折线先张法预制工字梁张拉台座结构的数值模拟

王海军, 蒋杨樊, 刘 伟, 谢仔杰, 陈 岭

(1.黑龙江科技大学 建筑工程学院, 哈尔滨 150022; 2.中建八局一公司基础公司, 浙江 宁波 315400)

0 引 言

折线先张法施工技术,集传统先张法与后张法优点于一体,克服传统直线先张法无法在大跨度桥梁结构中应用的弊端,同时避免后张法中预留孔道和穿筋等问题以及灌浆这样一种复杂的技术,从根本上解决了压浆不密的难题,增强了预应力混凝土结构的抗剪能力及耐久性[1-2]。

对折线先张法台座的研究,国内外大量的学者已对此做了诸多研究工作。董建伟等[3]基于Ansys有限元仿真软件,采用DM模块进行参数化台座建模,以台座最大主拉应力最小为优化目标,计算结果采用响应面法拟合为二次多项式,对优化前后台座的力学性能进行分析与比较。崔章超等[4]以折线先张法预应力筋工字梁为研究对象,研究了张拉台座扩建对钢绞线两端张拉机以及混凝土施工工艺的影响。陈丽君[5]结合实际工程问题对大型混凝土简支梁张拉台座的稳定性、抗滑移情况进行了定量分析。Deng等[6]基于凹槽基座和桥墩基座的优势,构建了一种新型的预张拉基座,通过抗倾覆、防滑、工作台抗压、传力板、横梁等承载力分析,优化了新基座。Widianto等[7]折线先张法Bulb-T梁预制施工为背景,研究了折线先张法台座设计过程中张拉端反力系统、转折器和转向架等关键构件。Philipp等[8]依据先张法空心梁施工原理,对先张法张拉台座进行了结构设计,通过张拉台座受力验算,优化结构尺寸。

综上可知,现阶段对于折线先张法张拉台座的研究,主要集中在基于已有台座的基础上进行结构优化或验算其稳定性、抗滑移等情况,大多数学者研究都是针对局部杆件,如传力板、张拉横梁以及转向架等,而对于适用于预制工字梁方面的折线先张法张拉台座相关研究较少,可使用的台座类型较缺乏,因此,笔者针对折线先张法预制工字梁张拉台座进行研究,分析其张拉端结构。

1 张拉台座设计

1.1 工程概况

某在建特大桥引桥上部主梁为折线先张法装配式预应力混凝土工字梁,主梁混凝土强度等级采用C50,主梁预制长度为3 996 cm,主梁梁顶宽为127 cm,底板宽102 cm,腹板厚度为22 cm;主梁预应力钢束总共布置58根,其中,直线束40根,折线束18根,设计时取单根预应力钢绞线的张拉控制力为200 kN,采用折线先张法对预应力钢束进行张拉施工,工字型主梁预应力钢束立面布置如图1所示。工字梁预应力钢束A-A断面布置,如图2所示。

图2 工字梁预应力钢束A-A断面布置

1.2 桩板式张拉台座张拉端上部结构设计

因折线先张法预制工字梁跨度较大、预应力筋数量较多等特点,设计时考虑到台座预制张拉时需承受较大的水平方向张拉力,因此为保证张拉台座在预制张拉钢绞线过程中满足抗倾覆、抗滑移以及强度刚度要求,同时结合已有各类折线先张法张拉台座不足之处,提出一种新型“桩板式”折线先张法张拉台座。该张拉台座由“钢混组合结构+钢管桩基础+预制梁底座下部受压构件”组成。此种折线先张法预制梁台座利用钢管桩和台座自重来共同承担偏心张拉力引起抗倾覆力矩,利用钢管桩和制梁底座下部基础受压构件来共同抵抗水平向拉力,以解决张拉台座的抗倾覆及滑移问题。“桩板式”折线先张法张拉台座张拉端的平面和侧面示意如图3和4所示。

图3 桩板式折线先张法张拉台座张拉端平面示意

图4 桩板式折线先张法张拉台座张拉端侧面示意

为满足在建某特大桥引桥上部装配式预应力混凝土工字梁施工要求,拟采用长线法预制梁台座对其进行预制张拉施工。长线法预制梁台座共包括三个折线先张法预制工字梁预制底座,预制底座之间需加设应力补偿器,以确保预制工字梁预应力张拉质量。其他跨径的工字型主梁预制生产时只需多加设一道转向器即可通用此预制梁底座。长线法预制梁台座布置三维效果如图5所示。

