大跨径简支T型梁张拉方法及张拉顺序

摘要

本发明公开一种大跨径简支T型梁张拉方法及张拉顺序，方法包括：在T型梁的中梁内布置预应力钢筋，部分预应力钢筋具有水平侧弯；根据中梁内布置的预应力钢筋建立张拉模拟模型，该模型包括划分为单元和节点的多个固定连接的T型梁，T型梁两端采用简支梁桥约束条件，制定多个张拉方案，各拉方案按不同的张拉顺序将张拉施工划分为多个阶段，在张拉模拟模型中进行模拟计算，确定最优的张拉方案；以最优张拉方案对预应力钢筋进行张拉。本发明从不同的张拉顺序构成的张拉方案中确定最优张拉方案，从而可以选择能够使得T型梁结构应力和反拱度都有利于结构安全性和稳定性的张拉方案。

说明书

技术领域

本发明属于桥梁施工技术领域，涉及一种大跨径简支T型梁张拉方法及张拉顺序。

背景技术

桥梁施工中，T型梁结构是桥梁上部结构里面的一种，通常上部结构采用预制架设T型梁，可以沿桥梁宽度方向设置几片T型梁，例如图1中5片T型梁，相邻T型梁100之间采用横隔板连接，下部结构采用桩柱式桥墩，灌注桩基础。

引起长跨预制T型梁侧弯变形的主要因素包括预应力钢筋孔道位置偏差、预应力钢筋张拉顺序和混凝土徐变。通常中梁结构左右对称，而边梁为非对称结构。设计预应力钢筋张拉顺序时，结构左右对称性差异对T型梁横向力学性能和位移影响的分析是有必要的。而截至目前，还没有能够指导T型梁张拉顺序，以减少T型梁侧弯变形的影响的有效方法。

发明内容

本申请分析预应力钢筋孔道位置偏差及预应力钢筋张拉顺序对长跨薄腹板T型梁横向弯曲变形影响，为后期长跨T型梁预制提供理论支持。

一种大跨径简支T型梁张拉方法，包括以下步骤：

在沿桥梁宽度方向布置的多片T型梁的中梁内，沿T型梁长度方向布置多道预应力钢筋，其中，各道预应力钢筋的一端都锚固在中梁一端的腹板中心线上，一部分预应力钢筋的另一端锚固在中梁另一端的腹板中心线上，而其余预应力钢筋的另一端则具有水平侧弯，所述其余预应力钢筋中至少一个向一侧水平侧弯后锚固于中梁另一端腹板中心线上，所述其余预应力钢筋中至少一个向另一侧侧水平侧弯后锚固于中梁另一端腹板中心线上；

根据中梁内布置的预应力钢筋建立张拉模拟模型，该模型包括划分为单元和节点的多个固定连接的T型梁，T型梁两端采用简支梁桥约束条件，一端约束Dx、Dy、Dz、Rx和Rz，并释放Ry；另一端约束Dy、Dz、Rx和Rz，并释放Ry、Dx，其中，Dx、Dy、Dz、Rx、Ry和Rz分别为笛卡尔坐标系的x轴、y轴、z轴方向自由度，以及绕x轴、绕y轴、绕z轴的转动自由度，其中，Dx是沿桥梁长度方向的自由度、Dy是沿桥梁宽度方向的自由度、Dz是竖向的自由度；

制定多个张拉方案，各拉方案按不同的张拉顺序将张拉施工划分为多个阶段，其中，在各个阶段至少对一根预应力钢筋进行张拉，且张拉力是以该预应力钢筋的设计张拉力的百分比设置的，将各张拉方案在张拉模拟模型中进行模拟计算，确定最优的张拉方案；

