预应力桁架

预应力桁架（精选7篇）

预应力桁架 篇1

预应力钢结构[1,2](Prestressed Steel Structures,简称PSS)是在钢结构中施加预应力,以提高构件或结构的承载能力,减小其变形,达到节约钢材、降低造价的目的。通过施加预应力,使结构构件控制截面产生的应力与设计荷载产生的应力符号相反,在结构中产生有利的应力分布。采用预应力技术是改善结构性能,节约钢材,提高综合经济效益的重要技术措施,并已逐渐为广大工程技术人员和业主所接受。

1 预应力钢桁架优化发展及国内外研究现状

在钢结构中施加预应力的方法,在19世纪末就已提出。1897年茹霍夫设计的莫斯科百货商场对拱形钢屋盖施加了预应力,这是最早的预应力钢结构之一[6]。预应力钢结构在建筑结构中真正广泛应用,也还是近50年的事情。

预应力钢结构已从基本构件(如梁、屋架等)扩展到刚架、桥梁结构、悬挂屋盖结构、塔桅结构,取得了良好的经济效益。预应力钢结构作为一种新颖的结构,在前苏联、捷克、德国、比利时、英国、美国、加拿大等国家得到较广泛的应用。相关的理论和试验研究也从基本构件的静力强度分析深入到动力和疲劳性能、弹塑性阶段受力性能、优化设计、高效预应力技术以及预应力钢结构经济学的研究。

我国20世纪50年代后期也开始预应力钢结构的研究与开发,并在一批工矿企业的输煤栈桥和吊车梁上采用了预应力技术。同时对一批旧有的桥梁及构筑物采取了预应力加固措施。50年代中期已经集中了国内主要科研力量攻关,将此课题列入国家重点科学研究项目,取得了重要成果。1959年的山西大同煤矿四老沟矿的输煤栈桥是我国的第一座预应力钢结构构筑物,这也揭开了我国预应力钢结构实践发展的序幕[6]。

五六十年代,我国一些高等院校及科研单位进行过这方面的理论与试验研究,取得了一些成果,并且将研究成果应用于预应力拱形屋盖梁、预应力输煤栈桥等结构中,迄今这些结构仍然使用良好。近年来,随着我国经济形势的迅速好转,钢产量逐年增加,预应力钢结构的应用日益增加,并已经进入了一个新的发展阶段。与此同时,我国的预应力技术也迅速发展,研究与应用水平有了很大提高,某些方面已经赶上国际先进水平,积累了丰富的设计和施工经验。这些都为预应力钢结构在我国的应用和发展创造了良好的条件。这表明,预应力钢结构在我国具有很好的发展前景,值得进一步深入、全面地研究与推广应用,为我国经济建设服务。

平面钢桁架是预应力钢结构领域中研究最早的一种结构形式,并且是预应力钢结构中应用范围较为广泛的一种结构形式,其中主要以简支桁架、连续桁架、悬臂桁架、拱式桁架和立体桁架研究和应用的较多。

2 优化一般所采用的方法

对于预应力钢结构,其合理的体型和钢索布置、钢索预应力的准确建立与控制、动力分析、抗震性能、非线性分析及结构的优化设计、索力的优选等问题仍是急需研究解决的课题。广义结构优化研究包括:结构尺寸优化、形状优化、拓扑优化、布局优化、考虑可靠度的优化、考虑材料变化的优化、动力结构优化、控制结构优化、非线形结构优化等众多分支。在优化设计的发展过程中,曾经提出许多优化算法。按照优化结果的特征,可以将优化算法分成两大类:确定性算法和随机性算法。

2.1 确定性算法

确定性算法根据算法特征可以分为3类:解析法、优化准则法和数学规则法。

2.1.1 解析法

解析法是基于古典的微分极值原理及变分原理的经典方法,通过寻找使目标函数W(x)对x的导数等于0来求函数的极值。对于无约束条件的情形,可直接用微分求极值的方法来得到目标函数的优化值;对于等式约束条件,可以采用变量消去法或Lagrange乘子法,把问题转化为无约束条件下的极值问题进行求解。解析法的优点是:从数学上看,解析法具有理论上的严密性和计算上的精确性;从使用上看,由于得到解析结果而不是数值结果,所以具有广泛的适用性。但是解析法的缺点是实用范围很小。

2.1.2 优化准则法

优化准则法[9]是根据工程经验、力学概念以及数学规划的最优性条件,预先建立某种准则,通过相应的迭代方法,获得满足这一准则的设计方案(解),作为问题的最优解或近似最优解。在早期的结构优化中,大多按工程经验和直觉来提出优化准则,如等强度设计准则、同步失效准则、满应力准则、满位移准则和满能量准则等。

准则法的优点在于:1)收敛速度快,重分析次数一般与设计变量的数目没有多大关系,计算工作量大为减少;2)从工程角度而言,准则法比较直观,易为结构设计人员所接受。准则法还基本上属于一种“经验性”的工程方法,在应用上有很大局限性。准则法的主要缺点是不同性质的约束条件要使用不同的准则(如应力、位移、频率等有关准则);结构优化的目标一般只限于重量最轻,而且结构布局和几何形状是固定不变的,设计参数一般只限于结构构件的截面尺寸。准则法缺乏坚实的理论依据,它的收敛性没有严格的数学证明,目前尚无法严格证明当设计变量满足优化准则时,就一定也满足最优设计的要求。适用于简单的静定结构强度分析问题,对于涉及稳定、动态或其他稍微复杂的分析就难以应用。

2.1.3 数学规则法

数学规则法是将优化问题抽象成数学规划形式来求解,即把问题归结为在设计空间,由等式约束超曲面和不等式约束半空间所构成的可行域内,寻求位于最小目标等值面上的可行点即为问题的最优解点。数学规则法有严格的理论基础,在一定条件下能收敛到最优解,但它要求问题能显示表示,并且大多数还要求设计变量是连续变量,目标函数与约束函数连续且性态良好。目前,数学规则理论中,对于线性规则问题(目标与约束函数均为设计变量的线性函数),单纯形法已经非常成熟,是一种比较常用的、不需要计算函数导数的直接方法,能保证获得全局最优解。

2.2 随机性算法

2.2.1 随机性算法

随机性算法即非确定性的优化算法,优化步骤在一定程度上依赖概率事件。该种算法不一定能寻得最优解,但是它可以找到更优解,这种思路与人类行为中成功的标准是很相似的。几乎所有的随机性算法都可以在概率意义下渐进收敛到全局最优解,即这些保证以概率1渐进收敛。

目前常用的随机性优化算法主要是仿生学的方法,因为生物在漫长演变过程中按照“适者生存”的原理逐渐从最简单的低等生命一直进化到人类,其本身就是一个绝妙的优化过程。常用的仿生学方法主要有遗传算法、模拟退火算法、神经元网络算法、结构智能优化设计等。

2.2.2 基因遗传算法

基因遗传算法最早是由美国Michigan大学的J.H.Holland教授于1975年创建的,主要是利用二进制编码来表示染色体,依据遗传机制由父代二进制编码繁殖下代二进制编码来模拟生物群体的进化历程。遗传算法的主要优点是有很强的解题能力和很广的适应性。遗传算法的主要缺点是群体的进化历程冗长,也就是迭代次数和计算工作量非常庞大。

2.2.3 模拟退火算法

退火是使金属中晶体发育完善的一种加工过程。金属熔融后要缓慢冷却,而且加热再冷却的过程要反复多次,如果冷却时间不够长,达不到平衡态,生成的晶体会有缺陷,甚至会成为没有晶序的玻璃态。模拟退火法的优点是能处理连续—离散—整数设计变量的非线性规划问题,因不使用梯度和二阶导数阵,故不要求函数可微与连续,能寻求全局最优点,防止过早陷入局部最优点。模拟退火法的主要缺点是效率不高。

2.2.4 神经元网络算法

人工神经元网络是由大量神经元广泛互连而成的,它是对生物神经网络的模拟。人工神经元一般是一个多输入单输出的非线性器件。当然单个人工神经元的结构和功能很简单和有限,但有大量具有非线性的神经元连接成网络后,输入信号要在其间反复传递,使网络处在状态不断改变的动态过程中,通过并行作业实现计算与模拟,其能力极为惊人。

因而近年来引起计算机科学、信息科学、微电子学、自动控制和机器人、脑神经科学等领域专家的巨大兴趣与研究应用。由于神经网络算法对目标函数的态性没有严格的要求,具有很高的平行处理能力,因而是一种很有发展前途的工程优化方法。当然也存在不少缺点与问题,如容易陷入局部最优解与计算工作量大等,目前人们还把它与其他搜索策略与算法组合使用,以求有更多进入全局最优解域的机会。

