轨道盖梁预应力施工方案优化研究.pdf

・桥涵工程・轫遒盖梁预应力旋工方案优化研究王鹏１王卉２（１．中铁十一局集团有限公司武汉４３００６２；２．中交第二公路勘察设计研究院有限公司武汉４３００５６）摘要预应力结构施工过程和结构完成会呈现出不同的受力状态，针对在多个施工阶段、多个荷栽作用下的大型盖梁在一个施工阶段完成全部张拉会出现拉力超标现象，通过分析施工阶段荷栽情况和预应力布置，采取分阶段分批张拉预应力的方式对预应力施工进行优化，从而避免出现施工过程中的超标现象，达到受力状态更优的目的。关键词施工阶段盖梁预应力张拉方案优化中图分类号Ｕ４４５．４文献标识码Ａ——文章编号１００９４５３９（２０１５）０５０００１一０４ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＰｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＳｃｈｅｍｅｆｏｒＲａｉｌＢｅｎｔＣａｐＷａｎｇＰｅｎ９１，ＷａｎｇＨｕｉ２（１．ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１”１ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ４３００６２，Ｃｈｉｎａ；２．ＣＣＣＣＳｅｃｏｎｄＨｉｇ｝１ｗａｙＣｏｎｓｕｌｔａｎｔｓＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ４３００５６，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＤｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｕｓｅｓｗｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｔａｇｅａｎｄｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎｆｏｒｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｅｎｓｉｏｎｓｔｒｅｓｓｗａｓｅｘｃｅｅｄｉｎｇｗｈｅｎａｌｌｔｅｎｓｉｏｎｗｅｉ＇ｅｃｏｍｐｌｅｔｅｄｉｎｏｎｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｔａｇｅｆｏｒｌａｒｇｅｂｅｎｔｃａｐｗｉｔｈｍｕｌｔｉ－ｌｏａｄｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙ．ｓｉｓｏｆｌｏａｄｓｔａｔｅａｎｄｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄｌａｙｏｕｔ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｗａｓｔａｋｅｎｔｈｒｏｕｇｈｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇｐｒｅｓｔｒｅｓｓｂｙｓｔａｇｅｓａｎｄｉｎｂａｔｃｈｅｓ，ｔｈｕｓｔｈｅａｐｐｅａｒａｎｃｅｏｆｅｘｃｅｅｄｉｎｇＷａｓａｖｏｉｄｅｄａｎｄｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｂｅｔｔｅｒｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅＷａｓａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｔａｇｅ；ｂｅｎｔｃａｐ；ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄｔｅｎｓｉｏｎ；ｓｃｈｅｍｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ１工程背景新加坡轨道交通大士西延长线ＥＷ３３车站共１０条盖梁，其中３条为预应力盖梁。预应力盖梁长约４０ｍ，采用三点支撑，一侧悬臂。盖梁在成桥前主要有节段梁、车站房间和钢屋顶、装修铺装等产生的荷载作用，且这些荷载出现的时间跨度大。设计标准采用英标和新加坡轨道交通业主的规定¨≈ｏ。但设计方的图纸只提供概念设计，基本不考虑施工性。而如此巨大、复杂的预应力结构，其施工过程远比成桥状态要复杂得多。２设计要点２．１结构信息车站盖梁平面和立面图如图ｌ和图２所示。车站盖梁全长约３１ｍ，高度３．２ｍ左右，宽度３．５ｍ，最大悬臂长度１１．７ｍ。在盖梁上要架设列车轨道梁，月台层之上还有一层车站建筑，因此在盖梁上施工墩柱后进行上层建筑施工，出人口也是坐落在盖梁上。车站建筑结构完成后，车站的钢屋顶进行安装，其支点在盖梁结构上。