以最优的张拉方案对预应力钢筋进行张拉。

可选地，预应力钢筋是采用波纹管道内穿设预应力钢筋，由上至下在中梁一端的腹板中心线上锚固有穿过对应波纹管道的N1、N2、N3、N4和N5这5道预应力钢筋，N1、N2和N3预应力钢筋的两端都锚固在中梁的腹板中心线上，N4向T形梁一侧水平侧弯后锚固于中梁另一端腹板中心线上，N5向T形梁另一侧水平侧弯后锚固于中梁另一端腹板中心线上。

可选地，N1、N2、N3每根波纹管道内至少布置15根钢绞线，N4和N5每根波纹管道内至少布置17根钢绞线。

可选地，T型梁预应力钢筋采用低松弛高强度预应力钢绞线。

可选地，采用预制平台支撑T型梁，所述预制平台下部采用桩柱式桥墩支撑。

可选地，所述张拉模拟模型中，将T型梁对预制平台的压力采用受压弹性连接来模拟，且考虑自重、预应力作用、混凝土收缩徐变的影响。

可选地，所述张拉模拟模型根据关键控制截面的各个相邻张拉阶段的反拱度增加量绝对值之和、各个相邻张拉阶段的支反力增加量绝对值之和、以及各个相邻张拉阶段的应力增加量绝对值之和的加权求和最小来选出最优方案。

可选地，所述关键控制截面是指跨中和梁端的横截面，所述应力是指关键控制截面的顶板上缘位置及底板下缘位置的应力，所述T型梁的反拱度是指跨中的反拱值。

可选地，反拱度增加量绝对值之和、支反力增加量绝对值之和、应力增加量绝对值之和按1：0.7：1的权重进行加权求和。

本发明还提供一种大跨径简支T型梁张拉顺序，在沿桥梁宽度方向布置的多片T型梁的中梁内，沿T型梁长度方向布置有多道预应力钢筋，所述多道预应力钢筋包括由上至下在中梁一端的腹板中心线上锚固的穿过对应波纹管道的N1、N2、N3、N4和N5这5道预应力钢筋，N1、N2和N3预应力钢筋的两端都是锚固在中梁的腹板中心线上，N4向T形梁一侧水平侧弯后锚固于中梁另一端腹板中心线上，N5向T形梁另一侧水平侧弯后锚固于中梁另一端腹板中心线上，然后按照下表中的张拉顺序执行张拉操作，

本发明通过建立张拉模拟模型，模拟张拉过程，从不同的张拉顺序构成的张拉方案中确定最优张拉方案，从而可以分析不同张拉顺序对T型梁的应力影响，从而可以选择能够使得T型梁结构应力和反拱度都有利于结构安全性和稳定性的张拉方案。

附图说明

图1为T型梁的示意图；

图2为T型梁的梁端和跨中的截面图；

图3为本发明实施例的纵向截面中预应力钢筋布置示意图；

图4为图3的Ⅰ和Ⅱ处横截面示意图；

图5为本发明实施例的张拉模拟模型中的一个边梁的示意图；

图6-1是本发明实施例的边梁和中梁的梁端支反力比对图；

图6-2是本发明实施例的边梁和中梁的跨中反拱度比对图；

图7是本发明实施例的关键控制截面应力点位置的示意图；

图8-1至8-4是本发明实施例的边梁和中梁4个位置点的应力比对图；

图9-1是本发明实施例的边梁跨中应力图；

图9-2是本发明实施例的中梁跨中应力图；

图10-1是不同张拉方案下边梁梁端支反力比对图；

图10-2是不同张拉方案下边梁跨中反拱度比对图；

图10-3至10-6是本发明实施例的不同张拉方案下边梁4个位置点的应力比对图；

图11-1是不同张拉方案下中梁梁端支反力比对图；

图11-2是不同张拉方案下中梁跨中反拱度比对图；

图11-3至11-6是本发明实施例的不同张拉方案下中梁4个位置点的应力比对图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例的大跨径简支T型梁张拉方法，包括以下步骤：