2.2.5 结构智能优化设计

近几年,计算智能与结构优化理论的结合,构造了结构智能优化设计。它主要由结构智能模糊优化设计、结构神经智能优化设计、结构进化智能优化设计和结构智能优化设计的集成化组成。它作为结构优化设计的分支也正受到人们的重视。

3 前景与展望

预应力钢结构在目前已具有广阔的应用前景,如体育馆、会议厅、展览馆、航站楼、候车大厅以及工业厂房等的屋盖结构。它除了用于屋盖结构外,还可用于楼层结构、墙体结构和特种结构等需要大跨度、大空间的结构形式,其可以集中钢结构和预应力技术各自的优点,充分利用和挖掘钢材(包括预应力钢材)的受拉性能和潜力。在我国钢结构日益发展的形势下,大力开展预应力钢结构计算理论和设计方法的研究,寻求和掌握节约钢材的理论和途径,并创建新的更为合理的钢结构体系是我国当代科技工作者的历史责任,其意义是很深远的。

摘要：对预应力钢结构进行了介绍,探讨了预应力钢桁架的优化发展及国内外的研究现状,仔细地分析了预应力平面钢桁架的优化方法,并展望了预应力钢结构的应用前景,从而推动钢结构体系的应用。

关键词：预应力桁架结构,优化设计,钢结构,应用前景

参考文献

[1]陆赐麟.预应力钢结构发展50年(1)[J].钢结构,2002,60(4):42-43.

[2]陆赐麟.预应力钢结构发展50年(2)[J].钢结构,2002,61(5):50-54.

[3]李占军,张福海,刘锡良.拉索拱结构几何非线性分析的实际方法[J].建筑结构学报,1996,20(3):15-17.

[4]K.C.Sarma,H.Adeli.Cost Optimizahon of Steel Structures[J].Engrg.Optimization,2000,32(6):27-28.

[5]陆赐麟,尹思明,刘锡良.现代预应力钢结构[M].北京:人民交通出版社,2003.

[6]钟善桐.预应力钢结构[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1986.

[7]马杰,吕保盛,霍相如,等.特大跨度预应力空间钢桁架施工[J].施工技术,1997(11):25-27.

[8]舒赣平,吕志涛.预应力钢结构与组合结构的应用和发展[J].工业建筑,1996,28(3):50-51.

[9]钱令希.工程结构优化[M].北京:水利电力出版社,1983.

预应力桁架 篇2

煤炭在我国能源结构中占重要比重, 但煤矿巷道安全形势不容乐观[1]。实践证明了U型钢等被动支护的不可靠性[2], 因此现今复杂条件下巷道的常用联合支护形式, 即锚杆、锚索、金属网及其他支护构件, 再配合型钢支架等[3,4]。上述支护结构中, 传统锚索主要依靠悬吊理论起作用, 只能提供径向力, 并不能提供切向力, 当顶板松软破碎、无稳定上覆岩层时, 传统锚索的使用受到限制, 预应力桁架锚索则能很好的解决这些缺点。

1 预应力桁架锚索支护原理

预应力桁架锚索结构如图1 所示, 其锚固点位于巷道两肩窝深处的三向受压岩体, 支护结构具有更稳定的基础。相比传统锚索预应力桁架锚索优点主要体现在[5,6]: 1) 受力后形成闭锁结构, 具有更好的稳定性; 2) 使顶板锚固体中性轴下移, 锚固区内更多岩体处于压应力状态; 3) 预应力的施加使得桁架锚索产生向上的力, 与围岩及其他支护结构共同承受上部覆岩的重力及剪力, 使锚固体所受拉应力和剪应力被部分抵消。

2 试验巷道概况

2. 1 巷道地质条件

研究对象为某矿工作面回风巷, 平均埋深560 m左右, 倾角为7° ~ 9°, 巷道形状为矩形, 净宽4. 5 m, 净高3 m, 净断面为12. 5 m2。该回风巷沿煤层顶板掘进, 直接顶为灰色细砂岩, 平均厚度0. 95 m;直接顶为深灰色砂质泥岩, 平均厚度4. 55 m; 老顶为灰色中砂岩, 平均厚度8 m; 底板为黑色泥岩, 性软, 平均厚度1. 65 m。

2. 2 原巷道变形原因分析

原回风巷采用W钢带、锚杆、锚索、金属网联合支护。顶部采用W钢带压网、锚杆、锚索锚固顶板; 两帮采用木托板锚杆金属网联合支护。已发生过冒顶事故, 冒顶高度5 m ~ 6 m。

原支护设计的主要问题为:

1) 巷道顶板无稳定岩层供锚索在铅垂方向悬吊, 且单体锚索安装时不能实现水平方向预紧力。冒顶区域巷道的每两根锚索形成一组, 每组锚索采用沿巷道走向布置的槽钢相连, 但由于中部顶板同步下沉, 两锚索间无相对位移, 槽钢不能起到张紧作用, 属被动支护类型。2) 煤巷两帮煤体较松软破碎。3) 冒顶区域巷道的原始支护设计方案中, 顶板靠帮角处锚杆没有一定倾角, 容易形成剪应力集中。4) 冒顶区域巷道的原始支护设计方案中, 两帮帮角锚杆控制半径大于非帮角锚杆, 导致高应力区支护强度低于其他区域。5) 回风顺槽服务时间较长, 需经历巷道掘进期、回风顺槽掘进期、回采设备安装期、采面衔接期、采动影响期和回采期, 变形破坏时间长。

3 数值模拟

针对上述问题, 提出了采用预应力桁架锚索+ 锚杆, 并配合钢带及金属网的联合支护方案。

3. 1 数值模拟方案

利用有限差分软件FLAC对该回风巷进行支护模拟。根据弹塑性理论, 取5 倍巷道高宽作为模型边界, 模型的尺寸为60 m ×44 m ( 高 × 宽) , 本构模型选择摩尔—库仑模型。模型上部为应力边界, 根据上部覆岩重力施加均布荷载, 左右及下侧为位移边界。分别对不同支护参数下的桁架锚索进行模拟分析, 以期得到最优支护效果。

模拟方案见表1。

3. 2 模拟结果分析

巷道底臌量变化不受桁架锚索倾角、长度、孔口与煤帮的距离的影响; 巷道两帮移近量及顶板下沉量则明显受到桁架锚索倾角、长度、孔口与煤帮距离的影响。具体结果如图2 ~ 图4 所示。

1) 锚索角度由45°增加至85°时: 两帮移近量略微增加; 顶板下沉量先减小后增大, 65°点为最小点, 模拟显示顶板下沉129 mm。因此桁架锚索角度应尽量选取为65°, 此时对巷道顶板的控制能力最强, 效果最好。2) 桁架锚索长度由5 m增加至9 m时: 顶板下沉量逐渐减少; 两帮移近量先减小, 后基本保持不变, 7 m处为转折点, 说明锚索达到7 m后, 长度上的增加对两帮围岩变形的影响会越来越小。综合考虑支护效果、经济因素、施工难易等, 锚索长度7 m为最佳。3) 随着桁架锚索孔口与煤帮距离增大, 巷道顶板下沉量及两帮位移量均先减小后增大。距离1. 25 m时顶板下沉量最小, 模拟结果显示为121 mm。距离为1. 1 m时两帮移近量最小, 模拟结果为102 mm。因此当锚索与煤帮距离在1. 1 m ~1. 25 m取值时, 围岩变形综合控制效果较好。

4 工程应用

4. 1 支护方案

根据数值模拟结果及该回风巷实际情况, 确定支护方式为预应力桁架锚索+ 锚杆联合支护。桁架锚索采用 15. 24 mm, 1 × 7股高强度低松弛预应力钢绞线, 两锚索的间距为2. 3 m, 锚索角度65°, 长度7 m, 距煤帮1. 1 m, 连接器预紧力张拉至120 k N。布置方式见图5。

顶锚杆为 ф20 × 2. 5 m左旋无纵筋螺纹钢锚杆, 两帮顶角锚杆与铅垂线夹角为15°, 间排距均为0. 8 m, 树脂锚固, 再配以钢托板、W钢带及金属网, 顶锚杆的预紧力矩应不小于120 N·m。

巷道两帮采用 ф20 × 2. 4 m左旋无纵筋螺纹钢锚杆, 间排距均为0. 8 m, 树脂锚固, 再配以钢筋托梁及金属网, 其中最上位的帮锚杆距顶板300 mm, 与水平面的夹角为10°, 预紧力矩不小于100 N·m。

