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1、后张法预应力一端张拉和两端张拉施工方法的研究 周辉 （中建三局第一建设股份有限公司，武汉 430040） 摘 要：在预应力混凝土结构施工中，张拉是非常关键的一道工序，它直接影响结构的承载能力和耐久性。目前工程中基本采用两种张拉方式，即先张法和后张法。本文结合武咸公路改造工程的施工实践，通过现场实验分析以及ANSYS有限元建模的方法，对后张法预应力一端张拉和两端张拉的施工方法进行比较研究，以作为类似施工时选择最佳施工方法的借鉴参考。 关键词：后张法预应力 液压千斤顶 真空压浆 有限元 1、引言 近年来，随着我国经济的高速发展，桥梁建设呈蓬勃发展趋势。在全国各地，各类铁路桥、公路桥、立交桥等如雨后
2、春笋兴起，并且出现了许多大跨度和超跨度的桥梁。在大部分桥梁建设工程项目中，预应力混凝土构件得到了非常广泛的运用，它在减轻结构自重，提高抗震、抗裂能力，充分发挥材料的强度，改善构件受力性能和扩大钢筋使用范围等方面都具有良好的效果。预应力张拉是预应力混凝土构件施工中非常重要的一个环节，它直接影响桥梁的安全行以及使用年限。目前，工程中大量采用后张法预应力张拉施工，而后张法在施工时又分为一端张拉和两端张拉，两者在材料、设备、人工的使用量，以及施工方法和管理水平等要求上都有所不同。在实际的施工中，应当根据现场实际情况，采用比较合理的施工方法，是提高工程质量和增大企业效益的重要保证。 2、预应力现场施工的
3、实验统计与分析 武咸公路改造工程是沿原武咸公路道路中线建设一条双向六车道的城市高架桥，为三箱室大跨度箱梁结构，共计57联，除少数为钢箱梁外，其它全部为预应力混凝土箱梁，由此可见预应力工程对于本工程的总要性不言而喻。本文以混凝土箱梁的顶板横向预应力张拉为研究对象，目的在于找出预应力一端张拉和两端张拉两者间哪个更适合工程实际情况。 2.1 张拉实验组织与策划 本实验以L23联的A节段和B节段的顶板横向束为研究对象，其中A节段设计为一端张拉，B节段根据设计变更为两端张拉。主要从以下几个方面进行：施工成本、工程进度、施工效果。 实验中，我们在A节段随机抽取20束顶板横向钢绞束，在B节段也随机抽取20束
4、顶板横向钢绞束，A、B两节段的两个实验段同时开始实验。为保证实验的同步性、连续性、和精确性，在实验开始前，机电管理人员要对两个试验段的机器设备以及接线用电做一次全面仔细的检查，确保在实验过程中不会机器和用电故障导致实验中断。并且请安全管理人员对现场安全防护进行仔细排查，确保现场的安全文明施工标准规范。由于预应力张拉属于特种作业，张拉过程必须严格按照规范要求来操作，张拉工人必须系好安全带，千斤顶正后方必须竖放2-3块厚木板，周围1平方米范围内严禁站人，张拉过程中必须有安全员全程监控。 实验开始前，工作人员将两个实验小组所需的实验机械材料用量，以及人员配置做了详细统计，统计情况如下表1和表2。 表
5、1为机械材料的用量统计，两端张拉所需的机械材料用量为一端张拉的一倍。 表2为施工人员配置统计表，两端张拉在各个上所需的人力为一端张拉的一倍。 待各方面准备就绪后，两个实验小组和实验策划人员核对手表时间，实验正式开始。 2.2 实验结果与讨论 实验结束后我们对两个实验小组完成张拉所需时间进行了统计，我们以 5束为一个结点，统计情况如下： 很显然，通过表3我们能很清楚的看出，不管在哪个结点，一端张拉比两端张拉完成任务所需的时间都要短，完成所有20束钢绞束的张拉，前者比后者所需时间要少90分钟。 张拉的效果一般是通过伸长量来衡量的，为此我们在两个实验小组各随机抽取了10组数据进行分析。具体张拉数据如
6、下表4和表5。 由表4可以看出，一端张拉实际测量的伸长量都要小于理论伸长量，绝大部分伸长量都在170-176mm这个区间段内，并且所有实际伸长量与理论伸长量之间的偏差值都大于-6.00%,满足设计规范要求的6% 6%这个区间段，符合设计要求。 由表5可以看出，两端张拉实际测量的伸长量都要大于理论伸长量，实测伸长量都在180-188mm这个区间段内，并且所有实际伸长量与理论伸长量之间的偏差值都小于6.00%,满足设计规范要求的-6% 6%这个区间段，符合设计要求。 比较表4和表5，我们不难发现，两端张拉的效果还是要略好于一端张拉，但是总得的来说两者间差不多，一般不超过15mm,占理论伸长值的8.
