陳新欣， 劉德坤， 聶美春

(1.湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司， 湖南 長沙　410109；　2.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順　416700)

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某大橋中橫梁后續(xù)補(bǔ)張拉處置技術(shù)方案研究

陳新欣1， 劉德坤1， 聶美春2

(1.湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司， 湖南 長沙410109；2.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順416700)

[摘要]預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)施工建設(shè)中，有時(shí)會出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼絞線切斷失去繼續(xù)張拉條件后，發(fā)現(xiàn)錨下有效預(yù)應(yīng)力不足的情況，采取何種方案進(jìn)行補(bǔ)張拉值得研究。結(jié)合工程實(shí)例，通過建立計(jì)算模型對完整錨板和含連接面錨板進(jìn)行受力性能分析，通過對比分析得出：所采取的后續(xù)補(bǔ)張拉處置方法是可行的，并給出中橫梁區(qū)域的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，可為其他工程同類問題提供借鑒。

[關(guān)鍵詞]中橫梁； 補(bǔ)張拉； 數(shù)值模擬； 處置方法

1工程概況

某大橋中橫梁采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉，單端錨固，單端張拉，鋼絞線采用12束直徑Фs15.2 mm高強(qiáng)度低松弛無粘結(jié)鋼絞線，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)fpk=1 860 MPa，控制張拉應(yīng)力為1 395 MPa，12束Фs15.2 mm一束張拉力為2 326.8 kN(1 395×139×12)。鋼絞線長度為8.539 m，計(jì)算張拉伸長值為57.4 mm。

事情發(fā)生經(jīng)過：2015年9月25日某大橋2道中橫梁16束鋼絞線張拉完成，9月26日切除鋼絞線。9月30日發(fā)現(xiàn)中橫梁鋼絞線張拉力不足。張拉力不足原因：直徑Фs15.2 mm高強(qiáng)度低松弛無粘結(jié)鋼絞線單根張拉力為193.9 kN，施工現(xiàn)場技術(shù)人員誤將張拉力取值為139.5 kN，導(dǎo)致現(xiàn)場張拉過程總張拉力誤取為1 674 kN，只達(dá)到設(shè)計(jì)張拉力2 326.8 kN的71.94%，鋼絞線總伸長量比設(shè)計(jì)理論伸長量小16.1 mm。待發(fā)現(xiàn)該問題時(shí)，鋼絞線已被切除。

2后續(xù)補(bǔ)張拉方案的確定

發(fā)現(xiàn)該問題后，工程技術(shù)人員經(jīng)反復(fù)商討后確定了以下補(bǔ)張拉方案。

采用特殊辦法[1，2]將工作錨整體張拉以保證中橫梁鋼絞線的張拉力、伸長量。該方案張拉原理與設(shè)計(jì)整體張拉效果一致，且張拉完后預(yù)應(yīng)力鋼束不會產(chǎn)生回縮導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失，具體操作如下：

① 千斤頂前端采用內(nèi)徑17.3 cm，外徑26 cm45號碳鋼制作工具錨抱箍，抱箍長度17 cm，鋼抱箍周邊均勻布置18個(gè)螺栓孔，螺栓孔采用Ф22 mm高強(qiáng)螺栓連接鋼抱箍和工具錨，高強(qiáng)螺栓強(qiáng)度等級12.9。后端鋼抱箍型號和前端型號材質(zhì)相同。

② 傳力鋼棒采用外徑17.3 cm實(shí)體45號碳鋼與前后端抱箍絲扣連接，前后端包括與鋼棒絲扣連接長度8 cm。

③ 張拉前前端鋼抱箍與已澆筑梁體砼間空隙采用3個(gè)Ф8 cm實(shí)體鋼棒以等邊三角形布置作為支撐架(鋼棒材質(zhì)同為45號碳鋼)。

④ 工作錨周邊用磨光機(jī)人工均勻打磨18個(gè)與Ф22 mm高強(qiáng)螺栓連接面，連接面打磨深度控制在5 mm，為了保證高強(qiáng)螺栓和工作錨接觸面能承受張拉剪切力要求，打磨時(shí)18個(gè)連接面前后錯(cuò)開，前后兩排均勻打磨9個(gè)連接面(補(bǔ)張拉過程中對于工作錨的打磨經(jīng)與工作錨廠家咨詢，工作錨廠家確認(rèn)對工作錨的使用性能無影響)。

⑤ 前期準(zhǔn)備工作就緒后采用400 t穿心式千斤頂張拉，張拉力達(dá)到設(shè)計(jì)要求后在拉出工作錨和梁體預(yù)埋錨杯間墊厚度為16 mm、寬度為15 mm弧形鋼板2塊，鋼板材質(zhì)為45號碳鋼。