4. 2 支护效果分析

采用十字布点法安设表面位移监测断面, 分别测量巷道顶板及两帮位移, 在改变支护方式后, 每2 d观测一次, 连续监测一个月, 监测结果见图6。

由图6 可以看出: 1) 巷道断面收敛率小, 顶板下沉量及两帮移近量均被控制在120 mm以内, 巷道围岩有害变形得到了较好的抑制。2) 巷道围岩早期变形速率较大, 实施监测20 d后顶板下沉量趋于稳定, 25 d后两帮移近量也趋于稳定。由支护效果可知, 采用预应力桁架锚索支护, 巷道围岩变形控制效果较好。

5 结语

1) 巷道顶板松软破碎, 且断面较大时, 预应力桁架锚索能增加锚固区煤岩体抗剪能力, 减小区域内最大拉应力, 提供较好的支护效果。2) 数值模拟表明, 预应力桁架锚索支护在不同的现场条件下, 锚索倾角、长度及锚索孔口与煤帮距离等参数具有可优化性, 且分别对巷道围岩影响侧重点不同, 应在实际应用时进行恰当选择。3) 现场实践中, 采用预应力桁架锚杆支护后, 巷道围岩变形得到了有效控制。

摘要：为有效控制煤矿巷道围岩变形, 提出了预应力桁架锚索支护方案, 利用有限差分软件FLAC进行了数值模拟, 优化了桁架锚索角度、长度及锚索孔口与煤帮距离, 并将研究结果应用于现场实践中, 顶板下沉量被控制在120 mm以内, 表明桁架锚索能有效抑制巷道围岩的变形破坏。

关键词：巷道,桁架锚索,预应力,破碎顶板,数值模拟

参考文献

[1]孙继平.煤矿事故分析与煤矿大数据和物联网[J].工矿自动化, 2015, 41 (3) :1-5.

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[5]张农, 李学华, 高明仕.迎采动工作面沿空掘巷预拉力支护及工程应用[J].岩石力学与工程学报, 2004, 23 (12) :2100-2105.

预应力桁架 篇3

1 预应力钢结构概述

所谓预应力钢结构就是在钢结构上增加荷载力之前, 通过施加初应力才重新调整钢结构的分布规律, 从而增加钢材料的强度或者是加大钢结构的刚度。近些年来, 预应力钢结构被广泛应用于建筑工程项目当中。在施工过程中, 施工人员将预应力以及钢结构有机的结合起来, 并通过现代化施工方式对建筑工程项目进行设计与施工。为了能够满足人们对于建筑物日益增高的需求, 在保证建筑物的质量要求的基础上, 还需要建筑物拥有个性化的独立空间, 所以在施工过程中, 施工人员应该结合钢结构的特点与设计要求, 并将其各种制约性条件进行综合考虑, 再通过各种钢结构在建筑工程中的应用不断完善与优化, 从而保证建筑物节能环保性以及提高建筑物的经济效益。通常情况下, 我们将预应力钢结构的作用及意义综合考虑, 然后在将其运用在建筑工程当中, 以达到提高施工安全、质量等效果, 预应力钢结构的应用在目前工程项目中具有非常重要的作用。钢结构的优化设计主要是为了帮助建筑工程达到安全性、经济性的效果, 从而提高建筑的经济效率。随着当前信息化的不断发展, 现代信息化不断支持着钢结构的形状优化。目前, 设计师往往通过自己的经验来对钢结构进行严格的选型与设计, 并以此形成相应的理论来对建筑结构进行施工, 这种情况往往会使建筑结构存在较大的安全隐患和质量问题。所以设计师不能够只根据自己的经验来进行设计, 而是需要超越经验, 再结合实际情况对钢结构进行分析, 对施工进行有效的控制, 选用质轻、经济的结构材料, 从而达到建筑结构的设计要求。

2 预应力索-桁架优化概述

2.1 优化概述

就目前的建筑结构优化而言, 其在工程项目中进行结构优化设计与处理在于寻求一种既安全、又经济的结构方式, 其在施工的过程中对于这些建筑结构而言都是一种综合性的工作模式, 这些工程环节的施工与处置对于整个工程项目而言都是一种全面系统化的工作流程与理念, 在设计的过程中主要包含对框架结构的尺寸、数值、比例以及大小形状等多种信息进行综合的设计与管理, 对于其中的预应力控制方面进行直接系统的优化。由此可见, 在钢结构中, 无论是采用施加预应力的控制设计流程还是直接进行结构优化设计, 其在设计的过程中目的都是相同的, 都是为了在设计和施工的过程中节省钢材, 降低施工成本, 提高工程效率和质量。然而两者所研究的侧重点又有所区别:在预应力的控制过程中钢结构在设计中都是通过设计者经验进行分析和选择的, 这个过程中由于设计人员经验因素的影响, 使得容易出现各种不全面和不合理的问题。这是由于在设计中人为的影响因素太大, 各种影响结构模式不断涌现, 成为主要的影响缺陷和问题形式。而预应力荷载是结构自平衡的一种特殊形式的荷载, 是在目前设计中由人为加上去的结构形式, 因此在设计中在满足预应力的前提之下可以进行确定分析, 促使其在满足结构设计要求的同时进行一定变量分析, 使得其能够满足目前的设计发展要求。鉴于此, 将预应力钢结构与结构优化设计能够有机的结合起来, 使得其形成一套系统的结构控制措施, 为当前建筑工程项目施工成本的降低提供了相应的节约方式。

2.2 优化的数学模型

在目前的工程项目中, 我们常见的预应力结构形状的优化通常都是以数学模型为基础进行施工和处治的。且在应用的过程中对于其中存在的管理措施与完善控制模式都是一种以索力值、截面尺寸和节点的坐标为一体的综合性管理控制模式, 在这种管理系统中, 对于其中的各种流量变动要严格处理, 使得其在处理的过程中形成一套系统的管理控制模式。设计变量包括三类:索力值、截面尺寸、单元及索节点坐标。即数目;索的预拉力, #为布索根数;$为所要变动的单元节点和索节点坐标矢量;为结构的性态约束方程 (包括应力、位移及稳定性约束) , 是约束总数, 该方程中应包括预应力作用阶段及预应力和荷载共同作用阶段的约束条件;分别为第, 杆截面尺寸的上、下限;为结构所要变动的节点数。优化方法在数学模型式中, 包含了三类不同类型的设计变量:截面尺寸、索力值、单元和索节点坐标。由于优化模型的非线性及三类不同类型的设计变量之间的耦合, 为该模型的求解带来很大的困难, 为此合理处理三类变量成为求解该模型的关键。在当前文章中针对各种变量方式进行控制分析, 使得其能够完美的结合当前的设计发展要求进行。

结束语

由此可见, 在进行预应力钢结构形状优化的设计过程中, 应该综合考虑施工过程中的各种制约条件, 本文中所提出的优化方法的适用范围非常广, 它还可以优化预应力索力值以及建筑的尺寸, 而且其收敛速度极快。上述方法具有质轻、刚度大等优点。该方法还可以适用于拓扑优化钢结构, 也就是在建筑结构中, 有效构件的截面的尺寸可以为0。预应力钢结构在运用过程中, 至少有一次是静定结构, 可以在进行形状优化的过程中给截面的尺寸一个下限值, 已达到建筑结构的稳定的效果, 在进行形状优化过程中, 可以采用节点渐进法来进行, 根据试验证明, 该方法是可行的。

摘要：随着我国社会经济的不断发展以及城市化进程的不断加快, 建筑行业也得到了非常显著的发展, 在工程项目建设过程中, 资源、能源消耗严重, 这极大地制约了我国国民经济的发展。针对于这样的情况, 我国在建筑行业中提出了节能、环保的理念, 为实现以建筑优化结构形状为主的工作方式而提出预应力索-桁架结构为主的设计理念以及工作模式, 这种结构的应用得到了社会中广泛的认同, 目前已成为建筑行业中不可缺少的一部分, 并且能够有利于社会实现可持续发展。本文首先分析了预应力索-桁架结构现状, 然后阐述该结构在建筑行业中的运用, 以及对于结构形状优化设计的分析, 并提出优化的要点, 以供大家参考。

关键词：预应力设计,桁架结构,钢结构

参考文献

[1]张爱林, 张国军, 刘学春.适用于多次预应力钢结构的新型锚具和可滑移支座[J].工业建筑, 2005 (06) .[1]张爱林, 张国军, 刘学春.适用于多次预应力钢结构的新型锚具和可滑移支座[J].工业建筑, 2005 (06) .

[2]张爱林, 陆赐麟.我国预应力钢结构技术规程编制及有关研究问题[J].钢结构, 2005 (01) .[2]张爱林, 陆赐麟.我国预应力钢结构技术规程编制及有关研究问题[J].钢结构, 2005 (01) .