图5 长线法预制梁台座布置三维效果示意

1.3 桩板式张拉台座张拉端下部桩基设计

桩板式张拉台座张拉端下部桩基部分按照桩受力方式分为抗拔桩与承压桩,其中承压桩与上部结构之间加设扩大基础,通过扩大基础将竖向压力传递至承压桩,并且扩大基础将部分竖向压力直接传递至地基,从而减少承压桩打入深度。抗拔桩与上部结构之间采用焊接连接,同时在两者连接处加设多道竖向加劲肋,确保竖向力的传递同时提高侧向抗剪。抗拔桩与张拉端上部结构连接细部,如图6所示。

图6 抗拔桩与张拉端上部结构连接细部示意

2 桩板式张拉台座张拉端数值模型

2.1 参数设定

桩板式张拉台座张拉端上部结构采用竖杆、水平杆以及斜撑共同形成张拉锚固体系,各构件均由钢材和混凝土组成,由钢板组焊形成各个构件外形,再用混凝土对其内部进行填充,从而形成钢混组合构件。主要杆件尺寸及材料参数见表1。其中,外部钢板厚为δ。

表1 主要杆件尺寸及材料参数

由于预制工字梁设计要求中同时包含直线束与折线束,其中直线束位于工字梁底部共40根,折线束出梁体时位于工字梁腹板中上部共18根,单根预应力钢绞线张拉控制力为200 kN,千斤顶与张拉台座竖杆之间均加设钢垫板以扩散张拉反力传递,故预制张拉时需采用两套不同的张拉千斤顶及钢垫板,同时为方便穿心钢棒张拉,需在张拉台座竖杆内部设置预留钢管孔,千斤顶及钢垫板等相关具体参数见表2。荷载参数见表3。

表2 千斤顶及钢垫板等相关参数

表3 荷载参数

2.2 模型建立

为保证整个桩板式张拉台座达到强度、刚度和稳定性的要求,符合现场施工的安全性以及可靠性,拟采用Midas FEA NX有限元软件对桩板式张拉台座张拉端进行建模分析,由于桩板式张拉台座张拉端上部结构为整体主要张拉受力部分,而下部桩基部分主要验算其与张拉端上部结构焊接连接处,故将模型简化为三角对撑,且各杆件外部钢板及内部混凝土均采用三维实体单元进行建模。

对桩板式张拉台座张拉端模型外部钢板及内部混凝土分别进行网格划分,划分网格尺寸选取为50 mm,网格划分时根据软件自带功能,将各杆件外部钢板与其内部混凝土自动连接且匹配相邻面,从而使其钢结构内部与混凝土接触处的网格连续划分,同时将结构外部钢材部分各个构件之间采用自动焊接功能,分别将钢竖板、水平杆以及斜撑两两相连,从而形成整个桩板式张拉台座张拉端上部结构。

对桩板式张拉台座张拉端上部结构各构件分别赋予材料属性以及接触定义,并针对千斤顶张拉所处位置对桩板式台座张拉端竖杆对应处施加相应的面压力荷载,根据上部结构各杆件所用钢材及混凝土相关材料参数对整体模型施加自重荷载,其中面压力荷载系数取1.5,自重荷载系数取1.3。桩板式张拉台座张拉端上部结构模型及对应各荷载施加示意如图7所示。

图7 桩板式张拉台座张拉端上部结构模型及对应各荷载施加示意

由于张拉端上部结构与抗拔桩之间采用焊接连接,故根据抗拔桩所处位置对其进行条件约束,通过主从节点设置将抗拔桩所有焊接连接处附从到中心点,并对该点进行固定约束;由于张拉端上部结构与承压桩之间设有扩大基础,且是直接放置于扩大基础之上,故对底面接触位置设置竖向约束;由于张拉端上部结构前侧直接顶在传立柱上,故对前侧接触位置设置水平方向约束。

3 台座张拉端数值模型分析

将有限元模型建立完成并设定好计算过程中所需要输出的数据种类后,设置静力分析工况进行计算分析求解,根据计算结果,分别从上部结构各杆件的承载力、变形以及抗拔桩焊接连接强度验算来分析桩板式张拉台座的安全性及可靠性。

