王 瓊，牛萬(wàn)芬

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

蓋梁預(yù)應(yīng)力工程施工過程優(yōu)化研究

王 瓊1，牛萬(wàn)芬2

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

通過Midas-FEA有限元分析系統(tǒng)對(duì)沌口互通式立體交叉主線橋左幅24#蓋梁預(yù)應(yīng)力工程施工過程進(jìn)行優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)對(duì)大懸臂蓋梁預(yù)應(yīng)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(zhì)量，而且可大幅縮短工期以及設(shè)備占用時(shí)間。

蓋梁；預(yù)應(yīng)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(zhǎng)懸臂的蓋梁共88座，長(zhǎng)懸臂且非對(duì)稱蓋梁有46座。有88座蓋梁一側(cè)懸挑跨度達(dá)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(shè)計(jì)要求，預(yù)應(yīng)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(shí)間跨度大，資源占用時(shí)間長(zhǎng)，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(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)大。施工現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)除了地面作業(yè)外，還需搭設(shè)高支架進(jìn)行高空作業(yè)；施工時(shí)不能封閉施工現(xiàn)場(chǎng)，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(lái)挑戰(zhàn)。為了縮短工期，節(jié)省人力物力，需要對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行優(yōu)化研究，尋求一種經(jīng)濟(jì)合理，安全可靠的蓋梁預(yù)應(yīng)力工程施工方案。

2　數(shù)值建模

橋梁結(jié)構(gòu)體積龐大，在研究中很少進(jìn)行實(shí)際結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，而采用大型仿真模擬軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力和位移分析，不僅可以在施工前預(yù)知結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)段以及大概破壞情況，還可避免試驗(yàn)中外界因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，達(dá)到對(duì)試驗(yàn)的真實(shí)模擬。Midas-FEA是土木工程專用非線性細(xì)部分析有限元軟件。可用于線性靜力分析、特征值分析、動(dòng)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(shù)［1，2］。

本研究采用Midas-FEA有限元分析系統(tǒng)，對(duì)沌口互通結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力鋼筋單元，最大程度的模擬真實(shí)實(shí)體。設(shè)計(jì)文件給定的張拉控制應(yīng)力為1 302 MPa。依據(jù)設(shè)計(jì)文件計(jì)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(shè)計(jì)文件工況下蓋梁的整體位移云圖、混凝土應(yīng)力云圖、普通鋼筋應(yīng)力云圖和預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力云圖。其中位移向上↑為+，向下↓為-；主應(yīng)力拉為+，主應(yīng)力壓為-。

3　所有預(yù)應(yīng)力鋼筋一次張拉數(shù)值分析

蓋梁施工完成后，所有預(yù)應(yīng)力鋼筋一次張拉，此時(shí)蓋梁承擔(dān)自重G1和所有預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉力。

3.1數(shù)值模擬結(jié)果

蓋梁的整體位移云圖見圖1，混凝土應(yīng)力云圖見圖2，普通鋼筋應(yīng)力云圖見圖3，預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力云圖見圖4。

從以上計(jì)算結(jié)果可知，如將所有預(yù)應(yīng)力筋一次張拉100%的應(yīng)力，并且蓋梁承擔(dān)自重G1時(shí)，外表面混凝土的應(yīng)力達(dá)到7.22～8.41 MPa，此時(shí)混凝土早已開裂，裂縫將延伸至蓋梁內(nèi)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(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖3　一次張拉普通鋼筋應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖4　一次張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力云圖（單位：MPa）

3.2外表面混凝土及梁內(nèi)混凝土應(yīng)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(yīng)力分布情況。從梁墩交界處向上分六層，從外向內(nèi)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(diǎn)內(nèi)力的大小變化情況，見圖5～圖7，來(lái)初步判斷裂縫的最大深度。

圖5　混凝土表面應(yīng)力的分布情況（單位：MPa）

圖7　距離混凝土表面40 cm應(yīng)力的分布情況（單位：MPa）

圖5～圖7縱坐標(biāo)為應(yīng)力（單位MPa），橫坐標(biāo)為水平位移（單位m）。

由圖5知：表面混凝土應(yīng)力從下至上分布不均勻，最大應(yīng)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(yīng)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(yīng)力分布在2.0～3.5 MPa范圍。綜合分析，所有預(yù)應(yīng)力筋一次張拉時(shí)，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(yù)應(yīng)力筋張拉完畢，不能保證施工質(zhì)量，將會(huì)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(duì)施工過程進(jìn)行優(yōu)化。