预应力桁架 篇4

桁架梁桥是大跨径桥梁的重要结构形式之一。目前大多数的桁架梁桥是预应力混凝土结构, 桁架桥梁在外观方面具有更好的使用性能, 桥下拥有开阔的视野, 桥下的净空间也很大。跨径越多技术越难, 所以跨径的大小是显示一个桥技术水平的重要指标。

按照承重方式, 桥梁可分为实腹桥和桁架桥。实腹桥的尺寸和面积受弯矩的大小控制, 而当力均匀作用在桥上时, 跨度越大弯矩越大。当桥梁跨径大时, 腹板的法向平均应力值较小, 这样材料就没有得到完全利用, 所以实腹梁桥的跨径一般不大。而桁架桥的拉压力是由桁架上的各个杆件分担, 所以利用率高, 跨度大。

实腹桥因其结构简单、造价便宜一般多用在预应力混凝土桥梁结构上, 而桁架桥则在公路上和铁路上使用的较多。

1预应力混凝土桁架梁桥的概述

预应力混凝土桁架梁桥主要结构是两片主桁架和纵横向联结系。该结构能充分利用每一个构件, 从而具有刚度大、重量轻、跨径大等优点, 并且该结构下混凝土不会出现裂缝。另外, 该结构的重量轻、钢材和水泥用量相对较少、外形美观等优点, 加之结构受力很合理、伸缩缝小等特点, 该种结构的桥梁正在广泛使用中。预应力混凝土桁架是由两种材料共同构成的, 即预应力钢材和混凝土。预应力混凝土桁架梁桥有多重设计形式, 要求杆与杆之间的连接要尽可能简化, 构件的构造尺寸也在要进行考虑。预应力混凝土桁桥有着很好的发展前景, 桁架的结构也越来越科学合理, 其中拉压桁梁桥是最合理的桥梁结构, 在小跨度和大快读桥梁中都具有很强的竞争力。

2工程概况

2.1设计标准

某段桥梁设计要求有以下几点:

(1) 线路等级为四级, 设计行车运行速度为20 km/h。

(2) 桥梁总宽5.5 m, 包含两道各0.5 m宽的防撞护栏。路基总宽5.5 m, 包含两道各0.5 m的土路肩。

(3) 桥梁两端的纵坡为5.0%, 竖曲线半径为1 000 m, 变坡点设在侨中。

(4) 该桥是建造在水面上方的桥梁, 航道等级设计为III级。

(5) 本桥设计使用年限为100 年, 安全等级为二级, 环境类别为I类。

2.2结构设计

主桥上部结构为预应力砼桁架梁结构, 计算跨径为80 m, 计算高度为8.0 m, 桁架上弦杆的横截面为矩形, 尺寸为65 cm × 65 cm。桁架下弦杆的横截面也是矩形, 尺寸为85 cm × 65 cm。节点间距均为8.0 m, 节点处设置横梁。主桥有8 cm的预拱度, 拱形符合二次抛物线规律。引桥上部结构采用20 m先张预应力混凝土空心板, 每块板配15 根钢绞线。主桥的桥墩采用薄壁墩身, 每个墩身采用4根桩, 桩径为φ150 cm。引桥的桥墩每个墩身采用2 根桩, 两根桩之间的距离为3.3 m, 桩径为φ1.1m。主桥和引桥的基础均是φ120 cm的钻孔灌注桩。

3预应力桁架桥的施工技术

3.1桁架的制造

3.1.1构架预制

桁架梁桥的主要结构为桁架, 修建该桥梁的首要任务就是进行桁架中国各个构架的制作。根据本桥梁的结构设计, 将80 m的桁架梁划分成8 个节段, 两个节点之间的距离为一个节段的长度, 节段与节段的连接采用现浇混凝土接头的方式。该桥地处某工程线路上, 采用先修桥再通河的方法, 在桥孔位置上先预制桁架, 然后再采用整体放样分段浇筑的方式。预制构架现场, 要先将场地平整夯实, 然后再在上面加一层混凝土。这项工作完成之后, 先按桁架尺寸整体放样, 按节段立模, 由于工期的限制, 本工程采用的是木模板。为了方便浇筑混凝土后模板更容易拆掉, 在浇筑之前应该在模板上刷涂隔离剂。

该桥梁的预应力钢筋布置方式为直线布置, 预留孔道相对应的采用镀锌管, 管的两端要留有50cm的长度, 为了方便管的转动和使用过后的抽离, 在管上应钻眼并将钢筋装进管内。管准备好后即放入木模板中。

在进行浇筑混凝土工作之前, 要进行一系列工作的检查, 首先是一般性的检查, 如没有问题再进行更细致部位的检查。例如, 制孔管的位置是否摆放正确、光滑度和平直度是否满足要求, 桁架梁桥的在节点处的钢筋非常密集, 如果没有防护措施很容易串浆, 所以制孔管在下弦杆断面内部需要套上隔浆管。另外, 注意接头处弦杆在纵向方向的搭接长度是否足够。

混凝土的强度也有一定的要求, 本次桥梁的设计强度为600 kg/cm2, 配合比为1∶1.383∶2.940, 水泥的型号为普硅525 号, 每立方米水泥的用量是383 kg, 水与石灰的比例为0.45, 含砂率控制在32%, 这种配比使混凝土的强度比设计强度更高。浇筑混凝土时同一般的混凝土浇筑一样, 采用插入式振动器进行混凝土的密实工作。每一阶段的浇筑方式为一次性浇筑。

3.1.2预应力张拉工艺

为了更好的实现该桥梁的功能, 本次采用的预应力张拉工艺为先进的精轧螺纹钢筋后张铺股工艺。选用的钢筋为40Si2Mn Mo V, 这种钢筋具有优良的特性, 强度、刚度均较大。它的化学成分和力学性能见表1、表2所示。

锚具的选用较简单, 由螺母和一个垫板组成, 螺母是该工艺的关键, 是预应力和混凝土构件中间力的传递的重要工具。张拉采用的千斤顶是YG-70型穿心式单作用千斤顶。

张拉操作的具体步骤:

(1) 先将预应力钢筋插入预先设置好的孔道, 然后锚具安装好, 并拧紧, 钢筋的位置在居中。

(2) 将穿心拉杆安装在张拉端, 拉杆在拧进去的距离不少于6倍螺距。

(3) 将千斤顶安装在穿心拉杆上。

(4) 确定好千斤顶、穿心拉杆、锚具的具体位置, 保证预应力钢筋中心线和张拉力的作用线在一条直线上, 不得有偏斜。位置确定好后, 就可以开动油泵进行张拉。张拉进行的同时, 螺母也要不断拧紧, 主意螺母不要拧近千斤顶的壳体内, 且要保证油压的稳定, 不得大小不定, 直到拉至设定的吨位。

(5) 由与钢筋的拉伸长度超过了千斤顶的行程, 所以还需要进行第二次的张拉, 重复第四点中的动作。

(6) 本桥的预应力张拉需要在两端进行, 先在一端进行张拉, 完成后再以剩余的预应力值张拉另一端。

预应力张拉完成之后, 必须马上在孔道内压注水泥浆。但是, 也要保证注入前管道的清洁度。本桥采用的压降泵为电动活塞式, 压浆采用的水泥是600 号硅酸盐水泥, 灌浆的顺序是先下后上, 但是也要注意上层孔道的灰浆降落阻塞下层孔道。下弦杆的预应力孔道较长, 一次压浆不能完成, 需进行二次压浆, 两次压浆的时间间隔为20 min, 压浆是要注意对你压浆的控制, 排气槽有浓浆冒出后就将小槽封闭, 浆液将孔道注满后立即关闭电泵, 停止压浆, 确保不使浆液外露。压浆结束后, 待水泥固结, 且强度达到设定值后, 用氧乙炔火焰在预应力筋的两端进行烧割, 并将之前安装的设备清理掉。

3.2桁架梁的安装

桁架的制作完后之后就要进行桁架梁的安装。前文已提到, 桁架梁是分阶段的, 安装时再将分阶段的桁架梁桥拼接在一起, 对接头进行混凝土浇筑, 再张拉下弦预应力钢筋。

在进行桁架梁安装工作之前要先进行准备工作, 包括吊装机具和支架的安装、轴线和标高的控制。主桁调装选用无缝钢管制作的八字扒杆, 钢管的尺寸为φ273 mm、厚度为10 mm, 最大吊重达到30t。该桥采用混凝土块砌成的安装墩作为临时支架, 安装墩的具体位置为节段的两端。另外, 下弦杆要进行预应力的张拉, 所以节段的两端还要再增设加强墩。关于轴线与标高的控制, 首先要确定中线和支点位置, 安装精度要求很高, 误差控制在5mm之内。桁架上的标高以下弦杆中间的预应力孔道的中线高程为测量标准。