图１轨道盖梁平面示意一一宵吖商刁诞可斟ＵⅥＵ吲可／／‘ＵＵ！蚓Ｕ５０Ｕ１２５００Ｌ５０５０ＵＬＵ５００—收稿日期：２０１５０３～１６铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳ丁只ＵＣ刀０～ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５ｆ５Ｊ６５０图２轨道盖梁立面示意ｌ万方数据・桥涵工程・２．２荷载和施工阶段车站部分和盖梁相关的施工阶段主要包括盖梁现浇、预应力张拉、轨道梁整孔架设、车站和出入口施工、钢屋顶安装。各阶段荷载如表１所示。表１各施工阶段荷载施工盖梁预应力架梁柱子和出人口钢屋顶安装阶段现浇张拉荷载集度预应力集中荷载集中荷载集中荷载形式荷载盖粱２点：１３５０ｋＮ１点：１２６５ｋＮ大小自重张拉力２点：１２６５ｋＮ２点：２３５０ｋＮ１点：３７９０ｋＮ各阶段集中荷载布置如图３所示。图３分阶段荷载示意２．３预应力布置及设计参数２．３．１盖梁预应力布置（见图４～６）图４预应力平面布置示意图５预应力立面布置示意９争孓⑨。⑩。④。≯⑦。Ｉ。＠④ｏ④ｏｃｐ⑨ｏｏ＠。ｏ／图６预应力端部布置示意２．３．２预应力参数盖梁预应力采用体内粘结预应力，每孔３ｌ束，张拉控制力为６０６２ｋＮ，单束预应力截面积１４０ｍｍ２，孔道内径１２０ｍｍ，采用单端张拉。管道摩擦系数０．３，每米偏差系数０．００３。３主要设计缺陷按照原设计要求在盖梁浇筑完成７ｄ后进行张拉，张拉顺序按照从外向内对称张拉，首先张拉图６中的１、４、１０、１４，然后张拉２、３、１１、１３，再张拉１５、１２，最后张拉７。所有预应力束张拉完成后再进行架梁及上部其他结构施工。对这种施工顺序进行模拟分析后发现，在最终施工完成阶段，截面应力均在标准要求范围内。但在张拉过程中，截面下部拉应力超标。按照英标ＢＳ５４００要求口Ｊ，施工过程中Ｃ５０混凝土拉应力不得超过２．５ＭＰａ，但经计算，当张拉所有预应力束后，尚未进行架梁和上部结构施工时，应力已达到７ＭＰａ。即便对原有的张拉顺序进行调整，各种计算结果也相差不大，均超过标准要求。设计院由于仅进行概念设计，对于施工过程中的问题不纳入其分析范围，通过增加额外工作后，设计院给出了分批次张拉方案，但其方案将张拉分为５批，增加了现场施工困难，不能满足施工要求。４优化设计为满足结构要求和施工需求，需要对原有的预应力施工进行优化设计。优化设计考虑施工步骤、预应力批次、每批预应力数量等Ｈ。５Ｊ。由于盖梁端部已涉人道路上空，加之施工周期较长，安全起见，预应力分次张拉不予考虑。４．１施工步骤和张拉批次划分从２．２节的荷载形式以及施工步骤来看，架梁施工阶段的集中荷载合计７４００ｋＮ，上部墩柱、钢屋架集中荷载合计６３２０ｋＮ，荷载大小较为接近；同时从施工步骤来看，前者属于架梁作业，后者属于上部附属施工。因此可以将架梁施工作为单独施工阶段，上部墩柱、钢屋架施工作为一个施工序列。盖梁自重约１２０００ｋＮ，则可将预应力和施工步骤初步划分为３批，如表２所示。表２施工步骤划分批次施工阶段荷载大ｄｘ／ｋＮ１盖粱浇筑１２０００（实际均布荷载）２架梁７４００３上部墩柱及钢屋架６３２０２铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（５１万方数据・桥涵工程・３个施工阶段荷载作用下，对盖梁悬臂部分的影响可根据作用力下产生的变形进行分析，如表３所示。表３不同施工阶段荷载及变形引起盖梁端部施工阶段荷载大小／ｋＮ累加变形／ｎｕｎ盖梁浇筑１２０００（实际均布荷载）６架梁７４００１２上部墩柱及钢屋架６３２０２７４．２预应力分批结合预应力端部分布图和受力特点分析，３排５列分布的预应力对悬臂结构所起的作用以外侧、下侧最明显，但由于张拉力相同，也不会有特别明显的区别。根据张拉顺序对称性基本要求，为防止后张拉束对前面张拉束产生反作用而导致松弛，从图６中可以看出采取从下往上张拉的方式比较合适。以图６中１５、７、１２三根中间束为轴，左右两侧对称。选取在３次荷载作用下对同一截面产生的应力分别如表４所示。表４不同施工阶段荷载的截面应力施工阶段荷载大／ｂ／ｋＮ截面应力／ＭＰａ盖梁浇筑１２０００（实际均布荷载）４．１（拉）架梁７４００５．０（拉）上部墩柱及钢屋架６３２０８．３（拉）由于盖梁浇筑在支架上进行，张拉后即拆除，因此第一批次预应力张拉后应保证消除该截面拉应力，并有足够的压应力储备给第二阶段；同时应保证之后的施工阶段中不会出现超标的拉应力。根据以上原则和要求，利用电算工具进行试算后可对３批预应力进行分批布置，如表５所示。表５预应力分批批次张拉预应力束ｌ２和３、６和８、１１和１３２５和９、１２、１５３１和４、７、１０和１４４．３优化结果按上述施工阶段和张拉批次进行优化后，提取３个批次的预应力张拉后的截面应力。第１批张拉不仅要提供抵消自重产生的作用，防止截面上部出现超标拉应力，还需要储备预应力防止架梁时出现超标拉应力。