措施，可供同類臺座設計參考。

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Experimental Research on 1 500 t Pretensioned Precast Platform

LIANG Guodong1, MAI Yan1, FANG Changyuan1, LIN Huidong2, WANG Caifang2

(1. The Second Engineering Company, CCCC Fourth Harbor Engineering Co., Ltd., Guangzhou 510300, Guangdong, P.R.China;2. College of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China)

According to the design principle of the pretensioned prestressing, the structural design of large-tonnage pre-tensioned prefabricated platform was carried out. The design and calculation method of the key parts in prestressing column and abutments were introduced. Especially, the structural design of the 1 500 t large-tonnage pressure abutments in Xinhui district of Guangdong was emphasized. The whole mechanical performance of the platform structure was analyzed by ANSYS software. The key parts of bracket in the abutment were tested in the field in order to compare and analyze its mechanical performance and the comparison analysis of its mechanical performance was also carried out. Finally, its safety and reliability were verified. The above research is of practical reference for promoting the construction technology of the large-tonnage pretensioned precast concrete platform.

port engineering; large-tonnage; prestress; pretension method; precast; platform

2015-01-09；

2015-06-03

交通運輸部西部交通建設科技項目(201132849A1140)

梁國棟(1966—)，男，廣東茂名人，高級工程師，主要從事港口航道工程施工及管理方面的研究。E-mail: lguodong@gzpcc.com。

王彩芳(1988—)，女，內蒙古呼和浩特人，碩士研究生，主要從事橋梁工程方面的研究。E-mail: liwenhong9898@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.16

U656.1

A

1674-0696(2016)01-080-05