具体的安装步骤为:

(1) 将阶段I的其中一片桁架用人字扒杆立起来, 然后吊运至安装支墩上, 标高和轴线的位置非常重要, 用千斤顶和硬木楔进行调整, 调整好后安装揽风锁和预先制作好的临时支撑。

(2) 重复上述第一点将另外一个桁架安装好。

(3) 两片桁架均安装好之后, 上弦之间增加临时横撑, 同时节段两端也要设置一对临时剪力撑。

(4) 最后安装顶梁和桥面横梁, 接头的钢筋要焊接牢固。

(5) 剩余的阶段桁架的安装方法和阶段I类似。

安装完成之后进行接头的混凝土浇筑。

4结语

预应力工艺易操作, 工序较少, 所以施工简单, 时间较短。该桥梁在建成并通车两年后, 未出现问题, 使用情况良好。本次施工的地理环境是在土质较软的位置, 说明桁架桥在此种地质条件下仍能成功修建。

参考文献

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[3]刘延龙.钢管混凝土桁架梁桥异形薄壁桥面板现浇施工技术研究[J].铁道建筑技术, 2015, (12) .

[4]霍玉卫.下承式钢管-混凝土桁架组合梁桥钢管桁架安装施工技术[J].安徽建筑, 2014, (02) .

[5]中交第一公路工程局有限公司, 主编.公路桥涵施工技术规范[M].北京:人民交通出版社, 2011.

[6]四川省公路规划勘察设计研究院, 编.公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南[M].人民交通出版社, 2008.

[7]张振博, 梁伟, 李涛.群钉预制板连续组合梁桥受力性能分析[J].公路交通科技 (应用技术版) , 2012, (06) .

[8]娄有原.钢筋混凝土组合梁桥全过程的非线性分析[J].中国公路学报.1994, (01) .

预应力桁架 篇5

随着煤矿生产力的不断发展和锚杆支护理论的完善和成熟, 以及“十五”期间的科技攻关, 锚杆支护在煤巷掘进支护中的比重越来越大, 目前全国主要矿区煤巷锚杆支护的比重超过了70%, 一些现代化大型矿井的比重超过了90%, 其主要原因在于煤巷锚杆支护有以下诸多优点:1.1在支护原理上符合现代岩石力学和围岩控制理论, 锚杆与被锚固围岩共同承载, 属主动支护, 能够调动和利用围岩自身的稳定性, 充分发挥围岩的自身承载能力, 有效地控制巷道围岩变形。1.2适应性强, 支护成本随采深增加、条件恶化的升幅, 不像棚式支护大幅度上升, 相反降低的更多, 支护效果更显著。1.3在相同地质条件下, 参数合理的锚杆支护, 围岩变形量通常比棚式支护减少一半以上, 一般条件下不需要维护, 困难条件下, 只需简单、快捷的维护。1.4所需材料体积小、重量轻, 辅助运量大大降低, 既减轻了工人的劳动强度, 又改善了作业环境。工作面端头不需要撤棚, 节省了回棚工序, 简化了端头管理。

2 煤巷锚杆支护存在一些问题

虽然煤巷锚杆支护有许多优点, 但由于其是隐蔽性较强的支护形式, 参数确定以后, 怎样确保工程质量和施工安全比较困难, 条件恶化或变化时不及时采取针对性的措施常常导致冒顶事故的发生。目前一些特殊地质条件如松软煤层的高帮, 大倾角巷道高帮, 沿空巷道, 高应力巷道的锚杆支护使用程度还很有限。这类巷道在高应力作用下, 帮部变形很大, 常常造成巷道收缩变形致使巷道无法使用, 特别是对于沿空掘巷, 目前的高性能锚杆组合支护技术也显得无能为力, 巷帮的变形量尤其是煤柱帮, 在掘巷之初就有明显的变形, 到回采阶段, 变形量通常达到总变形量的70%以上, 断面收缩近2/3, 巷道无法使用, 甚至造成安全事故, 许多工作面不得不停产翻修巷道或另开掘巷道, 给矿井的安全和生产带来极大的危害, 如何真正有效地解决这些复杂条件下的煤巷锚杆支护问题变得越来越急迫。因此, 我们创新性地提出在煤帮使用预应力桁架进行支护, 可以有效抵抗巷帮与顶板之间的相对错动剪切力, 有效控制帮部向巷内位移, 从而减少巷帮变形, 使巷道满足生产需要。

3 现有常用桁架的种类与特征

3.1 建筑类桁架概念和特征。

目前建筑行业使用的是建筑类桁架, 是指工程中由杆件通过焊接、铆接或螺栓连接而成的结构, 称为“桁架”, 通常是钢桁架, 主要是一种空间体系的架式结构, 其特征和用途与矿用桁架完全不同。建筑桁架的工程要求:足够的强度-不发生断裂或塑性变形;足够的刚度-不发生过大的弹性变形;足够的稳定性-不发生因平衡形式的突然转变而导致的坍塌;良好的动力学特性-抗震性。3.2简易锚杆桁架结构和特征。目前煤矿常用的桁架是简易锚杆桁架结构, 其主要由两个托板、两根倾斜锚杆和两根拉杆组成。托板的材料为铸钢, 托板上设计有1个倾斜锚杆孔和两个拉杆孔。拉杆为相同的两根螺纹钢或Q235钢筋, 两根钢筋的两端均制有螺纹, 通过螺母与托板联结在一起。简易锚杆桁架是一种能在巷道顶板的水平及垂直方向同时提供挤压应力的主动支护结构。在拉杆和两倾斜锚杆的协调作用下, 随着巷道顶板的弯曲变形, 在巷道顶板内部产生更大的水平挤压应力, 巷道顶板与桁架锚杆之间存在作用与反作用及相互制约的关系。

4 新型预应力桁架支护技术

4.1 预应力桁架的概念。

预应力桁架是将巷道两肩窝深部岩体作为锚固点, 专用张拉机具通过桁架连接器将高强度的预应力钢绞线锁紧, 并传递张拉力, 实现对顶板浅部围岩的兜护和对顶板结构的加固, 控制顶板的离层、防止顶板加固区整体垮冒。它由预应力高强度钢绞线、桁架连接器、锁具和锚固剂组成。4.2预应力桁架的作用机理。预应力桁架最初应用在顶板, 当支护的预应力达到一定程度时, 能形成预应力承载结构, 该结构不仅能够通过大变形实现对外层结构的适应性让压, 同时能够在大变形中保持整体稳定性。具有这种变形让压和整体稳定性特征的层状顶板结构叫预应力承载梁, 它具有连续传递应力的效应, 从而使垂向应力集中程度减缓, 两帮煤体破坏减弱, 消除或大大减缓顶板离层, 并从根本上控制巷道围岩的最终变形量, 以达到最佳支护效果。这种支护方式充分发挥了各自的优势, 刚柔相济、内外并举、标本兼治, 即控制变形又保证安全, 达到了安全和经济效果。4.3预应力桁架与锚索对比的优点。预应力桁架与锚索相比有许多优点:a.桁架内锚固点为巷道两肩窝深部岩体, 十分可靠, 而锚索内锚固点在巷道正上方, 可能随顶板垮落而失效;b.桁架中拉紧的钢绞线与顶板形成线或面接触, 作用范围大, 松散破碎顶板受力状态好;而锚索与顶板围岩是点接触, 外端煤体易破碎, 并导致锚索松动;c.钢绞线抗剪性强, 能够缓解水平应力导致的顶板支护结构的剪切破坏;d.随围岩变形易形成闭锁结构, 支护结构不易失效;而锚索随顶板变形, 载荷直线上升, 易拉断失效;e.桁架施加的水平预拉力在巷道顶板内产生一对对称弯矩, 平衡顶板弯曲而产生的拉应力区, 减少顶板破坏, 大大改善了顶板的稳定性。4.4预应力桁架的具体形式。4.4.1顶板桁架。预应力桁架在煤巷顶板已得到了广泛的使用, 施工工艺和技术日趋成熟, 特别是跨度较大的巷道, 应用桁架支护能够有效控制顶板变形, 满足矿井生产和安全需要。当巷道跨度大于4.0m, 直接顶为复合顶板时, 单纯施工锚索无法实现锚索的补强支护作用时, 为加强对顶板岩层的控制, 可垂直巷道走向施工顶板桁架, 桁架锚索以巷道两帮顶部较为稳定的岩层为锚固点, 而后两根锚索中间用桁架连接器联结并强力张拉, 产生的均布的水平方向载荷, 支撑顶板, 增大了护顶面积和强度, 达到护顶的目的。4.4.2帮部桁架。顶板桁架解决了大断面巷道顶板稳定与安全性问题, 但复杂条件下煤巷帮部稳定性问题给我们提出了更大挑战, 通过现场试验, 我们成功将顶板桁架应用于帮部, 支护时以顶底角为锚固点, 桁架产生的均布竖直方向的载荷, 形成“梁”结构, 以煤帮深部稳定围岩的小变形控制巷道外部的大变形, 解决煤巷帮部变形大的技术难题。帮部桁架又有两种方式:一是帮部竖向桁架, 用于实体和沿空, 这已在许多矿区推广应用, 效果良好;一是帮部横向桁架, 这些均是桁架支护在理念和手段的创新。4.5预应力桁架的施工方式。顶板桁架的施工与锚索相比有些区别, 这儿主要对帮部桁架的施工方式给予说明。4.5.1帮部竖向桁架的施工方式。分别在巷帮靠顶底板位置施工钻眼, 锚杆桁架施工60°时效果最好, 而我们通过现场试验, 钻眼角度与水平夹角40°~50°左右时效果良好;然后用扫孔器将眼内煤岩粉吹扫干净;在孔内穿桁架钢绞线, 钢绞线前端放树脂药卷锚固;用桁架专用联接器将两根钢绞线联接, 安装配套索具并用张拉仪进行张拉紧固, 张拉力不低于70k N。4.5.2帮部横向桁架施工方式。帮部竖向桁架在使用过程中出现了问题, 底角锚索钻孔的施工难度大, 锚固效果差, 针对此现象, 我们提出了横向桁架的支护形式, 以张新煤矿实际应用为例, 分别在靠近帮部的下部和上部适当位置施工眼孔, 垂直打入帮部, 为方便施工, 可适当向上10°左右, 仍用桁架联结器连接锚索, 张拉要求同竖向桁架, 完成两个横向桁架跳过两排钢带后安装第二排两个横向桁架。

