先张法框架式预应力张拉台座的设计

曹武宾

摘要：先张法框架式预应力张拉长线台座可一次对多片梁板的预应力筋进行下料和张拉，具有工效高、预应力筋损耗少、张拉应力均匀、安全可靠的优点。虽然前期投入稍大，但对于预制梁板数量多、工期紧张的工程仍有其经济合理性。

框架式台座设计的主要内容是传力柱和固定横梁截面尺寸的拟定。本文通过工程实例，介绍了先张法框架式张拉台座的设计思路。

关键词： 先张法框架式台座设计

中图分类号： S611文献标识码： A

框架式预应力张拉台座主要利用柱和横梁组成框架，为预应力张拉设备提供反力，实现对预应力筋的张拉。横梁和柱的设计就成了框架式张拉台座设计的主要内容，如下图所示：

现以实例来说明先张法框架式预应力张拉台座的设计过程。

1、工程概况

我单位施工的桂林至梧州高速公路钟山至马江段第5合同段段内共有桥梁七座，其中大桥1座，中桥3座，小桥3座，上部构造的主要任务为320片20m和84片16m先张法预应力空心板梁的预制和架设。

2、预应力张拉台座的设计

为了加快施工进度，要求每槽每次可对4片20m梁或5片16m梁的预应力筋进行下料和张拉。根据预应力筋的工艺要求，槽宽取1.6m，槽长取86.46m。由于预应力筋张拉后需等混凝土强度达到设计强度的80%才可放松，若只设一道张拉槽需等待较长时间才能进行下一批次张拉，造成窝工。根据施工进度的要求和场地情况，共设5道张拉槽，以保证在上一槽梁板的预应力筋放松前进行下一槽梁板的预应力张拉和混凝土浇注。

2.1 受力分析

根据设计图纸说明：中梁的预应力筋为14根，边梁的预应力筋为15根，张拉控制应力σk=1395Mpa，品质证明书中预应力钢绞线公称截面积Ag=140mm2。

1根预应力筋的最大张拉力Pj=σk·Ag=1395×140=195.3KN

14根预应力筋的最大张拉力Pk=nPj=14×195.3=2734.2KN

15根预应力筋的最大张拉力Pk=nPj=15×195.3=2929.5KN

故张拉预应力筋所需的最大反力P=2929.5KN

整体张拉端（千斤顶端）受力分析

一片边梁的15根预应力筋在设计满荷状态下通过移动横梁、丝杆和千斤顶将其张力P传递给了固定横梁和传力柱。由于工字钢横梁与传力柱焊接在一起，且丝杆在横梁中点两侧对称布置，故可将固定横梁的受力简化为在两个对称集中荷载P/2作用下的固端梁。见固定横梁受力简图Ⅰ：

固端剪力QA=QB==2929.5/2=1464.75 KN

设横梁总长为l，一个集中力与一侧固定端距离a，与另一固定端距离为b，则由结构力学知识，固定横梁和传力柱连接处的固端弯矩:

MA=MB

=+===

==308.971 KN.m

横梁在两丝杆之间的弯矩为

MP=－=（1－）=

==57.217 KN.m

锚固端受力分析

横梁和传力柱之间的作用力为P/2，而横梁由两根工字钢组成，故每根工字钢受到传立柱的反力为P/4。由于15根预应力筋的分布宽度c=0.9m，则相邻两根预应力筋的间距d=。又因为15根预应力筋对称分布，故可将锚固端横梁的荷载看做由1个作用于跨中的预应力筋拉力Pj 和两侧7对预应力筋拉力7×2Pj组成。见固定横梁受力简图Ⅱ：

固端剪力QA=QB==2929.5/2=1464.75 KN

参照整体张拉端的固端弯矩

MA=MB=

对7对对称的集中力Pj，上式中的

FP=Pj，a=an=-nd，b=bn=+nd（n=1,2,3……7）

则7对对称的预应力筋拉力Pj引起的固端弯矩

M14A=M14B====-

1根作用在跨中的预应力筋拉力Pj引起的固端弯矩M1A=M1B=

15根预应力筋引起的固端弯矩

MA=MB=M1A+M14A=M1B+M14B

=-+=-=515.278 KN.m

固定横梁的跨中弯矩为

MP=-MA=326.953 KN.m

移动横梁受力分析

移动横梁的荷载分布与锚固端固定横梁的荷载分布相同，不同的是两种横梁的长度。其固端剪力和弯矩可仿照锚固端横梁的算法：

固端剪力QA=QB==2929.5/2=1464.75 KN

15根预应力筋引起的固端弯矩

MA=MB=-=300.084 KN.m

移动横梁的跨中弯矩为

MP=-MA=175.96 KN.m

由以上计算看出，在不同的荷载分布情况下，固定横梁和移动横梁的固端弯矩和剪力均大于跨中弯矩和剪力。故在选择横梁的截面尺寸时，以各自的固端弯矩和固端剪力作为强度验算的极限值。

2.2 横梁的选材和截面尺寸拟定

工字钢具有承载能力强、刚度大、稳定性好等优点，而公路钢桥常用的16Mn钢具有强度高（弯曲应力容许值[σw]=210MPa，剪应力容许值[τ]=120MPa），塑性、韧性（E=210GPa）比较适宜和可焊性良好等优点，故选取16Mn低合金工字钢作为横梁。

整体张拉端固定横梁截面尺寸的拟定和强度、刚度验算

由截面弯曲应力控制条件σw=≤[σw]，得

每根工字钢的截面系数W≥===736cm3

为使丝杆能在固定横梁中自由伸缩移动，且对工字钢的偏心距较小，应使用翼板宽度略大于丝杆直径（10cm）的两根工字钢组合而成。查型钢表，选取32c型热轧普通工字钢：

截面最大剪应力

τmax====202.65 MPa

＞1.25[τ]=150MPa

说明固端剪力作用下，32c型工字钢截面剪应力不满足16Mn钢强度要求。

由截面剪应力控制条件τmax==≤1.25[τ]，得

d≥==18.2mm

查型钢表，最大型号的63c型工字钢的腹板厚度也只有17mm。要使剪应力满足强度条件，需增加32c型工字钢腹板厚度。

工字钢截面惯性矩I=-

工字钢半截面静矩S=-

取d=20mm，及32c工字钢的其余已知尺寸代入I、S计算式，得

I=13421.38cm4，S=516.775cm3，I/S=25.97cm

将d=20mm和I/S=25.93cm代入强度条件，得

τmax===141.0 MPa＜1.25[τ]=150MPa，

剪应力满足强度要求。

刚度验算：

固定横梁的最大挠度fmax=-=-=-0.04mm＜2mm

刚度满足要求。

移动横梁截面尺寸的拟定和强度、刚度验算

根据受力分析，移动横梁的固端剪力和整体张拉端固定横梁固端剪力相等，而固端弯矩稍小于整体张拉端固定横梁，故采用和整体张拉端固定横梁相同的32c型工字钢（腹板加厚6.5mm），不再进行强度验算，只验算其刚度。

移动横梁的最大挠度fmax==-0.6mm＜l/600=1.8mm

刚度满足要求。

以上计算表明，为使32c工字钢满足强度和刚度条件，需将其腹板加厚为20mm，选取厚度为6.5mm，宽度为290mm的16Mn钢板紧贴在腹板一侧焊接即可。

锚固端固定横梁截面尺寸的拟定和强度、刚度验算