步骤S1，在沿桥梁宽度方向布置的多片T型梁的中梁内沿桥梁长度方向布置多道预应力钢筋，其中，各道预应力钢筋的一端都布置和锚固在中梁一端的腹板中心线上，一部分预应力钢筋的另一端布置和锚固在中梁另一端的腹板中心线上，而另一部分预应力钢筋的另一端则具有水平侧弯，至少一个向左侧水平侧弯后锚固于中梁另一端腹板中心线上，至少一个向右侧水平侧弯后锚固于中梁另一端腹板中心线上。

其中，所述T型梁的跨中的腹板下端为马蹄形，而在靠近简支点处腹板要加厚至至少与马蹄同宽。如图2中所示，马蹄宽度为62mm，在梁端则加厚至70mm。

预应力钢筋可以是采用波纹管道内穿设钢绞线，T型梁预应力采用低松弛高强度预应力钢绞线，单根钢绞线直径为15.2mm，钢绞线面积为140mm

步骤S2，根据中梁内布置的预应力钢筋建立张拉模拟模型(可以采用Midas civil软件)，采用三维梁单元模拟T型梁，该模型包括划分为单元和节点的多个固定连接的T型梁，如图5所示，全梁共建立110个单元，220个节点。根据预应力钢筋实际位置在三维梁单元中添加预应力钢筋，为模拟边界条件，T型梁两端采用简支梁桥约束条件，一端约束Dx(沿桥梁长度方向)、Dy(沿桥梁宽度方向)、Dz(竖向)、Rx和Rz，并释放Ry；另一端约束Dy、Dz、Rx和Rz，并释放Ry、Dx。为模拟预制平台对梁体的支撑作用，将T型梁对预制平台的压力采用受压弹性连接来模拟(可以采用Midas civil软件中边界条件的弹性连接来模拟)。考虑结构自重、预应力作用、混凝土收缩徐变的影响，预应力钢筋摩阻系数取值为μ＝0.25，孔道偏差系数k＝0.0015，混凝土收缩徐变效应按15《桥规》进行计算。

步骤S3，制定多个张拉方案，每一张拉方案都以一定的张拉顺序将张拉施工划分为多个阶段，其中，在各个阶段至少对一根预应力钢筋进行张拉，且张拉力是以该预应力钢筋的设计张拉力的百分比设置的，将各张拉方案在张拉模拟模型中进行模拟计算，确定最优的张拉方案。

例如表1中，方案一是将张拉阶段共划分10个阶段，第1阶段，N1、N2、N3、N4、N5都进行初张拉设计张拉力的10％，第2阶段，只将N4张拉到设计张拉力的30％，第3阶段，只将N5张拉到60％，第4阶段，N4张拉到70％，第5阶段，N5张拉到100％，第6阶段，N4张拉到100％，第7阶段，N3张拉到60％，N2张拉到60％，N1张拉到60％，第8阶段，N3张拉到100％，第9阶段，N2张拉到100％，第10阶段，N1张拉到100％。

可以设置多个方案，将多个方案采用张拉模拟模型进行模拟，从而获得桥梁受力和变形数据。

表1

其中，张拉方案一：终张拉阶段先交替张拉N4、N5，再交替张拉N1、N2、N3。

张拉方案二：终张拉阶段先交替张拉N1、N2、N3，再交替张拉N2、N5。

张拉方案三：终张拉阶段先交替张拉N2、N3、N4，再交替张拉N1、N5。

所述张拉模拟模型根据关键控制截面的各个相邻张拉阶段的反拱度增加量绝对值之和、各个相邻张拉阶段的支反力增加量绝对值之和、以及各个相邻张拉阶段的应力增加量绝对值之和的加权求和最小来选出最优方案。具体的，获得第1阶段与第2阶段之间的反拱度增加量绝对值、支反力增加量绝对值、应力增加量绝对值，获得第2阶段与第3阶段之间的反拱度增加量绝对值、支反力增加量绝对值、应力增加量绝对值，以此类推，获得第9阶段与第10阶段之间的反拱度增加量绝对值、支反力增加量绝对值、应力增加量绝对值，将所有的反拱度增加量绝对值求和，所有的支反力增加量绝对值求和，所有的应力增加量绝对值求和，再将三个求和结果利用权值加权求和。反拱度增加量绝对值之和、支反力增加量绝对值之和、应力增加量绝对值之和可以按1：0.7：1的权重进行加权求和。

