某大桥中横梁后续补张拉处置技术方案研究

陈新欣， 刘德坤， 聂美春

(1.湖南联智桥隧技术有限公司， 湖南 长沙　410109；　2.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺　416700)



某大桥中横梁后续补张拉处置技术方案研究

陈新欣1， 刘德坤1， 聂美春2

(1.湖南联智桥隧技术有限公司， 湖南 长沙410109；2.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺416700)

[摘要]预应力结构施工建设中，有时会出现预应力钢绞线切断失去继续张拉条件后，发现锚下有效预应力不足的情况，采取何种方案进行补张拉值得研究。结合工程实例，通过建立计算模型对完整锚板和含连接面锚板进行受力性能分析，通过对比分析得出：所采取的后续补张拉处置方法是可行的，并给出中横梁区域的补强设计，可为其他工程同类问题提供借鉴。

[关键词]中横梁； 补张拉； 数值模拟； 处置方法

1工程概况

某大桥中横梁采用预应力钢绞线张拉，单端锚固，单端张拉，钢绞线采用12束直径Фs15.2 mm高强度低松弛无粘结钢绞线，设计抗拉强度标准fpk=1 860 MPa，控制张拉应力为1 395 MPa，12束Фs15.2 mm一束张拉力为2 326.8 kN(1 395×139×12)。钢绞线长度为8.539 m，计算张拉伸长值为57.4 mm。

事情发生经过：2015年9月25日某大桥2道中横梁16束钢绞线张拉完成，9月26日切除钢绞线。9月30日发现中横梁钢绞线张拉力不足。张拉力不足原因：直径Фs15.2 mm高强度低松弛无粘结钢绞线单根张拉力为193.9 kN，施工现场技术人员误将张拉力取值为139.5 kN，导致现场张拉过程总张拉力误取为1 674 kN，只达到设计张拉力2 326.8 kN的71.94%，钢绞线总伸长量比设计理论伸长量小16.1 mm。待发现该问题时，钢绞线已被切除。

2后续补张拉方案的确定

发现该问题后，工程技术人员经反复商讨后确定了以下补张拉方案。

采用特殊办法[1，2]将工作锚整体张拉以保证中横梁钢绞线的张拉力、伸长量。该方案张拉原理与设计整体张拉效果一致，且张拉完后预应力钢束不会产生回缩导致预应力损失，具体操作如下：

① 千斤顶前端采用内径17.3 cm，外径26 cm45号碳钢制作工具锚抱箍，抱箍长度17 cm，钢抱箍周边均匀布置18个螺栓孔，螺栓孔采用Ф22 mm高强螺栓连接钢抱箍和工具锚，高强螺栓强度等级12.9。后端钢抱箍型号和前端型号材质相同。

② 传力钢棒采用外径17.3 cm实体45号碳钢与前后端抱箍丝扣连接，前后端包括与钢棒丝扣连接长度8 cm。

③ 张拉前前端钢抱箍与已浇筑梁体砼间空隙采用3个Ф8 cm实体钢棒以等边三角形布置作为支撑架(钢棒材质同为45号碳钢)。

④ 工作锚周边用磨光机人工均匀打磨18个与Ф22 mm高强螺栓连接面，连接面打磨深度控制在5 mm，为了保证高强螺栓和工作锚接触面能承受张拉剪切力要求，打磨时18个连接面前后错开，前后两排均匀打磨9个连接面(补张拉过程中对于工作锚的打磨经与工作锚厂家咨询，工作锚厂家确认对工作锚的使用性能无影响)。

⑤ 前期准备工作就绪后采用400 t穿心式千斤顶张拉，张拉力达到设计要求后在拉出工作锚和梁体预埋锚杯间垫厚度为16 mm、宽度为15 mm弧形钢板2块，钢板材质为45号碳钢。

⑥ 张拉完成后工作锚和弧形钢板间空隙采用植筋胶密封粘结，保证压浆过程张拉处理口不漏浆，保证压浆质量。

⑦ 张拉到设计应力后为工作锚锚下应力最大时段，压浆待浆液达到强度后应力均匀扩散至整个横梁梁体混凝土，按本方案现场实际试操作后，张拉控制应力与钢绞线伸长量与设计要求一致，该预应力工程符合规范及设计要求。

