边墩预应力加固技术在托架现浇段施工中的应用

王 禹，周顺华，沈清卫，费志高

（1.中交一公局厦门工程有限公司 厦门市 361000；2.同济大学城市轨道与铁道工程 上海市 200000）

边墩预应力加固技术在托架现浇段施工中的应用

王 禹1，2，周顺华2，沈清卫1，费志高1

（1.中交一公局厦门工程有限公司 厦门市 361000；2.同济大学城市轨道与铁道工程 上海市 200000）

根据预应力原理及托架施工经验，在墩柱受拉侧施加预应力，并利用midas FEA软件对过渡墩在边跨现浇段施工期间承受预应力及外部荷载时的受力特性进行分析，以期合理解决由于偏压对墩柱造成开裂的不利影响，保证施工质量，降低施工成本。

高墩；托架；偏压；预应力

1 引言

连续刚构桥本身具有良好的跨越性能，因此在山区高速公路建设中有着广泛的应用。在设计时根据受力及构造要求，划分了零号块、悬臂浇筑段、边跨现浇段。但由于地处高山峻岭，地势陡峭，其墩柱相对较高，在进行边跨现浇段施工时往往就需要搭设较高的落地钢管支架，而搭设钢管支架本身就相对困难，且钢材用量较多，以至于增加施工成本。现在相对经济的做法是采用托架施工，但由于边跨现浇段本身较其他节段较重，且施工期间由于过渡墩另外一侧T梁未架设，极容易造成墩柱偏载，致使墩柱产生裂缝。为消除墩柱的偏载不利影响，通过在过渡墩受拉侧预埋精轧螺纹钢筋施加预应力，保证墩柱施工期间墩身最外侧边缘不产生拉应力，以避免裂缝的产生，待边跨合拢段施工结束后，进行放张处理。本文利用midas FEA建立有限实体单元模型，对过渡墩施工期间的受力性能进行仿真分析，以期检验施加预应力的效果及更好地指导施工，降低施工成本。

2 工程简介

磨石溪特大桥［1］位于酉阳县铜鼓乡铜鼓村磨石溪附近，距县城约21km，桥轴线与磨石溪呈约64°角斜跨磨石溪溪沟，设计为分离式双幅桥。主桥采用分离式单箱单室截面连续刚构，其跨径布置为（98+180+98）m，引桥采用40m预制T梁。墩顶0号梁段长12.0m，其中两边各外伸2.0m。两“T”构悬臂节段划分为21个梁段，边中跨对称设置。梁段长度从根部至跨中分别为4×3.0m、4×3.5m、3× 4.0m、10×4.5m，累计悬臂总长为83m，如图1。边跨现浇梁段箱顶板宽度为12m，底板宽6.6m，箱悬臂长2.7m，长度为6.84m。上部箱梁采用双悬臂挂篮逐块对称现浇施工，边跨现浇段采用托架施工，托架结构，如图2。

3 预应力施加原理

根据材料力学［2］中有关截面核心概念，假设有一个矩形截面偏心受压构件如图3。外力N作用在矩形截面上，其在Y向偏心，偏心距为e，则作用于过渡墩截面上的等效外力为轴力N、弯矩M=N·e。在不考虑钢筋的作用下，过渡墩截面可视为匀质截面，等效外力在Y向边缘截面产生的应力σ由式（1）进行计算

式中：σ1—最大应力；

σ2—最小应力；

N—轴力；

A—截面面积；

M—截面弯矩；

y—截面外侧边缘至中性轴的距离；

Ix—截面X轴惯性矩。

对于混凝土来说，其抗拉强度较弱，当截面出现拉应力时，容易导致截面开裂，这是我们不希望的，为保证截面不产生裂缝，则截面边缘最大应力应满足式（2）的要求。

式中：M=N·e

即当偏心距e满足式（3）时，截面边缘不会产生拉应力。

过渡段截面构造尺寸如图4。经计算得截面特性如下：

面积A=98999.9965cm2

周长s=3473.2380cm

惯性矩：Ix=2178949847.3407cm4

根据上述各项计算结果，带入式（3）有

4 预应力筋数量估算

过渡墩在边跨现浇段施工过程中除承受自重外，还有边跨现浇段传递的竖向荷载N1、预应力筋传递的竖向力N2。其受力计算图示如图5。

经计算，过渡墩截面等效作用M=（12213.2-1.75 N2）kN·m，N=（3987+N2）kN。其中N2大小应满足式（4）的要求，即

单根Φ32mm精扎螺纹钢抗拉强度设计值［3］fpk=785MPa，锚下控制应力σcon=0.93fpk= 706.5MPa，则单根螺纹钢预应力Np=706.5× 3.14×32×32/4=567.9kN。故需要预应力筋数量为2746.5/567.9=4.8，取5根精轧螺纹钢即可满足要求。

5 预应力筋预埋范围

5.1模型建立

利用FEA建立实体单元模型，墩高70m，单元边长控制小于30cm，见图6。不考虑普通钢筋的作用，视混凝土为各向同性材料，其本构模型［4］选择弹性模型，在墩柱底面进行固结。