步骤S4，按照最优张拉方案对预应力钢筋进行张拉。

下面以一个具体实例来说明张拉模拟模型的计算分析。

采用的桥梁包括6片T型梁，T型梁的梁长55m，梁高2.8m，中梁顶板宽1.5m，内边梁顶板宽1.84m。上部结构采用预制平台支撑T型梁，下部结构采用桩柱式桥墩，灌注桩基础，桥墩、预制平台均与桥梁轴线垂直。

分析T型梁在整个张拉过程中的受力和侧向变形，由T型梁的配束方式可知，N1、N2和N3预应力钢筋布置在T型梁的腹板中心线上，理论计算时，张拉过程中不会引起侧弯，而N4和N5预应力钢筋分别布置在腹板中心线两侧，并采用分步张拉方式，特别是在终张拉过程中，由于不对称张拉，张拉应力差比较大，必然使梁体产生横向弯矩和侧向变形的趋势。选取跨中和梁端为关键控制截面，以梁端支反力、跨中反拱值和跨中应力为指标，对比分析中梁、边梁结构对称性对T型梁力学性能的影响。

先分析结构对称性对T型梁预应力钢筋效应的力学性能影响：

图6-1为两种截面预应力钢筋张拉顺序对梁端支反力对比分析图；图6-2为两种截面预应力钢筋张拉顺序对跨中反拱度对比分析图。由图6-1、6-2可以看到，预应力束张拉之前T型梁自重由预制平台和梁端支承共同分担，随着预应力束张拉，梁体产生上拱趋势，梁端支反力逐渐增加。在张拉阶段6，即N4张拉到100％时，梁体全部起拱，脱离预制平台，梁端支座承担梁体自重。考虑边梁、中梁形状差异下，支反力和反拱度整体变化规律相似。梁体全部起拱后，边梁和中梁两种工况下控制截面最终支反力差值较小，最大值相差5.55％。两种工况下控制截面的反拱度相差较大，随着预应力束的张拉，除张拉阶段6时相差为79.97％外，其余施工阶段相差在11％～16％，最大值相差15.67％。

读取关键控制截面应力数值，如图7所示，选取顶板上缘位置1、位置2及底板下缘位置3、位置4为研究对象。从图8-1至8-4可以看到，考虑边梁、中梁形状对称性的差异，跨中控制截面应力控制点位置1和位置2处，在张拉阶段4之后边梁小于中梁，位置1应力最大值相差43.31％，位置2应力最大值相差31.94％。跨中控制截面应力控制点位置3和位置4处，整体应力规律呈前期边梁小于中梁，后期中梁小于边梁，位置3应力最大值相差37.97％，位置4应力最大相差26.44％。

然后分析预应力束张拉顺序对T型梁力学影响：

因中梁、边梁对称形状上的差异，考虑中梁和边梁两种工况，以关键控制截面的顶板上缘位置1、位置2及底板下缘位置3、位置4为研究对象，分析预应力钢筋张拉顺序对控制点力学性能影响，各点位计算结果如图9-1、9-2所示。中梁和边梁两种工况下，各张拉阶段应力如表2所示。