3数值模拟分析

为保证锚固系统的安全性与可靠性，对K2+263分离式立交中横梁横隔板进行补张拉后的预应力工作锚受力性能进行分析，并据此提出保证锚固系统安全和可靠性的合理化建议。

3.1完整锚板数值模拟分析

3.1.1计算模型建立

① 材料特性[3-5]。

依据GB/T699-1999《优质结构碳素钢》规定45钢的抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa。钢绞线采用12束直径Фs15.2mm高强度低松弛无粘结钢绞线，设计抗拉强度标准fpk=1 860MPa，控制张拉应力为1 395MPa，单根张拉力为193.9kN。

② 完整锚板数值模型建立[6-8]。

根据锚板设计图纸，见图1，采用ANSYS有限元软件建立完整锚板的有限元模型，如图2所示。

图1　锚板设计图(单位： mm)Figure 1　The design drawing of anchor plate(unit： mm)

图2　完整锚板有限元模型Figure 2　The finite element model of complete anchor plate

3.1.2荷载及边界条件模拟

① 荷载模拟。

直径Фs15.2mm高强度低松弛无粘结钢绞线单根张拉力为193.9kN，将每束张拉力根据静力平衡条件以均布力作用于锚板孔内受力面积上。预应力荷载模拟见图3。

图3　完整锚板施加荷载示意图Figure 3　The load application schematic of complete anchor plate

② 边界条件模拟。

在锚板与锚垫板接触面域内，施加如图3所示，Z方向竖向约束，为使模型静定，施加一定X、Y方向约束。

3.1.3完整锚板数值计算结果

施加荷载后计算所得的完整锚板的应力分布云图见图4、图5所示。

(a) 正面(b) 背面

Figure 4The FEM stress distribution diagram of complete anchor plate

(a) 1/4剖面(b) 1/2剖面

Figure 5The FEM stress distribution diagram of complete anchor plate

由图4、图5可知：预应力张拉后完整锚具的应力分布主要为-11.4 MPa(受压)～-196 MPa(受压)，主要处于受压状态；分析1/4剖面和1/2剖面应力云图可知此剖面锚具应力分布为-11.4 MPa(受压)～-196 MPa(受压)，主要处于受压状态；分析3/4剖面应力云图可知：此剖面锚具主要应力分布为-46.6 MPa(受压)～-180 MPa(受压)。

可见，预应力钢束张拉后，完整锚板的应力分布为-11.4～-196 MPa(受压)，主要处于受压状态，小于45钢屈服应力355 MPa。

3.2含连接面的锚板数值模拟分析

3.2.1计算模型建立[6-8]

根据补张拉方案，工作锚周边用磨光机人工均匀打磨18个与Ф22 mm高强螺栓连接面，连接面打磨深度控制在5 mm，为了保证高强螺栓和工作锚接触面能承受张拉剪切力要求，打磨时18个连接面前后错开，前后两排均匀打磨9个连接面。两排连接面间距6 mm。

采用ANSYS有限元软件建立含连接面的锚板有限元模型如下(见图6)，该有限元模型的材料属性、荷载和边界条件同完整锚板。

图6　含连接面的锚板有限元模型Figure 6　The finite element model of contained junction 　　　surface of anchor plate

3.2.2含连接面的锚板计算结果

施加荷载后计算所得的含连接面锚板的应力分布云图见图7所示。

(a) 正面(b) 背面

(c) 1/4剖面(d) 1/2剖面

Figure 7The FEM stress distribution diagram of contained junction surface of anchor plate

由图7可知：预应力张拉后完整锚具的的应力分布主要为-22.5～-215 MPa(受压)，主要处于受压状态。

分析1/4剖面应力云图可知：锚具应力分布为-25.9～-176 MPa(受压)，主要处于受压状态；分析1/2剖面应力云图可知锚具应力分布为-22.5～-15 MPa(受压)，主要处于受压状态；分析3/4剖面应力云图可知锚具应力分布为38 MPa(受拉)～-215 MPa(受压)。

可见，预应力补张拉后，含连接面的锚板的应力分布为-22.5～-215 MPa(受压)，主要处于受压状态，但小于45钢屈服应力355 MPa。

3.3两类锚板数值计算结果比较分析

从以上计算结果可知，采用该补张拉方案对该分离立交桥2道中横梁16束钢绞线进行补张拉后，含连接面的锚板的Mises应力最大为215 MPa，小于45号钢屈服应力355 MPa，受力性能仍能够满足设计及规范要求，说明选取的补张拉方案是可行的。