4　施工過程優(yōu)化

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

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

（2）采用抗拉強(qiáng)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(duì)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(yù)應(yīng)力鋼筋一次張拉，此時(shí)蓋梁承擔(dān)自重G1和所有預(yù)應(yīng)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(nèi)間距分別為15 cm 和20 cm。蓋梁施工完成后，所有預(yù)應(yīng)力鋼筋一次張拉，此時(shí)蓋梁承擔(dān)自重G1和所有預(yù)應(yīng)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(shè)置直徑12 mm的拉結(jié)筋，橫向間距110 mm，縱向間距150 mm。蓋梁施工完成后，所有預(yù)應(yīng)力鋼筋一次張拉，此時(shí)蓋梁承擔(dān)自重G1和所有預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉力。蓋梁的整體位移云圖見圖8，混凝土應(yīng)力云圖見圖9，普通鋼筋應(yīng)力云圖見圖10，預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)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(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖10　加兩層鋼筋網(wǎng)片普通鋼筋應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖11　加兩層鋼筋網(wǎng)片預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)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(nèi)，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(shè)置直徑12 mm的拉結(jié)筋，橫向間距110 mm，縱向間距150 mm。蓋梁施工完成后，所有預(yù)應(yīng)力鋼筋一次張拉，此時(shí)蓋梁承擔(dān)自重G1和所有預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉力。蓋梁的整體位移云圖見圖12，混凝土應(yīng)力云圖見圖13，普通鋼筋應(yīng)力云圖見圖14，預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)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(shè)計(jì)拌和系統(tǒng)，嚴(yán)格遵守現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(yīng)安裝攪拌機(jī)，邊投料邊攪拌，結(jié)合試驗(yàn)過程，對(duì)混凝土的攪拌程序、攪拌時(shí)間進(jìn)行確定，嚴(yán)格按照混凝土攪拌質(zhì)量參數(shù)執(zhí)行。為保障工程質(zhì)量，在攪拌過程中，對(duì)原材料進(jìn)行稱量記錄，每3個(gè)小時(shí)對(duì)其進(jìn)行一次檢查，對(duì)攪拌計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行效驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土攪拌的全過程控制。最后，在攪拌之后，混凝土設(shè)備進(jìn)行坍落度測(cè)定，整個(gè)時(shí)間控制在30min以內(nèi)[3]。

圖12　加三層鋼筋網(wǎng)片整體位移云圖（單位：mm）

圖13　加三層鋼筋網(wǎng)片混凝土應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖14　加三層鋼筋網(wǎng)片普通鋼筋應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖15　加三層鋼筋網(wǎng)片預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力云圖（單位：MPa）

5.3混凝土應(yīng)力及鋼筋應(yīng)力分析

綜合分析以上模擬結(jié)果，可得一次張拉工況、優(yōu)化方案（一）和優(yōu)化方案（二）的蓋梁與橋墩交界處表面混凝土應(yīng)力與最外層鋼筋應(yīng)力，具體見表1。

表1　表面混凝土應(yīng)力與最外層鋼筋應(yīng)力表

為判斷混凝土開裂裂縫深度，分析了解梁墩交界處混凝土應(yīng)力分布情況。從梁墩交界處向上分六層，從外向內(nèi)分三層，分別為表面、距離表面20 cm、距離表面40 cm。

分析一次張拉工況，優(yōu)化方案（一）及優(yōu)化方案（二）這三種工況下蓋梁與橋墩交界處，從外向內(nèi)的混凝土應(yīng)力值變化情況，見圖5～圖7及圖16～圖21。