⑥ 張拉完成后工作錨和弧形鋼板間空隙采用植筋膠密封粘結(jié)，保證壓漿過程張拉處理口不漏漿，保證壓漿質(zhì)量。

⑦ 張拉到設(shè)計(jì)應(yīng)力后為工作錨錨下應(yīng)力最大時(shí)段，壓漿待漿液達(dá)到強(qiáng)度后應(yīng)力均勻擴(kuò)散至整個(gè)橫梁梁體混凝土，按本方案現(xiàn)場實(shí)際試操作后，張拉控制應(yīng)力與鋼絞線伸長量與設(shè)計(jì)要求一致，該預(yù)應(yīng)力工程符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

3數(shù)值模擬分析

為保證錨固系統(tǒng)的安全性與可靠性，對K2+263分離式立交中橫梁橫隔板進(jìn)行補(bǔ)張拉后的預(yù)應(yīng)力工作錨受力性能進(jìn)行分析，并據(jù)此提出保證錨固系統(tǒng)安全和可靠性的合理化建議。

3.1完整錨板數(shù)值模擬分析

3.1.1計(jì)算模型建立

① 材料特性[3-5]。

依據(jù)GB/T699-1999《優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)碳素鋼》規(guī)定45鋼的抗拉強(qiáng)度為600MPa，屈服強(qiáng)度為355MPa。鋼絞線采用12束直徑Фs15.2mm高強(qiáng)度低松弛無粘結(jié)鋼絞線，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)fpk=1 860MPa，控制張拉應(yīng)力為1 395MPa，單根張拉力為193.9kN。

② 完整錨板數(shù)值模型建立[6-8]。

根據(jù)錨板設(shè)計(jì)圖紙，見圖1，采用ANSYS有限元軟件建立完整錨板的有限元模型，如圖2所示。

圖1　錨板設(shè)計(jì)圖(單位： mm)Figure 1　The design drawing of anchor plate(unit： mm)

圖2　完整錨板有限元模型Figure 2　The finite element model of complete anchor plate

3.1.2荷載及邊界條件模擬

① 荷載模擬。

直徑Фs15.2mm高強(qiáng)度低松弛無粘結(jié)鋼絞線單根張拉力為193.9kN，將每束張拉力根據(jù)靜力平衡條件以均布力作用于錨板孔內(nèi)受力面積上。預(yù)應(yīng)力荷載模擬見圖3。

圖3　完整錨板施加荷載示意圖Figure 3　The load application schematic of complete anchor plate

② 邊界條件模擬。

在錨板與錨墊板接觸面域內(nèi)，施加如圖3所示，Z方向豎向約束，為使模型靜定，施加一定X、Y方向約束。

3.1.3完整錨板數(shù)值計(jì)算結(jié)果

施加荷載后計(jì)算所得的完整錨板的應(yīng)力分布云圖見圖4、圖5所示。

(a) 正面(b) 背面

Figure 4The FEM stress distribution diagram of complete anchor plate

(a) 1/4剖面(b) 1/2剖面

Figure 5The FEM stress distribution diagram of complete anchor plate

由圖4、圖5可知：預(yù)應(yīng)力張拉后完整錨具的應(yīng)力分布主要為-11.4 MPa(受壓)～-196 MPa(受壓)，主要處于受壓狀態(tài)；分析1/4剖面和1/2剖面應(yīng)力云圖可知此剖面錨具應(yīng)力分布為-11.4 MPa(受壓)～-196 MPa(受壓)，主要處于受壓狀態(tài)；分析3/4剖面應(yīng)力云圖可知：此剖面錨具主要應(yīng)力分布為-46.6 MPa(受壓)～-180 MPa(受壓)。

可見，預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后，完整錨板的應(yīng)力分布為-11.4～-196 MPa(受壓)，主要處于受壓狀態(tài)，小于45鋼屈服應(yīng)力355 MPa。

3.2含連接面的錨板數(shù)值模擬分析

3.2.1計(jì)算模型建立[6-8]

根據(jù)補(bǔ)張拉方案，工作錨周邊用磨光機(jī)人工均勻打磨18個(gè)與Ф22 mm高強(qiáng)螺栓連接面，連接面打磨深度控制在5 mm，為了保證高強(qiáng)螺栓和工作錨接觸面能承受張拉剪切力要求，打磨時(shí)18個(gè)連接面前后錯(cuò)開，前后兩排均勻打磨9個(gè)連接面。兩排連接面間距6 mm。

采用ANSYS有限元軟件建立含連接面的錨板有限元模型如下(見圖6)，該有限元模型的材料屬性、荷載和邊界條件同完整錨板。

圖6　含連接面的錨板有限元模型Figure 6　The finite element model of contained junction 　　　surface of anchor plate

3.2.2含連接面的錨板計(jì)算結(jié)果

施加荷載后計(jì)算所得的含連接面錨板的應(yīng)力分布云圖見圖7所示。

(a) 正面(b) 背面

(c) 1/4剖面(d) 1/2剖面

Figure 7The FEM stress distribution diagram of contained junction surface of anchor plate