5.2模型荷载

混凝土容重按26kN/m3进行加载。为了避免应力集中造成应力失真，根据圣维南原理［5］，载荷的具体分布只影响载荷作用区附近的应力分布，对于远离载荷的部分，应力不受影响，因此对外部集中力荷载按面荷载进行加载，但保证面荷载合力及力矩与原荷载保持一致。对于竖向荷载加载在墩帽顶面长10.9m、宽2m的平面上，其大小为0.18MPa；对于水平荷载按托架实际作用位置加载在长0.35m、宽0.15m的立面上，其大小为25.1MPa。

5.3计算结果

沿Z轴方向正应力等值线图如图7。根据计算结果可知墩身截面在荷载标准组合作用下拉应力达到0.94MPa，墩身截面会产生裂缝；压应力达到13.2MPa，小于C40混凝土（墩身混凝土采用C40）允许压应力26.8MPa，混凝土抗压能够满足要求。

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5.4数据整理分析

对墩身受拉侧边缘竖向正应力数据进行整理得到Z向边缘正应力与墩高关系曲线图，见图8。从图8可以看出，墩帽顶至墩高39m范围内出现拉应力，故应在此范围内预埋精轧钢施加预应力，以消除偏压对墩柱造成的不利影响。

6 施加预应力效果

6.1建立模型

利用前面已建的过渡墩模型［6-7］，将5根直径32mm的精轧螺纹钢植入，同时对植入钢筋单端施加预应力，其值为700MPa。精轧钢进行交错布置，长短相差15m，植入钢筋模型见图9。其余荷载及边界条件同前。

6.2计算结果

加固后沿Z轴方向正应力等值线图如图10。根据计算结果可知墩身截面在荷载标准组合作用下拉应力达到0.3MPa，但没有出现在墩身截面；压应力达到13.1MPa，与前面分析一致，都出现在托架水平力加载处，与实际相符。

6.3数据整理分析

对墩身加固边缘竖向正应力数据进行整理得到Z向边缘正应力与墩高关系曲线图，见图11。从图11可以看出，墩顶至墩底范围内出现3处应力突变，第一处是因为墩帽与墩身截面特性变化所致；第二处是因为墩身中减少了2根预埋精轧钢，总预应力被消减所致；第三处是因为墩身中无预埋精轧钢，预应力消失所致。但由于在整个墩身截面Z向正应力都为负值，即全为压应力，达到了预期的抗裂目标。

7 结束语

（1）通过以上计算分析可知，在过渡墩受拉侧施加预应力是确实可行的，能有效消除过渡墩在边跨现浇段施工期间，由于偏压产生裂缝的不利影响，保证了墩身施工质量。

（2）在过渡墩受拉侧施加预应力，解决了过渡墩在用托架施工时，由于T梁未架设，墩顶面承受边跨现浇段不对称荷载，容易造成墩身开裂的问题，弥补了托架施工的不足之处，充分发挥了托架的优势，节约钢材，降低施工成本。

（3）本方法简单易行，能有效地指导施工，也为以后类似工程施工提供借鉴作用。

［1］ 招商局重庆交通科研设计院.酉阳至沿河（重庆段）高速公路工程第二合同段施工图设计［Z］.重庆：招商局重庆交通科研设计院，2012.

［2］ 刘鸿文.材料力学［M］.4版.北京：高等教育出版社，2003.

［3］ 中华人民共和国交通部.JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［4］ 北京迈达斯技术有限公司.MIDAS/FEA分析与计算原理［M］.北京：北京迈达斯技术有限公司，2001.

［5］ 陈新孝，牛荻涛，王学民.锈蚀钢筋混凝土压弯构件的恢复力模型［J］.西安建筑科技大学学报，2005，37（2）：155-159.

［6］ 朱伯龙，张琨联.矩形及环形截面压弯构件恢复力特性的研究［J］.同济大学学报，1981，9（2）：1-10.

［7］ 刘瑛.粘钢加固梁柱试验及非线性分析方法研究［D］.青岛：中国海洋大学，2006.Application of Prestress Reinforcement Technology of Abutment Pier in the Construction of Cast-in-situ Section of Bracket

WANG Yu1，2，ZHOU Shun-hua2，SHEN Qing-wei1，FEI Zhi-gao1

（1.CCCC First Highway Xiamen Engineering Co.，Ltd.，Xiamen 361000，China；2.School of Transportation Engineering，Tongji University，Shanghai 200000，China）

According to prestress principle and bracket construction experience，prestress is imposed at tension side of pier stud，and analysis on mechanical characteristic of transition pier under prestress and exterior load during the construction period of cast-in-situ section of side span is made by utilizing midas FEA software，so as to reasonably solve adverse effect of biasing on cracking of pier stud to ensure the construction quality and reduce the construction cost.

High pier；Bracket；Biasing；Prestress

U445

B

1673-6052（2016）01-0005-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.002