结束语

预应力桁架支护技术在控制顶板离层、大倾角高帮整体移动、小煤柱松散变形及深井高应力软岩巷道围岩关键部位加固等复杂条件下的应用具有很强的灵活性和针对性。我国每年新掘煤巷10000km以上, 其中20~30%是各类复杂条件下煤巷, 成功应用预应力桁架支护技术, 就为该类煤巷锚杆支护提供了安全和技术保障, 同时给煤炭企业带来巨大的经济效益和社会效益, 应用前景非常广阔。

摘要：锚杆支护已成为当前煤巷的主要支护形式, 但由于复杂条件下仍存在一些安全和技术问题, 必须推陈出新。详细阐述了一种新型预应力桁架支护形式, 包括预应力桁架的概念、作用机理、与锚索对比的优点、具体形式以及施工工艺。最后给出了鸡西张新矿的成功应用实例, 表明了该支护技术在理念和手段上是煤巷锚杆支护的一个突破和创新, 有着很大的推广价值和广阔的应用前景。

关键词：煤巷,锚杆支护,预应力桁架,支护技术,创新

参考文献

[1]何满潮, 袁和生.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京:科学出版社, 2004, 4.[1]何满潮, 袁和生.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京:科学出版社, 2004, 4.

[2]付跃升.简易锚杆桁架在煤巷支护中的应用[J].建井技术, 1999, 4.[2]付跃升.简易锚杆桁架在煤巷支护中的应用[J].建井技术, 1999, 4.

预应力桁架 篇6

预应力混凝土桁架桥是一种常见桥型, 之所以能长期存在, 主要是其具有一定的经济技术优越性[1]。考虑经济方面, 桁架桥比起实腹桥更节省材料, 通过施加预应力筋可以节省10%以上的材料;考虑技术方面, 桁架桥受力明确, 便于分析计算, 刚度较大, 简支桁架是外部静定的, 内部有较低超静定, 杆件受力分布较为合理;考虑施工方面, 桁架桥施工工期较短, 装配简单[2]。另外, 桁架桥对地基的承载力要求较低, 整体较稳定。因此, 桁架桥在桥梁建设中具有较强的实用性。随着我国交通事业的迅速发展, 大跨度预应力混凝土桁架梁桥也得到了广泛的应用。

桁架梁早期曾采用木桁架, 但因木材易腐朽, 强度低, 跨越能力不大, 现在已经不大使用[3]。钢齿板连接木桁架 (轻型木桁架) 是采用齿板将规格材连接而成的工程木制品, 它的应用提高了木桁架承载能力。相关试验表明轻型木桁架在设计荷载下有很好的工作性能, 是一种经济、可靠、环保的结构体系[4]。钢筋混凝土桁架桥拉杆因受拉力而出现裂缝, 故甚少修建。对装配式钢筋混凝土简支梁桥而言, 在技术经济上合理的最大跨径为20m左右。对于超过20m的大跨度混凝土桁架梁桥, 为克服桁架梁桥竖杆及下弦杆件受拉而产生裂缝, 采用预应力混凝土桁架, 使拉杆在外荷载作用下产生很小的拉应力, 以保证在设计荷载下不出现裂缝[5]。

预应力混凝土桁梁设计有多种型式, 选择桁梁型式时要求杆件连接部分尽可能简化, 同时要综合考虑构件的构造尺寸。根据这个观点, 选择霍氏桁梁[6]是合理的。周边地区修建了几座霍氏预应力混凝土桁架桥, 如姜堰董潭大桥 (82m) 、兴化红星大桥 (82m) 及江都武坚大桥 (82m) 等。

预应力混凝土桁梁有着很好的发展前途, 目前桁架的结构型式做的越来越完善。认为拉压构件桥梁即桁式结构体系是最优桥式结构, 无论在中小型桥梁还是在大跨度桥梁的比选中, 都具有极大的竞争力, 具有广阔的应用前景[7]。

1 武坚大桥工程概况

1.1 设计标准

(1) 本桥接线公路等级:四级公路, 设计速度:20km/h。

(2) 桥梁设计荷载:公路-Ⅱ级的折减 (车道荷载的效应乘以0.8的折减系数, 车辆荷载的效应乘以0.7的折减系数) 。

(3) 桥梁宽度:净-4.5m车行道+2×0.5m防撞护栏, 桥梁全宽5.5m;路基宽度:净-4.5m车行道+2×0.5m土路肩, 路基全宽5.5m。

(4) 桥梁纵坡:桥梁两端纵坡为5.0%, 竖曲线半径为1000m, 变坡点设在桥中。

(5) 本桥结构的设计基准期:100年, 设计安全等级:二级, 环境类别:Ⅰ类。

1.2 主桥结构设计

主桥采用82m预应力砼桁架梁结构, 其计算跨径为80m, 计算高度为8.0m, 高跨比为1/10;桁架梁上、下弦杆均为矩形断面, 尺寸分别为65~85cm×65cm和85cm×65cm, 节点间距8.0m, 节点处设置横梁。主桥桁架梁跨中设置8cm预拱度, 按二次抛物线全跨分配。

2 施工方案与程序

2.1 主桥上部结构施工方案主桥上部结构施工程序:

(1) 场外分段预制桁架梁, 对桁架梁竖拉杆进行张拉, 压M40水泥浆。利用主墩及临时墩现场搭设施工支架, 预压施工支架。

(2) 安装3中段桁架梁, 现浇湿接头。

(3) 安装相应的内横梁及风撑, 现浇湿接头。

④张拉桁架梁下弦杆第一批钢束, 压M40水泥浆。

⑤安装2边段桁架梁, 现浇湿接头。

⑥安装端横梁和相应的内横梁及风撑, 现浇湿接头。

⑦张拉桁架梁下弦杆第二批钢束, 压M40水泥浆。

⑧对称均匀铺设桥面板。

⑨张拉桁架梁下弦杆第三批钢束, 压M40水泥浆。

⑩拆除桁架梁支架。

(10) 浇筑桥面铺装砼、防撞护栏砼等。

(11) 张拉桁架梁下弦杆第四批钢束, 压M40水泥浆, 封锚。

(12) 施工桥面其他附属设施, 成桥。

2.2 主桥上部结构部分施工流程图

主桥上部结构部分施工流程图如图3所示。图为张拉桁架梁下弦杆第四批钢束, 压M40水泥浆, 封锚。施工桥面其他附属设施, 成桥。

3 施工变形控制的目的

通过理论分析, 可以得到各施工阶段的理想标高, 但实际施工中受各种因素的干扰, 可能导致成桥线形偏离设计要求, 构件拼装精度达不到设计要求, 给桥梁施工安全、外形、可靠性、行车条件和经济性等方面带来不同程度的影响。因此, 有必要对施工全过程实施有效的施工监控, 确保成桥线形最大程度符合设计要求。目前, 施工变形控制已成为大跨度桥梁修建必不可少的质量保证措施。因此, 本桥施工变形控制的主要目的就是要确保施工过程中变形满足安全要求, 同时保证成桥后结构的线形符合设计要求。