由圖7可知：預(yù)應(yīng)力張拉后完整錨具的的應(yīng)力分布主要為-22.5～-215 MPa(受壓)，主要處于受壓狀態(tài)。

分析1/4剖面應(yīng)力云圖可知：錨具應(yīng)力分布為-25.9～-176 MPa(受壓)，主要處于受壓狀態(tài)；分析1/2剖面應(yīng)力云圖可知錨具應(yīng)力分布為-22.5～-15 MPa(受壓)，主要處于受壓狀態(tài)；分析3/4剖面應(yīng)力云圖可知錨具應(yīng)力分布為38 MPa(受拉)～-215 MPa(受壓)。

可見，預(yù)應(yīng)力補(bǔ)張拉后，含連接面的錨板的應(yīng)力分布為-22.5～-215 MPa(受壓)，主要處于受壓狀態(tài)，但小于45鋼屈服應(yīng)力355 MPa。

3.3兩類錨板數(shù)值計(jì)算結(jié)果比較分析

從以上計(jì)算結(jié)果可知，采用該補(bǔ)張拉方案對該分離立交橋2道中橫梁16束鋼絞線進(jìn)行補(bǔ)張拉后，含連接面的錨板的Mises應(yīng)力最大為215 MPa，小于45號鋼屈服應(yīng)力355 MPa，受力性能仍能夠滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，說明選取的補(bǔ)張拉方案是可行的。

完整錨板主要應(yīng)力分布為-11.4～-196 MPa(受壓)，含連接面錨板的主要應(yīng)力分布為-22.5～-215 MPa(受壓)，較完整錨板應(yīng)力增加了9.6%，這主要是因?yàn)槁菟椎拇嬖冢瑴p小了錨板的整體受力體積，導(dǎo)致所受應(yīng)力增大，較完整錨板最大拉應(yīng)力增加了19 MPa。

可見，中橫梁采用的后續(xù)補(bǔ)張拉方案是可行的，中橫梁所施加的預(yù)應(yīng)力體系是成立的，但中橫梁預(yù)應(yīng)力體系錨具因開鑿連接面而增大了應(yīng)力，鑒于該梁體目前的施工狀態(tài)，決定采取加強(qiáng)中橫梁處橋面配筋的方式予以加強(qiáng)，以改善中橫梁的受力性能，由普通鋼筋滿足承載能力。即在梁體橋面鋪裝時(shí)，在中橫梁2.2 m范圍內(nèi)的每一束橫向鋼筋均加設(shè)φ25鋼筋(見圖8)，以增強(qiáng)中橫梁橫向的受力性能，從而保證中橫梁受力安全可靠。

圖8　中橫梁處鋼筋補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)圖Figure 8　The reinforcement design drawing of middle 　　　transverse beam

4結(jié)論

通過采用大型通用有限元軟件ANSYS建立完整錨具和含連接面錨具的有限元模型，施加預(yù)應(yīng)力對兩個(gè)錨具進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得出了其應(yīng)力分布情況，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出以下主要結(jié)論和建議。

① 完整錨板主要應(yīng)力分布為-11.4 MPa(受壓)～-196 MPa，含連接面錨板的主要應(yīng)力分布為-22.5 MPa～-215 MPa(受拉)，較完整錨板應(yīng)力增加了9.6%，這主要是因?yàn)槁菟椎拇嬖冢瑴p小了錨板的整體受力體積，導(dǎo)致所受應(yīng)力增大，較完整錨板最大拉應(yīng)力增加了19 MPa。

② 采用該補(bǔ)張拉方案對某大橋2道中橫梁16束鋼絞線進(jìn)行補(bǔ)張拉后，含連接面的錨板的Mises應(yīng)力最大為260 MPa，小于45號鋼屈服應(yīng)力355 MPa，受力性能仍能夠滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

③ 為保證中橫梁受力安全可靠，通過采取加強(qiáng)中橫梁處橋面配筋的方式予以加強(qiáng)，以改善中橫梁的受力性能，以使其形成整體共同受力。

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The Additional Tensioning Disposal Method Feasibility Researth of the Middle Transverse Beamon Long-yong Expressway

CHEN Xinxin1， LIU Dekun1， NIE Meichun2

(1.Hunan LianzhiBridge&Tunnel Technology Co.， Ltd.， Changsha， Hunan 410019， China；2.Hunan Provincial Yonglong Highway Construction and Development Co.， Ltd.， Yongshun， Hunan 416700， China)

[Abstract]Combining with the engineering example，though the establishment of calculation model of complete and contained junction surface of anchor plate to analysis behavior，through contrastive analysis draw conclusions：the method is feasible，provide the reinforcement design of middle transverse beam area，which would be a practical and useful reference for engineers in similar projects.

[Key words]middle transverse beam； subsequenttensioning； numericalsimulation； disposal method

[中圖分類號]U 445.46

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674—0610(2016)02—0144—04

[作者簡介]陳新欣(1990—)，男，湖南婁底人，助理工程師，從事橋梁施工與檢測工作。

[收稿日期]2016—01—20