由图9-1、9-2可以看出，因N1、N2和N3布置在腹板中心线上，没有平弯，理论上不会产生横向弯矩，但N4和N5预应力钢筋布置在腹板中心线之外，预应力张拉过程中，由张拉施加于主梁截面的压力横向不对称，梁体必然产生横向弯矩，使得截面左右两侧的应力分布不对称，存在一定的应力差。初张拉过程中，仅张拉控制拉力的10％，产生的向弯曲效应较小，终张拉阶段，N4和N5交替张拉过程中，张拉力分级达到30％，相对较大，产生横向弯矩相对较大。在分析预应力钢筋张拉顺序对中梁横向弯矩影响过程中，重点分析N4张拉到30％和N5张拉到60％两个阶段主梁应力状态，在这两个阶段梁体内储备压应力相对较小，最有可能对梁体产生不利的内力影响，而后续张拉过程中，随着梁体的储备压应力增大，N4和N5张拉过程中的预应力钢筋应力差没有明显增大，结构的不利受力状态会相应减弱。最后，分析预应力全部张拉完成后梁体的截面应力状态。

表2

注：受压为负，受拉为正。

表2列出了采用方案一主要施工阶段梁体关键截面处的应力值，从表2中可以看出，在预应力初张拉完成后，梁体同一截面应力点1和点2应力基本相同，应力点3和应力点4的应力相同，从图9-1、9-2截面应力分布图看，梁体处于全截面受压状态，截面左右两侧的应力处于对称分布状态，表明初张拉完成后，由预应力引起的梁体横向效益可以忽略，N4和N5的不平衡效应相互抵消了，但此时梁体内的压应力储备相对较小，边梁最大为0.49MPa，中梁最大为0.72MPa。

N4完成30％的预应力张拉后，边梁跨中截面处上缘左侧(位置点1)应力为0.3Mpa的压应力，上缘右侧(位置点2)应力为-0.35Mpa，左右应力差0.65MPa；中梁跨中截面处上缘左侧(位置点1)应力为0.52Mpa的压应力，上缘右侧(位置点2)应力为-0.2Mpa，左右应力差0.72MPa，表明这种不平衡张拉对截面左上角应力影响不利。边梁下缘左侧(位置点3)应力为0.34MPa，下缘右侧(位置点4)应力为0.34MPa，左右应力相同；边梁下缘左侧(位置点3)应力为-0.28MPa，下缘右侧(位置点4)应力为-0.06MPa，左右应力相差0.34，张拉前后下缘左侧应力变化不明显，表明N4产生的弯矩和轴力叠加效应对截面左下角应力影响较小。张拉阶段3～6过程中梁体全截面处于压应力状态，但计算结果也表明N4必须进行分级张拉，并需要控制N4和N5的应力差，否则容易使梁体内产生拉应力，影响结构安全性能。

N5预应力钢筋完成60％张拉后，边梁梁体跨中截面处上缘左侧应力为-1.7Mpa，上缘右侧应力为-0.87Mpa，左右应力差2.57MPa；边梁梁体跨中截面处上缘左侧应力为-1.63Mpa，上缘右侧应力为-0.7Mpa，左右应力差1.56MPa，表明这种不平衡张拉对截面右上角应力影响不利。边梁梁体下缘左侧应力为-1.21MPa，下缘右侧应力为-1.46MPa，左右应力差0.25MPa；中梁梁体下缘左侧应力为-1.26MPa，下缘右侧应力为-1.54MPa，左右应力差0.28MPa，张拉过程中梁体全截面处于压应力状态，也表明N4和N5分级交替张拉的必要性，以确保张拉过程中的结构安全。

从表2中可以看出，N4完成70％的预应力张拉后、N5完成100％的预应力张拉后两个施工阶段，梁体内储备的压应力不断变化，截面左右两侧应力不同，同样表明这两个阶段梁体承受横向不均匀受压状态，这是因为N4和N5预应力钢筋存在应力差的而引起的。至N4完成100％这个阶段，梁体截面左右均匀受压，表明N4和N5共同作用下T型梁的横向作用效益基本抵消了。

此后在张拉N1、N2和N3的过程中，由于此三种预应力钢筋在腹板中轴线布置，不会引起T型梁的横向弯曲效益，此过程不做具体分析，至预应力张拉完成后，边梁梁体跨中截面顶缘位置1应力为-2.91MPa，位置2为3.05MPa，底缘位置3应力-19.48MPa，位置4应力为-19.37MPa，截面左右两侧应力有一定的差异；中梁梁体跨中截面顶缘应力-2.33MPa，底缘应力-21.71MPa，且截面左右两侧应力相同，同样表明此时梁体基本不承受横向作用效益。从图9-1、9-2可以看出，梁体截面左右两侧的应力分布状态基本一致。