针对混凝土桁架梁桥的结构特点, 施工变形控制首先必须对桥梁进行详细的事前预测分析, 即在施工前对施工方案进行研究和分析, 准确模拟施工过程, 确定施工过程中控制变形的关键点, 从宏观上控制全过程的安全和稳定。

桥梁施工变形控制是一个系统工程, 主要包括两个部分:一是数据采集系统, 即监测;另一部分是数据分析处理系统, 即控制。

混凝土桁架梁桥的施工变形控制是利用事先在桁架梁主要关键点埋设的性能各异的传感器和相关的测试仪器, 按施工方案的工序确定监测工况, 测得大量数据, 包括几何参量。本次施工变形控制主要包括的内容:桁架梁拼装过程中关键节点的控制标高。

混凝土桁架梁的施工变形控制是利用计算机软件, 对数据进行分析处理, 与原设计进行比较和误差分析, 并确定和指导下一个阶段的施工参数, 预报施工中可能出现的不利状况及避免措施, 尽可能使桥跨结构的线形达到设计预期值, 确保桥梁施工安全和正常运营。

4 施工变形控制的原则

桥梁的施工变形控制是一个预告→量测→识别→修正→预告的循环过程。施工变形控制的主要目的是确保施工中结构的安全和成桥线形满足设计要求, 即结构变形控制在误差允许范围内, 结构有足够的稳定性。

线形要求:成桥线形满足规范要求, 并确保桁架梁拼装节点坐标与预制构件线形符合设计要求。

本桥施工变形控制的方法:桁架梁中节点位移在施工过程中实时监测并反馈, 全桥结构以桁架梁截面变形作为控制。线形的控制主要通过桁架梁拼装施工过程中构件节点标高的调整实现。

施工中, 如发现线形误差偏大 (如湿节点标高与设计值相差较大) , 应暂停施工, 查明原因, 及时纠正, 尽可能满足要求。

5 施工变形控制系统的建立

根据本项目的实际情况选用自适应控制方法, 其基本原理为:通过施工过程的反馈测量数据, 不断更正用于施工控制的跟踪分析程序的相关参数, 使计算分析程序适应实际施工过程, 当计算分析程序能够较准确的反映实际施工过程时, 即以计算分析程序指导以后的施工过程。其基本步骤如下:

(1) 以设计的成桥状态为目标, 按照规范规定的各项设计参数确定每一施工步骤应达到的分目标, 并建立施工过程跟踪分析程序;

(2) 根据上述分目标开始施工, 测量实际结构的变形数据;

(3) 根据实际测量的数据分析和调整各设计参数, 以调整后的参数重新确定以后各施工步骤的分目标, 建立新的跟踪分析程序;

(4) 反复上述过程即可使跟踪分析程序的计算与实际施工相吻合, 各分目标也成为可实现的目标, 进而利用跟踪分析程序来指导以后的施工过程和必要的调整与控制。

武坚生产桥主桥跨径82m, 系预应力混凝土桁架梁结构, 通过施工中的构件控制截面标高数据采集, 对所采集的数据进行误差分析后, 不断修正设计参数, 使标高的计算与实测值之差不断缩小, 从而使计算程序控制住当前的施工过程, 进而预估将来的施工状况, 达到施工变形控制的目的。

本桥施工过程中变形控制应密切注意:桁架梁下弦杆拼装湿节点坐标的误差。

当然, 在施工过程中, 误差的产生是不可避免的。当控制点标高误差等参数满足工程精度要求, 则不必调整;当误差超出精度控制范围或各工况的累积误差已不容许时, 则必须进行调整。

6 施工变形控制计算分析

利用空间有限元软件SAP2000V14进行计算分析。该系统具有强大的计算功能, 能进行各种结构体系荷载的线性与非线性结构响应计算, 能够实现复杂的截面施工操作, 能够有效地模拟施工中采用的临时支架, 能够进行结构上下部共同作用的分析;可进行分阶段施工过程的计算分析, 输出各施工阶段对应的结构响应。

施工变形控制计算是将按实际施工过程划分施工单元, 按实际施工流程, 计算桁架杆件在施工过程中的竖向变形值。

7 施工过程中的变形控制点布置

7.1 支架预压监测

在桁架梁拼装前, 施工单位需根据设计和规范要求对支架进行堆载预压, 以消除其非弹性变形和沉降。监控单位分别对支架预压前、预压完成后 (卸载前) 和卸载后三个工况的沉降进行监测, 由此得到支架的弹性变形值, 用于桁架梁下弦杆节点标高计算。

7.2 结构变位监测

结构变位监测主要包括基础 (或临时墩) 沉降测量, 桁架梁控制截面标高测量。

(1) 基础沉降测量

在基础的承台上布设测点, 共设6个位移观测点。用水准仪进行基础沉降观测, 测点布置见图4。

(2) 桁架梁控制截面标高测量

由于桁架梁一旦形成, 后期调整余地很小, 因此, 桁架梁在预制阶段就要对其线形严格控制, 在安装过程中应监测其截面控制点标高, 对控制点截面各个工况的位移进行监测。两片桁架梁位移测量共设6个位移观测点。一片桁架梁位移测量的测点布置见图5。

8 桁架梁位移监测与分析

8.1 支架预压监测与分析

支架预压测点布置见图6。由表1可见, 临时支墩的平均弹性变形值为5mm, 支架跨中的平均弹性变形值为43.5mm。因此, 建议桁架梁安装时跨中设置40mm预拱度, 按二次抛物线全跨分配。

8.2 桁架梁位移监测与分析

工况一:搭设中孔桁架梁及横梁支架, 安装桁架梁中间3段及相应横梁和风撑, 张拉桁架梁下弦杆钢束 (一次) 。

工况二:安装剩余的桁架梁及相应横梁和风撑, 张拉桁架梁下弦杆钢束 (二次) 。

工况三:铺设桥面板, 张拉桁架梁下弦杆钢束 (三次) 。

工况四:拆除桁架梁支架。

工况五:浇筑桥面铺装砼等, 张拉桁架梁下弦杆钢束 (四次) , 成桥。

桁架梁位移监测测点布置见图7, 各工况桁架梁位移实测值与分析值比较见表2。由表2可见, 实测值与分析值差值之平均值:Y平均=7.3<10mm, 各工况桁架梁位移实测值与分析值基本吻合, 仅在工况4时桁架梁跨中测点位移实测值小于分析值1.5cm, 在工况5时桁架梁跨中测点位移实测值小于分析值1.7cm, 其主要原因有二:一是实际施工程序发生变化, 即桥面铺装在拆除支架前完成浇筑, 二是临时支墩反力的大小及其分布与计算模型产生的误差影响。考虑本桥跨中设置了8.0cm预拱度, 因此, 此偏差对桥梁线形影响较小。

9 结论与建议

(1) 根据支架预压监测结果分析, 建议桁架梁安装时跨中设置40mm预拱度, 按二次抛物线全跨分配。

(2) 桁架梁各工况测点位移实测值与分析值差值之平均值:Y平均=7.3<10mm, 测点位移实测值与分析值基本吻合。工况4时桁架梁跨中测点位移实测值小于分析值1.5cm, 工况5时桁架梁跨中测点位移实测值小于分析值1.7cm, 其主要原因有二:一是实际施工程序发生变化, 即桥面铺装在拆除支架前完成浇筑, 二是临时支墩反力的大小及其分布与计算模型产生的误差影响。由于本桥跨中设置了8.0cm预拱度, 因此, 此偏差对桥梁线形影响较小。

(3) 综上所述, 通过对预应力混凝土桁架梁桥施工过程进行变形控制, 其成桥过程中的线形符合设计及规范要求。

参考文献

[1]范立础.桥梁工程上册[M].北京:人民交通出版社, 2001.

[2]文昌福, 刘东旭.基于ANSYS的预应力混凝土桁架桥设计[J].交通科技, 2012.

[3]黄浩, 何敏娟.轻型木桁架应用及设计[J].建筑技术, 2009, 40 (09) :815-818.

[4]许晓梁, 马人乐, 何敏娟.轻型木桁架静力试验及承载能力分析[J].特种结构, 2006, 23 (01) :01-04.

[5]吕志涛, 刘钊, 孟少平.浅论我国预应力混凝土梁桥的技术与发展[J].桥梁建设, 2001, 01:52-56.