第一批张拉后最大拉应力为２．４ＭＰａ，满足规范要求。第１批预应力张拉并架设梁段后，盖梁各截面均未出现拉应力，表明第１批张拉能够满足先抵抗盖梁自重，后抵抗架梁自重的要求。第２批张拉主要是储备抵抗墩柱和钢屋架作用的力，若不进行该批次张拉储备，墩柱和钢屋架施工时，盖梁顶部将会出现超标拉应力。第２批张拉会对盖梁底部产生拉应力，最大拉应力２．０４ＭＰａ，满足规范要求。第３批张拉主要抵消墩柱和钢屋顶架设后产生的一些盖梁顶部压力，消除累积变形，并储备后期一些装修工作所产生的荷载以及运营之后的各种长期作用。第３节段张拉后，截面无拉应力，并储备了至少１ＭＰａ的压应力，满足规范要求。和原方案的一次性全部张拉结果对比如图７所示。ＪｌＩＩ－……一一一一．一一．一一一４ＪＪｍＪｌ一．一．．＿１ｌ¨Ｉｌ－ｌｌ【ｌｌ¨Ｊ１７、ｌｒｌｌｉ’Ｊ７、ｌ１．‘，Ｊｌ【ｌ■Ｊ上１／、ｌ，’●一７、ｌ距离，ｍａ．一次性张拉ｎ３ｉｊ９１１３５ｌ：ｌ９二ｌ：ｊ２５２７二ｑ３１距毫ｎ１ｂ．分批张拉图７分批张拉和一次性张拉截面应力对比从图７中可以看出，采用一次性张拉盖梁在２４ｍ左右位置会有超标拉应力，而优化后所有预应力张拉完成后没有出现拉应力，结构受力状态较之前处于更安全状态。从盖梁端部位移来看，当第３批预应力张拉后，铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５ｔ５）３万方数据・桥涵工程・盖梁端部有１ｍｍ向上位移，即整个盖梁结构基本恢复原设计标高。４．４现场施工情况现场按照优化后的预应力施工步骤进行施工，各施工阶段张拉工作按优化后设计进行，经现场观测，未出现顶底板裂纹。目前已完成两阶段施工，现场施工情况如图８、图９所示。—广．１ｒ０、，．！Ｐ，．ｔ鬯图８盖梁第一批图９盖梁第二批次预应力张拉后预应力张拉后５结束语预应力混凝土结构施工过程中的受力状态和最终受力状态往往不同，特别是当设计中没有明确或没有考虑施工过程时，进行施工优化尤为重要。本项目根据当地实际情况，对大型预应力盖梁施工预应力进行了优化，各施工阶段的截面应力均满足规范要求，较原始设计结构受力得到较大改善，预应力施工对施工影响次数少，满足施工需要。在进行这些分析研究工作过程中，得出以下结论：（１）对于多次荷载作用下的预应力结构，应对结构进行施工过程分析，区别施工过程状态和最终状态。（２）若预应力结构最终状态和施工过程状态不同，且施工过程状态不能满足结构受力要求，则应进行施工过程优化。施工优化设计可综合考虑施工步骤、结构受力等因素。（３）进行施工优化时，应分别研究不同施工步骤的荷载对结构的内力、变形影响，然后对各束预应力的作用进行分析，对预应力束进行组合分批。分批原则以满足当前结构受力需要和储备后续阶段需求为主。若情况允许条件下，可以采取分次张拉。参考文献ＬａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔ＆Ａｕｔｈｏｒｉｔｙ．Ｃｉｖｉｌｄｅｓｉｇｎｃｒｉｔｅｒｉａｆｏｒｒｏａｄａｎｄｒａｉｌｔｒａｎｓｉｔｓｙｓｔｅｍｓ［Ｓ］．Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ：ＬＴＡ，２０１０：１－３．ＬａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔ＆Ａｕｔｈｏｒｉｔｙ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆ｗｏｒｋｍａｎｓｈｉｐｓｐ－ｅｃｉｆｌｃａｔｉｏｎｆｏｒｃｉｖｉｌａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｗｏｒｋｓ（ＰＥＤ／ＤＤ／Ｋ９／—１０４／Ａ７）［Ｓ］．Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ：ＬＴＡ，２００７：１３．Ｂｒｉｔｉｓｈ．Ｓｔｅｅｌｃｏｎｃｒｅｔｅａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｒｉｄｇｅｓ．Ｐａｒｔ４：Ｃｏｄｅｏｆｐｒａｃｔｉｃｅｆｏｒｄｅｓｉｇｎｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ—ｂｒｉｄｇｅｓ（ＢＳ５４００４：—１９９０）［Ｓ］．Ｂｒｉｔｉｓｈ：１９９０：４３４４．冯大斌，栾贵臣后张预应力混凝土施工手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２０００：１４１～１４２．陶学康．后张预应力混凝土设计手册［Ｍ］．北京：中国—建筑工业出版社，１９９６：１０６１０７．４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（５１１Ｊ１Ｊ１Ｊ、Ｊ１Ｊｌ２３４５ｒｌｒＬｒｌｒ【ｒＬ万方数据