不同预应力张拉方案对T型梁力学性能影响分析

由图10-1可以看到，三种不同张拉顺序下边梁终张拉阶段梁端支反力相差较小。与设计张拉方案相比，方案二在张拉阶段6有最大差值44.87％，终张拉阶段为1.41％。方案三在张拉阶段3有最大差值14.62％，终张拉阶段为2.84％。方案一和方案三支反力曲线较为接近，而方案二和方案一、三相比，支反力曲线波动较大，在张拉阶段5出现突变。

由图10-2可以看到，三种不同张拉顺序下边梁终张拉阶段跨中反拱度相差较大。梁体完全起拱后，与设计张拉方案相比，方案二在张拉阶段7最大差值达44.87％，终张拉阶段为36.04％。方案三在张拉阶段3最大差值为25.27％，终张拉阶段为9.39％。

由图10-3至10-6可以看到，三种不同张拉顺序下边梁终张拉阶段跨中应力整体除初张拉阶段受拉外，其余阶段都受压，且整体规律相似。

与设计张拉方案相比，张拉方案2在跨中顶板的位置2，即顶板长臂端处应力差值更大。张拉过程中，在预应力钢筋N4张拉到100％时出现最大值差异44.75％。全部张拉完成后，差值为34.36％。由于底板结构对称，位置3和位置4差值相似，在N5张拉到100％时有最大值差异91.67％，终张拉阶段为27.84％。

与设计张拉方案相比，张拉方案3在跨中顶板长臂端处应力差值更大。张拉过程中，在预应力钢筋N5张拉到100％时出现最大值差异78.01％，全部张拉完成后，差值为16.72％。底板应力在N5张拉到60％时有最大值差异189.47％，终张拉阶段为7.7％。

由图11-1可以看到，三种不同张拉顺序下中梁终张拉阶段梁端支反力相差较小。与设计张拉方案相比，方案二在张拉阶段6有最大差值49.14％，终张拉阶段为1.09％。方案三在张拉阶段3有最大差值13.99％，终张拉阶段为6.37％。

由图11-2可以看到，三种不同张拉顺序下中梁终张拉阶段跨中反拱度相差较大。在梁体完全起拱后，与设计张拉方案相比，方案二在张拉阶段7有最大差值66.48％，终张拉阶段为33.01％。方案三在张拉阶段3有最大差值168.07％，终张拉阶段为15.48％。

由图11-3至11-6可以看到，与设计张拉方案相比，张拉方案2的跨中顶板应力在N5张拉到60％时有最大值差异115.71％，预应力束全部张拉完毕后，差值为49.36％。底板应力在N5张拉到60％时有最大值差异82.1％，张拉完毕阶段50.21％。

与设计张拉方案相比，张拉方案3的跨中顶板应力在N5张拉到60％时有最大值差异61.35％，预应力束全部张拉完毕后，差值为71.96％。底板应力在N5张拉到60％时有最大值差异137.98％，张拉完毕阶段10.72％。

不同张拉顺序对T型梁梁端支反力张拉过程影响较大，对终张拉过程影响较小。不同张拉顺序对T型梁跨中反拱度张拉过程和最终张拉结果影响均较大，先张拉N1、N2、N3会使得T型梁反拱度减少。不同张拉顺序对T型梁张拉过程和终张拉阶段应力影响均较大，从总体应力变化曲线来看，张拉顺序对T型梁上缘影响更大，即N1、N2、N3这三根预应力束对T型梁上缘应力影响更大。

综合比较来看，方案一的T型梁结构应力和反拱度都更有利于结构安全性和稳定性。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都属于本发明的权利要求的保护范围。