先张法框架式预应力张拉台座的设计.doc

1、先张法框架式预应力张拉台座的设计摘要：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

2、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

3、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 k=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=kAg=1395140=195.3KN 14 根预应力筋的最大张拉力 Pk=nPj=14195.3=2734.2KN 15 根预应力筋的最大张拉力 Pk=nPj=15195.3=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

4、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： 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

5、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 72Pj 组成。见固定横梁受力简图： 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=1,2,37） 则 7 对对称的预应力筋拉力 Pj 引起

6、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

7、.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w=210MPa，剪应力容许值=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 w=w，得 每根工字钢的截面系数 W=736cm3

8、 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 max=202.65 MPa 1.25=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 max=1.25，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

9、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 max=141.0 MPa1.25=150MPa， 剪应力满足强度要求。 刚度验算： 固定横梁的最大挠度 fmax=-=-=-0.04mm2mm 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

10、最大挠度 fmax=-0.6mml/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 由截面弯曲应力控制条件 w=w，得 每根工字钢的截面系数 W=1226.852 cm3 由截面剪应力控制条件 max=1.25，得 d=12.6mm 查型钢表，选取 45b 型热轧普通工字钢： 截面最大剪应力 max=142.763 MPa 1.25=150MPa 说明最大剪应力满足强度要求。 刚度验算： 锚固

11、端固定横梁的最大挠度 fmax=-0.8mm2mm 刚度满足要求。 整个框架的刚度验算 移动横梁和固定横梁的总挠度 f=-0.04-0.6-0.8=-1.44mm2mm，说明整个系统的变形满足要求。 为了防止腹板在弯曲应力、剪应力和梁顶偏心压力作用下丧失稳定，沿梁的长度方向每隔一定距离在工字钢横截面上设一对中间加劲肋（焊接钢板）：由于预应力筋在锚固端固定横梁和移动横梁中的作用点在工字钢翼缘板边缘，对工字钢产生的扭矩较大，故加劲肋应设置在工字钢梁的预应力筋定位孔之间，以提高工字钢的抗扭转刚度，其余区段的加劲肋间距可取 510cm。 2.3 传力柱截面尺寸的拟定及配筋 2.3.1 确定传力柱受力的

12、简化计算模型 在对预应力筋施加张拉力的过程中，传力柱也受到轴向压力和弯矩作用。为避免传力柱因长细比过大而导致失稳破坏，将传力柱和张拉槽底板浇筑为一整体，两端与固定横梁焊接，传力柱的在各个方向的位移均受到限制，长柱变为短柱。在相邻的张拉槽实施先张法预应力施工时，相邻两槽共用的传力柱将交替受到两个相反方向的弯矩作用，故传力柱受力的的计算模型可以简化为双向偏心受压的短柱。 2.3.2 作用于传力柱上的轴向力及弯矩的计算 在互不相邻的张拉槽中张拉预应力筋时，每根传力柱受到的轴向压力 Nj=1464.75 KN 考虑传力柱受力的极限状态：相邻两道张拉槽内的预应力筋均未放松，且均为边梁；两侧 2 根传力柱

13、受到的压力为。由于两槽共用的传力柱两侧受到对称的压力，可认为其轴心压力 N=P=2929.5 KN。 传力柱截面的最大固端弯矩等于锚固端固定横梁的固端弯矩MA=MB=515.278 KN.m 2.3.3 截面尺寸拟定及配筋 截面设计 在相邻两条张拉槽都有预应力作业的情况下，共用的一根传力柱两侧受到的弯矩大小相等，方向相反，可认为只受轴向力作用,该轴向力等于 15 根预应力筋的张力 P。可根据此轴向力初拟传力柱的截面尺寸。 由传力柱截面的正应力，得不配任何钢筋的 C25 混凝土截面积 =0.266m2 上述计算表明：在只考虑轴向力的情况下满足强度要求，传力柱的C25 混凝土截面积应不小于 0.2

14、66m2。根据公桥规方形或矩形截面的尺寸不宜小于 25cm25cm 的规定，取水平宽度 h=400mm，则竖向最小高度 bmin=665mm。 配筋计算 由于两条张拉槽共用的传力柱受到两个水平方向的弯矩作用，故应在两个竖直边上对称配筋。 短柱的初始偏心距 e0=352mm， 短柱的轴向力偏心距增大系数 =1，e0=352mm。 设纵向钢筋的重心到截面边缘的距离 ag=ag=40mm，h0=h-ag=360mm。 截面受压区相对高度计算值： =1.12 h/h0=1.11jg=0.55 截面为全截面小偏心受压，混凝土受压区高度 x=h=400mm。 由 Nje=MAmax=Mu=，得 纵向钢筋的

15、截面积 Ag=Ag=600 mm2 minbh0=0.002660360=475 mm2 故取 Ag=Ag=600 mm2 由 Ag=，取 12级钢筋，得 受压钢筋根数 n=5.3，取 n=6 根 Ag=Ag=678 mm2 （3）截面复核 离偏心压力远侧的钢筋应力 g=0.003Eg（-1）=0.003200（-1）=-0.118 MPa 短柱破坏时的轴向偏心压力（承载能力）： Nu=3106.576 KNNj=1464.75 KN 说明传力柱的尺寸及配筋满足强度的要求。 为保证横梁的压力不对传力柱产生向上的力矩，需调整基础板和制梁台面的高度，使横梁的压力中心不高于传力柱截面中心。由于传力柱

16、在受荷状态下两端的应力较为集中，在两端与固定横梁焊接处分别设置20mm 厚的钢板一块，并在 2m 长范围内增设箍筋（8，间距 15cm） ，防止过高的集中应力导致破坏。 结束语： 将张拉槽的传力柱和基础板浇筑为一整体，将长柱变为短柱；将横梁和传力柱通过固结形成框架，通过受力分析设计出横梁和传力柱的合理断面尺寸；通过调整基础板高度，使固定横梁与传力柱的作用中心处在传力柱轴线以下，保证横梁的压力不对传力柱产生向上的力矩。以上措施使框架式台座较以往的重力式台座的安全稳定性大大提高，张拉过程中没有出现任何安全事故。 （2）大批量的梁板预制使框架式台座的经济合理性得到了发挥。 以上优势使框架式台座和千斤顶与丝杆相结合的先张法预应力施工方法得到了快速推广。 参考文献：