U型梁预应力筋张拉次序对受力性能影响的有限元分析

张 程

(中铁二十四局集团有限公司轨道交通分公司，上海 200071)

1 概述

对预应力混凝土构件而言，预应力钢筋过程中，各预应力钢筋间相互影响。目前多基于施工经验及结构特点确定张拉的先后顺序，但这种方法无法准确确定张拉时结构的受力状态；基于此，有必要通过有限元计算确定合理的张拉顺序。大跨预应力混凝土箱形梁桥普遍采用后张拉技术，在桥梁施工中的预应力张拉工艺又是影响结构承载性能的重要因素。因此，有必要对不同预应力张拉顺序对结构应力和变形的影响进行研究。

青岛蓝色硅谷城际轨道交通工程07标土寨河站—蓝色硅谷站区间，跨问海路采用了跨度为30 m+45 m+30 m连续U型梁(J176～J179)，并在国内首次采用了现浇U梁的方法。该U型梁的典型断面如图1，图2所示，立面如图3所示。现浇三跨连续U型梁端部支点处梁高为2.04 m,中间支点处梁高为3.2 m，标准段的梁高为1.84 m，中间支点两侧变高段处梁高为2.04 m～3.2 m。等宽梁上开口处宽11.2 m，底板处厚0.3 m，边腹板处厚为0.3 m～0.4 m(跨中～支点)，中间腹板厚为0.4 m～0.5 m(跨中～支点)。

三跨现浇连续U型梁因中支点两侧为变截面，在施工过程中模板数量众多，布置形式复杂。本文将利用Midas civil结构分析软件对三跨连续U型梁在实际施工中由于张拉次序不同而引起的问题进行分析计算。研究在预应力张拉过程中应力和变形的情况，为施工控制提供参考。

2 三跨现浇连续U型梁浇筑过程介绍

本工程U型梁混凝土分二次进行浇筑[3]，先浇筑A段，并在张拉完A段预应力筋后再浇筑B段，随后张拉B段预应力，最后完成封锚并拆除支架。A段浇筑顺序：边腹板→中腹板→底板，并分6层对称浇筑。B段浇筑顺序：底板→腹板→顶板，并分4层对称浇筑，见图4，图5。

3 有限元模型

3.1 参数及模型

使用Midas civil进行结构分析时，混凝土强度按设计取值，材料重度取为25.0 kN/m3，预应力筋与管道间摩阻系数为μ=0.315 8，管道偏差系数k=0.001 5。据实测资料，环境湿度为70%[4]。

模拟时采用梁单元[5]，如图6所示。边界条件为两端简支，只考虑自重和预应力,不考虑二期恒载和活载。通过扣除预应力损失计算有效预应力，其损失主要包括传力锚固时的损失与传力锚固后的损失[6]。本次计算主要考虑传力锚固时引起的损失，包括：预应力筋与管道间摩擦引起损失、混凝土弹性压缩引起损失及锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的损失。

3.2 计算工况

在Midas civil计算时，通过荷载组施加钢束的预应力荷载，通过将荷载组设置为不同施工阶段来实现预应力钢束的不同张拉次序[7]。本次主要对以下两种张拉次序进行分析:

1)同步张拉。初张拉：N1-N2-N3-N4-N5-N6-N7-N8-N9-N10多点同步张拉至设计值；终张拉：N1～N10中10束钢筋多点同步张拉至控制应力。

2)单根张拉。其张拉次序为：分别张拉N1,N2,N3,N4,N9，然后对计算结果(最大正弯矩、最大负弯矩、最大竖向位移、最大剪力等)进行对比分析，依据计算结果选择第一根张拉的预应力筋；并在此基础上进行第二批预应力筋的张拉，并按照前面的分析程序对计算结果进行对比分析，确定第二根张拉的预应力筋；然后依次确定预应力筋的张拉次序。图7是三跨U型连系梁横截面上10根预应力筋的位置及编号。

4 计算结果与分析

4.1 变形结果分析

图8给出了10根预应力筋同步张拉后的位移图，由图8可以看出：最大变形位于边跨跨中(图中箭头标注处)，最大位移(挠度)为0.134 mm。

图9给出了15个施工段下的位移图，由图9可以确定最佳的张拉次序。

单从变形来看，不管是同步张拉还是按次序单独张拉，最大变形均发生在边跨的跨中，边跨跨中节点的竖向、纵向变形在单独张拉时最大，而同步张拉时较小。横向变形在同步张拉、单独张拉时始终为零。边跨跨中节点竖向变形在采用单独张拉工序时较大并随施工阶段的变化有较大的波动,混凝土梁体有可能产生比较大的预应力损失，见表1。

表1 跨中节点在张拉完毕时的变形

4.2 应力结果分析

图10给出了10根预应力筋同步张拉后的正应力图，由图10可以看出：最大正应力位于中间跨跨中区域，最大正应力为731 MPa。最大拉应力位于中间跨跨中区域，最大拉应力为731 MPa；最大压应力为10 704 kPa，出现在边跨支座处。

图11给出了单独张拉情况下得到的合理张拉次序的应力图。

在单独张拉的前提下，通过对不同的张拉次序进行模拟分析，确定了比较合理的张拉次序，在合理的张拉次序分析结果中，单独张拉的最大拉应力为534 kPa，最大拉应力位于中间跨跨中区域；最大压应力为5 670 kPa，最大压应力位于边跨支座处。

图12给出了15个施工段下的正应力图，由图11可以确定最佳的张拉次序。从图12我们可以看到，当依次张拉梁底板上的预应力筋N1，N2,N3，N4时，正应力值越来越大，但是如果同时张拉翼缘上的预应力筋N9时，正应力值就会相对减小。因此张拉次序的不同，对梁单元应力的变化也有很大的影响。

相比较同步张拉，单独张拉完成时的正应力比较大，对梁体造成的预应力损失大。所以较合理的张拉顺序是同步张拉。

5 结语

青岛蓝色硅谷城际轨道交通工程07标的三跨现浇连续U型梁采用预应力混凝土，对混凝土的裂缝要求较高[8]。本文利用Midas civil软件对三跨现浇U型梁施工期间的预应力张拉进行了有限元分析，通过分析得到如下结论：1)张拉次序对变形、应力及预应力损失均有较大影响，建议施工过程通过计算分析确定合理的张拉次序。2)预应力在同步张拉时损失最小。