圖16　混凝土表面應(yīng)力的分布情況（單位：MPa）

圖17　距離混凝土表面20 cm應(yīng)力的分布情況（單位：MPa）

圖18　距離混凝土表面40 cm應(yīng)力的分布情況（單位：MPa）

圖19　混凝土表面應(yīng)力的分布情況（單位：MPa）

圖20　距離混凝土表面20 cm應(yīng)力的分布情況（單位：MPa）

圖21　距離混凝土表面40 cm應(yīng)力的分布情況（單位：MPa）

優(yōu)化方案（一）：在蓋梁與橋墩交界添加兩層鋼筋網(wǎng)片，混凝土應(yīng)力見圖16～圖18。

優(yōu)化方案（二）：在蓋梁與橋墩交界添加三層鋼筋網(wǎng)片，混凝土應(yīng)力見圖19～圖21。

圖16～圖21縱坐標(biāo)為應(yīng)力（單位MPa），橫坐標(biāo)為水平位移（單位m）。

由前述圖表比較得到，一次張拉工況混凝土應(yīng)力在距離混凝土表面40 cm的面上達(dá)到其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；優(yōu)化方案（一），混凝土應(yīng)力在距離混凝土表面20～40 cm的面上達(dá)到其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；優(yōu)化方案（二），混凝土應(yīng)力在距離混凝土表面20 cm的面上達(dá)到其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

6　施工各階段中蓋梁混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

為了進(jìn)一步比較一次張拉方案與優(yōu)化方案（一）和優(yōu)化方案（二）在橋梁施工各階段中蓋梁混凝土結(jié)構(gòu)表面處、距離表面20 cm處、距離表面40 cm處應(yīng)力的大小，對(duì)以下七種工況進(jìn)行數(shù)值模擬研究：

一次張拉工況：蓋梁自重G1，預(yù)應(yīng)力筋一次張拉，在蓋梁與橋墩交界處不添加鋼筋網(wǎng)片；

工況（一）：蓋梁自重G1，預(yù)應(yīng)力筋一次張拉，在蓋梁與橋墩交界處添加兩層鋼筋網(wǎng)片；

工況（二）：蓋梁G1+小箱梁G2，預(yù)應(yīng)力一次張拉，在蓋梁與橋墩交界處添加兩層鋼筋網(wǎng)片；

工況（三）：蓋梁G1+小箱梁G2+二期荷載G3，預(yù)應(yīng)力一次張拉，在蓋梁與橋墩交界處添加兩層鋼筋網(wǎng)片；

工況（四）：蓋梁自重G1，預(yù)應(yīng)力筋一次張拉，在蓋梁與橋墩交界處添加三層鋼筋網(wǎng)片；

工況（五）：蓋梁G1+小箱梁G2，預(yù)應(yīng)力一次張拉，在蓋梁與橋墩交界處添加三層鋼筋網(wǎng)片；

工況 （六）：蓋梁G1+小箱梁G2+二期荷載G3，預(yù)應(yīng)力一次張拉，在蓋梁與橋墩交界處添加三層鋼筋網(wǎng)片。

經(jīng)計(jì)算分析各種工況下，混凝土應(yīng)力情況見表2。

表2　各施工工況下混凝土應(yīng)力　N/mm2

分析一次張拉工況與工況（一）和工況（四）可知：蓋梁與橋墩交界處加兩層鋼筋網(wǎng)片或加三層鋼筋網(wǎng)片，與不加鋼筋網(wǎng)片情況相比，可以有效的減小混凝土表面及其內(nèi)部的拉應(yīng)力。

分析工況（二）和工況（五）或工況（三）和工況（六）可知：加三層鋼筋網(wǎng)片效果比加兩層鋼筋網(wǎng)片效果好。

7　結(jié)　語(yǔ)

研究通過Midas-FEA有限元分析軟件對(duì)沌口互通結(jié)構(gòu)受力最不利的左幅24#蓋梁預(yù)應(yīng)力工程施工過程進(jìn)行優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)蓋梁預(yù)應(yīng)力筋一次張拉并且在蓋梁與橋墩交界處添加三層鋼筋網(wǎng)片，可大幅度縮短工期以及設(shè)備占用時(shí)間，節(jié)省人力物力，可為類似工程提供借鑒。

［1］桂滿樹，高德志，姜毅榮，等.Midas FEA操作指南與基本例題［Z］.北京：北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.

［2］徐芝綸.彈性力學(xué)簡(jiǎn)明教程［M］.北京:高等教育出版社，2002.

U445

B

1009-7716（2016）07-0190-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.055

2016-03-11

王瓊（1985-），男，湖北武漢人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。