完整锚板主要应力分布为-11.4～-196 MPa(受压)，含连接面锚板的主要应力分布为-22.5～-215 MPa(受压)，较完整锚板应力增加了9.6%，这主要是因为螺栓孔的存在，减小了锚板的整体受力体积，导致所受应力增大，较完整锚板最大拉应力增加了19 MPa。

可见，中横梁采用的后续补张拉方案是可行的，中横梁所施加的预应力体系是成立的，但中横梁预应力体系锚具因开凿连接面而增大了应力，鉴于该梁体目前的施工状态，决定采取加强中横梁处桥面配筋的方式予以加强，以改善中横梁的受力性能，由普通钢筋满足承载能力。即在梁体桥面铺装时，在中横梁2.2 m范围内的每一束横向钢筋均加设φ25钢筋(见图8)，以增强中横梁横向的受力性能，从而保证中横梁受力安全可靠。

图8　中横梁处钢筋补强设计图Figure 8　The reinforcement design drawing of middle 　　　transverse beam

4结论

通过采用大型通用有限元软件ANSYS建立完整锚具和含连接面锚具的有限元模型，施加预应力对两个锚具进行了数值计算，得出了其应力分布情况，并根据计算结果得出以下主要结论和建议。

① 完整锚板主要应力分布为-11.4 MPa(受压)～-196 MPa，含连接面锚板的主要应力分布为-22.5 MPa～-215 MPa(受拉)，较完整锚板应力增加了9.6%，这主要是因为螺栓孔的存在，减小了锚板的整体受力体积，导致所受应力增大，较完整锚板最大拉应力增加了19 MPa。

② 采用该补张拉方案对某大桥2道中横梁16束钢绞线进行补张拉后，含连接面的锚板的Mises应力最大为260 MPa，小于45号钢屈服应力355 MPa，受力性能仍能够满足设计及规范要求。

③ 为保证中横梁受力安全可靠，通过采取加强中横梁处桥面配筋的方式予以加强，以改善中横梁的受力性能，以使其形成整体共同受力。

[参考文献]

[1]邓爽，朱孟君，盛康.郴宁高速某大桥预应力箱梁粘钢加固补强设计[J].公路工程，2013，38(1)：136-138.

[2]余天文，朱万旭，付委，等.结合有限元分析和性能实验的某类型锚板的优化设计[J].特种结构，2013，30(1).53-56.

[3]GB50017-2003，钢结构设计规范[S].

[4]JGJ85-2010，预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规范[S].

[5]GB50010-2002，混凝土结构设计规范[S].

[6]邓朗妮，杨帆，康侃，等.夹片式碳纤维锚具的有限元分析及设计[J].桂林理工大学学报，2012，32(1)：72-76.

[7]刘君，胡宏.砂土地基锚板基础抗拔承载力PFC数值分析[J].计算力学学报，2013，30(5).677-682.

[8]王晖，董玉才，李新超，等.法向承力锚极限抗拔影响因素的二维有限元分析[J].天津大学学报，2010，43(11).965-970.

The Additional Tensioning Disposal Method Feasibility Researth of the Middle Transverse Beamon Long-yong Expressway

CHEN Xinxin1， LIU Dekun1， NIE Meichun2

(1.Hunan LianzhiBridge&Tunnel Technology Co.， Ltd.， Changsha， Hunan 410019， China；2.Hunan Provincial Yonglong Highway Construction and Development Co.， Ltd.， Yongshun， Hunan 416700， China)

[Abstract]Combining with the engineering example，though the establishment of calculation model of complete and contained junction surface of anchor plate to analysis behavior，through contrastive analysis draw conclusions：the method is feasible，provide the reinforcement design of middle transverse beam area，which would be a practical and useful reference for engineers in similar projects.

[Key words]middle transverse beam； subsequenttensioning； numericalsimulation； disposal method

[中图分类号]U 445.46

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0144—04

[作者简介]陈新欣(1990—)，男，湖南娄底人，助理工程师，从事桥梁施工与检测工作。

[收稿日期]2016—01—20