7、33%，小于 设计上限规定的12%，满足设计规范要求的，可见无论是一端张拉还是两端张拉，都符合设计以及工程实际要求。在工程实际中，当采用一端张拉时，为了达到两端张拉的效果，往往在设计规范要求范围内，采用超张拉的手段。由此可见，在工程中无论采用一端张拉还是两端张拉，都能满足工程实际要求，两者对预应力混凝土构件的作用效果几乎是一样的。 根据现场预应力管道压浆施工状况统计发现，两端张拉的20 根波纹管注浆全部通畅，而一端张拉的20根波纹管中发现有一根冒浆情况不理想，冒浆量小，且冒浆速度慢。其原因是工人在封口时一时疏忽，发泡剂用量过多，部分堵塞岀浆管，从而导致岀浆不畅。由此可见，一端张拉对前期准备工作
8、的要求比两端张拉高，需要专业的施工队伍和管理人员。 2.3 实验结论 一端张拉在机械材料用量，施工人员配置，以及完成同等工作量所需时间上都要少于两端张拉。由此可见，从施工成本和工程进度这两方面考虑，采用一端张拉要比两端张拉有优势。在张拉效果上，两端张拉要略好于一端张拉，但在实际工程实际中通过超张拉的办法，可以使两者对钢筋混凝土构件的作用效果达到一致。另外，特别要注意的一点是，一端张拉对施工队伍和管理人员的要求要比两端张拉要高，如果这两个方面的到保障，一端张拉后期注浆施工进度要快于两端张拉。所以，从各方面综合考虑，一端张拉的施工方法要优于两端张拉的施工方法。 3、ANSYS有限元模拟与分析 由于
9、施工现场实验技术条件所限，我们无法得知一端张拉和两端张拉后钢筋混凝土内部的受力与变形状况，因此也就无法从更深层次比较两者的优劣。为此，我们借助ANSYS有限元软件，通过仿真模拟，得到一端张拉和两端张拉后钢筋混凝土的受力与变形状况。 3.1 ANSYS有限元分析模型 在模拟中我们取钢筋混凝土箱梁面板的一小部分长方体为研究对象建立简化了的有限元模型，该长方体的长度为2.0m, 宽1.0m，高0.1m，空心圆柱半径0.03m。 （1）材料性能设定 混泥土弹性模量E=34500MPa，泊松比=0.2,单轴抗拉强度Ft=3.1125MPa，裂缝张开传递系数0.35，裂缝闭合传递系数1；钢筋为双线性随动硬
10、化材料，弹性模量E=200000MPa，泊松比=0.25,屈服强度0.2=360MPa，硬化斜率为20000，配筋率为0.01，沿长度方向和宽度方向放置钢筋。 （2）有限元模型 基于模型结构简单，建模时采用全模型自顶向下的建模方法，模拟时，对板块模型采用专门为混泥土、岩土等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元SOLID65；SOLID65是在三维8节点等单元SOLID45的基础上，增加了针对混泥土的性能参数和组合式模型，可以模拟混泥土中的加强钢筋以及材料的拉裂和压溃问题，所以适合本文所要分析的问题。对刚性垫片，选择SOLID45单元对其分析。 对实体模型划分网格时，采用映射和扫略相结合