3.1 桩板式张拉台座张拉端上部结构承载力分析

在千斤顶预制张拉作用下,通过有限元软件Midas FEA NX建立模型并计算,桩板式张拉台座张拉端上部结构各杆件组合应力云图如图8～10所示。

图8 竖杆组合应力云图

图9 水平杆组合应力云图

图10 斜撑组合应力云图

由图8可知,桩板式张拉台座张拉端上部结构外部钢板最大组合应力值出现在竖杆底部,此时竖杆受到较大的预制张拉反力作用,且底部与抗拔桩通过焊接连接,故而最大组合应力值出现在竖杆与抗拔桩焊接连接处附近,最大组合应力为111.5 MPa。而内部混凝土最大组合应力值出现在竖杆中下部,由于竖杆受到向前的预制张拉反力作用,会产生一个前倾的趋向,而水平杆会阻碍该趋向从而对竖杆内部产生一个挤压力,故最大组合应力值出现在竖杆与水平杆上部交接处位置附近,最大组合应力为20.66 MPa。根据《钢结构设计标准》GB 50017—2017[9]和《混凝土结构设计规范》GB 50010—2010[10],如果模拟计算所得有效应力值未超过材料屈服强度,并且也没有超过相关建筑规范规定的强度设计值,则说明桩板式张拉台座张拉端上部结构承载力计算符合要求。通过有限元应力计算分析可知,在千斤顶张拉荷载以及自重作用下,桩板式张拉台座张拉端上部结构各杆件外部钢板组合应力值均小于295 MPa,各杆件内部混凝土组合应力值均小于22.4 MPa,故张拉端各杆件承载力均满足设计要求。

3.2 桩板式张拉台座张拉端上部结构变形

由《钢结构设计标准》GB 50017—2017[9]附录B可知,结构整体的位移值应小于其相应构件计算跨度的l/400,其中,l为受弯构件的跨度。且根据现场施工预制要求,在最大预制张拉控制力作用的受力状态下,桩板式张拉台座张拉端的最大变形量不得超过3 mm,整体位移云图如图11所示。桩板式张拉台座张拉端上部结构各杆件位移云图如图12所示。

图11 桩板式张拉台座位移云图

图12 张拉端上部结构各杆件位移云图

由图11和12可知,桩板式张拉台座张拉端上部结构最大位移发生在竖杆中部,与实际情况较好的符合,其中竖杆实际的最大位移为2.22 mm小于11.25 mm且小于3 mm,水平杆实际最大位移为0.97 mm小于17.5 mm且小于3 mm,斜撑实际最大位移为1.98 mm小于15.0 mm且小于3 mm,故桩板式张拉台座张拉端上部结构各杆件位移值均符合设计要求。

3.3 桩板式张拉台座张拉端抗拔桩连接计算

对抗拔桩与桩板式张拉台座张拉端上部结构连接处采用等强焊接连接方式,并在焊接处附近加设加劲肋,为提高钢管桩水平向抗剪以及自重,在钢管桩内部灌注适量的C60混凝土,连接方式如图13所示。

图13 桩板式张拉台座张拉端抗拔桩连接断面

钢竖板(张拉端上部结构)与抗拔桩之间的抗拔力均由角焊缝承担,故需对其角焊缝进行抗拉强度验算,搭接角焊缝轴心受拉计算公式为

hf——焊脚尺寸,mm;

lw——焊缝计算长度,mm;

σf——角焊缝有效截面应力,MPa。

根据《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936—2014[11]中的5.1.4条相关规定,对抗拔桩进行抗剪承载力验算。

通过有限元软件Midas FEA NX建模计算,桩板式张拉台座张拉端下部抗拔桩处受力情况,如图14所示。

4 结 论

桩板式张拉台座是在已有斜撑基桩式张拉台座结构基础上,采用“钢混组合结构+钢管桩基础+预制梁底座下部受压构件”的结构组成方式,优化了其部分杆件,根据桩板式张拉台座张拉端数值模拟得到如下结论:

(1)优化后的桩板式张拉台座张拉端各杆件承载力均满足设计以及施工要求,且最大位移为2.22 mm,小于预制施工设计的3 mm变形要求。

(2)桩板式各杆件内部均填充混凝土,增加了张拉台座上部结构自重,利用钢管桩和张拉台座上部结构自重来共同承担偏心张拉力引起抗倾覆力矩,在一定程度上提高了上部结构预制张拉抗倾覆性能,从而减少了抗拔桩竖向抗拔力,节省了钢管桩打入长度。

(3)桩板式张拉台座张拉端各杆件均采用钢混组合结构,各杆件外部为外包钢板,内部为混凝土填充,待预制工程结束后可进行机械拆除并回收重复利用,不仅减少了现场清除工作,同时还提高了施工材料利用率,体现了施工成本经济性以及预制环保。