11、的方法划分为规则而紧密的六面体单元网格，以尽量减少四面体单元的使用，从而避免严重的应力集中，开裂越早。 图1 分析模型图 （3）边界条件及求解方法 两端张拉时，在两端的两个长方形环面上均施加45MPa的均布载荷；一端张拉时，在张拉端长方形环面上施加45MPa的均布载荷，锚固端则在管道内长方形面上施加Y方向的位移约束，并施加45MPa的均布载荷。本文分析为对混泥土的非线性分析，为了使分析结果能有较好的精度且能达到正常收敛，所以在实际加载过程分为多个载荷步缓慢求解，求解过程中需打开大变形效应。 3.2 模拟结果与分析 （1）等效应力云图 图2 两端张拉应力云图 图3 一端张拉应力云图 由图2和图3
12、可以看出，一端张拉的最大应力为39.909MPa，,两端张拉为39.471MPa，两者应力值相差0.438MPa,这个差值很小，在工程实际中这么小的差值是可以忽略的。由此可见，无论是一端张拉还是两端张拉，其内部混凝土的应力状况基本一致。 （2）应变云图 图4两端张拉应变云图 图5 一端张拉应变云图 由图4和图5可以看出，在千斤顶张拉端，一端张拉的最大应变为0.001168，两端张拉最大应变为0.001155，一端张拉的应变较之两端张拉要稍稍大一些，两者仅仅相差0.000013；而在一端张拉的锚固端，最大应变为0.001132，比两端张拉要小0.000023；因此两端张拉两边应变值加起来要比一端
13、张拉两端应变值加起来要大0.00001，相差很小。这说明一端张拉和两端张拉作用在钢筋混凝土上，其内部产生的应变情况基本相同。同时，两者应变值这个差距，这也和实验张拉数据相对应，很好的解释两端张拉的实测伸长量为什么要比一端张拉要稍稍大一点的原因。 （3）积分点开裂状态（状态可为压碎、裂纹张开或是裂纹闭合） 图6 两端张拉开裂状态 图7 一端张拉开裂状态 图6和图7中，数值显示条中，最小2表示各个方向上裂纹张开、最大16-表示各方向上裂纹闭合（如果有1，则1表示三个方向上都压碎）。从图6和图7中我们可以发现，一端张拉和两端张拉其积分点开裂状态是一致的，也就是说，在两者的作用下，混凝土的裂纹发展趋势
14、以及可能的破坏位置都是一样的。 3.2 模拟结论 通过ANSYS有限元模拟，可以的到预应力一端张拉和两端张拉，钢筋混凝土内任一点的应力和应变状况。从应力和应变云图我们可以看出，一端张拉和两端张拉对混凝土的作用效果基本上差不多。同时，通过应力云图可以验证两端张拉的实测伸长量应该略大于一端张拉。 4、全文总结 1）通过后张法预应力实验组织策划，我们发现一端张拉在施工成本要比两端张拉要小得多；在工程进度方面，一端张拉也要快于两端张拉。 2）通过对预应力实验数据分析，我们发现一端张拉和两端张拉在伸长量上相差不大，两端张拉要略大于一端张拉，在工程实际中，两者差别不大。 3）通过ANSYS有限元软件对一端张拉和两端张拉进行模拟，得到混凝土内部应力和应变云图，发现两端张拉和一端张拉对混凝土的作用效果基本上一样。 5、参考文献 1 王寿华，等.建筑施工手册.第四版.北京：中国建筑工业出版社，2003. 2 苏志英.后张法预制铁路箱梁工程施工质量控制J.山西建筑,2008,34 （32）：214-215. 3 王长江，黄河大桥48m箱梁段预制施工关键技术研究J.石家庄铁道 学院 学报，2008（9）：110-114. 4 傅温，张玉明，王宏彬.高效预应力混凝土工程技术.中国民航出版社，1996。 5 李围，等. ANSYS土木工程应用实例.第二版.北京：中国水利水电出版社， 2007.