[6]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道出版社, 1992.

预应力桁架 篇7

关键词：大跨度,无粘结预应力桁架梁,施工技术

1 前言

大跨度钢筋混凝土桁架梁比一般框架结构要复杂, 由于配筋较密, 桁架梁节点支架多, 钢筋安装和支模难度大, 因此要求施工人员采用合理的施工方法才能满足结构物的质量要求。但是, 由于预应力桁架梁发挥了高强钢材和高强混凝土的优点, 降低了钢材的消耗量, 减小了构件截面, 从而减轻了构件的自重, 推迟了裂缝的出现, 提高了构件的抗裂性能和刚度, 使建筑新颖美观且结构安全。

2工程概况

某公共图书馆工程, 其结构形式为现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构。沿2轴, 3轴, H轴, J轴共四榀预应力桁架梁跨于3层顶板和4层顶板之间, 桁架梁高5 m, 跨度为32 m。其结构由上、下弦杆和斜拉、压杆组成。斜拉、压杆把上、下弦杆连接成为一榀桁架梁。混凝土强度等级为C40;预应力筋为低松弛无粘结钢绞线fptk =1 860 MPa;Φj= 15.2 mm。本文对大跨度无粘结预应力桁架梁的结构特点和施工工艺进行探讨, 供同行参考。

3施工工艺流程

预应力材料及设备的准备→铺下弦杆底模→弦杆非预应力钢筋骨架安装→控制点高度架力筋安装→穿下弦杆及斜拉杆预应力筋→支下弦杆侧模及端模→绑扎三层顶板钢筋→隐蔽验收→浇筑三层顶板及下弦杆混凝土→支斜拉、压杆侧模→浇筑斜拉、压杆混凝土→铺上弦杆底模→铺上弦杆非预应力筋骨架→安装控制点高度架力筋→穿上弦杆预应力筋→支上弦杆侧模及端模→绑扎四层顶板钢筋→隐蔽验收→浇筑四层顶板混凝土→混凝土达到张拉强度后张拉预应力筋→预应力筋端部处理。

4预应力结构的施工

施工前组织各级技术人员对图纸会审和技术交底, 对关键部位放出大样图, 发现问题及时与设计方协商解决, 并多次对技术人员和工人进行技术培训和交底, 对主要梁柱节点放1∶1 足尺大样, 实地演练。

4.1 预应力筋的下料及组装

无粘结预应力筋按照施工图纸规定进行下料。按施工图上结构尺寸和数量, 考虑预应力筋的曲线长度、张拉设备及不同形式的组装要求, 定长下料。预应力筋用砂轮切割机切割, 严禁用电、气焊。一端锚固、一端张拉的预应力筋逐根进行组装, 然后将各种类型的预应力筋按图纸的不同规格进行编号堆放。预应力筋锚固端挤压锚的挤压工艺:

(1) 将挤压锚夹片套装在预应力筋端部, 套入夹片后, 预应力筋外露长度20 mm为宜。

(2) 在装好挤压锚夹片外面穿入锚环。将锚环外清理干净, 并涂抹二硫化铝润滑脂。

(3) 将装好的端头穿入挤压摸模内, 开泵给油, 完成挤压锚锚固端的组装。

(4) 挤压锚固端组装件检查合格后, 在专用组装设备紧楔机将挤压锚固端组装在挤压锚座上, 并压实。

4.2 预应力筋的铺设

预应力筋布置方式为沿梁形心直线对称布筋, 在一条梁内一端张拉, 一端锚固, 不得混合布置。同时, 在梁内预应力筋相对位置不得变动。

4.2.1 铺筋前的准备工作

(1) 准备端模。

预应力梁端模采用木模。根据预应力筋的平、剖面位置在端模上打孔, 孔径25 mm。

(2) 架力筋制作。

根据设计图纸预应力筋矢高的要求, 加工架立筋 (≥ϕ12钢筋) , 并按型号不同, 编号保管。

4.2.2 安放架力筋

按照施工图纸中预应力筋矢高的要求, 将编号的架立筋安放就位固定, 其高度为预应力筋中线距梁底板的高度减去预应力筋半径。为保证预应力筋的矢高准确、曲线顺滑, 要求间距1.0 m～1.5 m左右设置一个架立筋。

4.2.3 穿预应力筋

根据施工图纸所示的无粘结预应力筋埋入长度, 将其进行统一编号。根据施工图预应力筋集团束在梁剖面图内的布置方法, 以及各点设计曲线高度布置预应力筋。将预应力筋与架立筋用细铅丝绑扎牢固。节点安装如下:

(1) 要求预应力筋伸出承压板长度 (预留张拉长度) ≥30 cm。

(2) 将木端模固定好。

(3) 凸出混凝土表面的张拉端承压板用钉子固定在端模上。

(4) 承压板尽量避免重叠, 必须重叠时重叠量不得大于2 cm以减小应力集中。

(5) 螺旋筋固定在张拉端及锚固端的承压板后面, 防止张拉时应力集中, 圈数不得少于3圈～4圈。

(6) 预应力筋必须与承压板垂直, 其在承压板后应有不小于30 cm的直线段。

4.3 混凝土的浇筑

4.3.1 材料及配合比控制

由于梁截面小, 钢筋较密, 混凝土浇筑困难。故采用塌落度70 mm～90 mm强度等级为C40混凝土, 石子采用粒径为5 mm～31.5 mm石子, 砂子采用中砂, 为增加混凝土的流动性, 掺加高效减水剂增加混凝土的和易性。

4.3.2 施工过程控制

(1) 采用直径较小 (直径=30 mm) 的振捣棒进行振捣, 多方向使用振捣棒插入振捣或局部结点辅以人工振捣。

(2) 节点处振捣时间适当加长, 适当加大混凝土的塌落度。

(3) 施工时分别在支座、跨中位置留置同条件混凝土试块, 进行同条件养护。以确定张拉日期。

(4) 本工程预应力部分与非预应力之间没有变形缝分隔所以在其交接之处留置1 m宽的后浇带, 要求梁板及剪力墙均断开以防止预应力张拉时的变形影响到非预应力部分结构, 造成裂缝。

4.3.3 施工要求

(1) 预应力筋铺设完后, 首先进行自检。主要检查预应力筋的塑料皮是否有破损, 如有, 要用防水胶粘带缠补好;所穿的预应力筋不能发生缠绕现象;检查张拉端和锚固端的安装质量;注意预应力钢筋的保护层, 保护层过小时可加钢丝网片以避免张拉时混凝土表面出现爆裂现象。

(2) 自检合格后由施工单位、质检部门、监理单位、建设单位、设计单位进行联合隐蔽验收, 确认合格后方可浇筑混凝土。

(3) 混凝土施工时必须保证混凝土振捣密实。承压板、锚板周围的混凝土严禁漏振, 不得出现蜂窝或孔洞。

(4) 浇筑混凝土时, 设专人负责看管预应力筋, 禁止振捣棒直接碰撞钢绞线, 保证预应力筋不发生移位, 塑料皮不破损。

4.3.4 拆模

混凝土初凝后, 应尽快拆除预应力张拉端的模板并及时清理张拉端承压板。待张拉前拆除侧模, 以检查混凝土的质量。梁的底模和支撑必须在预应力筋张拉后方可拆除。

4.4 预应力筋的张拉

待预应力张拉在混凝土达到设计规定强度后方可进行预应力筋的张拉。在施工质量验收规范中或设计文件中对混凝土强度有明确规定。但在施工过程中, 为加快模板的周转, 希望提前张拉, 提前拆模。过早地张拉, 建立预应力, 会因混凝土局部承压过大而引起混凝土损伤或崩裂, 即使在局压满足要求的情况下, 也会引起较大的收缩和徐变预应力损失。为合理解决这一矛盾, 施工中采取如下措施: 比通常情况下多留两组同条件养护的混凝土试块, 用以测定混凝土在某一养护期内所能达到强度百分率, 据此计算出混凝土结构能承受压应力, 再确定施加的应力值, 核算施加预应力后能否满足要拆模条件。当混凝土达到设计强度后, 再逐根补张拉至设计应力值。

4.4.1 材料及张拉设备

固定端:采用单束挤压锚, 由挤压锚锚具、承压板、螺旋筋组成;

张拉端:单孔夹片锚, 由单孔锚锚具、承压板、螺旋筋组成;

张拉机具:前卡式张拉千斤顶 (YCN-23.25)

4.4.2 张拉控制方法

张拉时, 张拉力按标定的数值进行, 用伸长值进行校和, 即张拉质量采用应力应变双控方法。根据《无粘结预应力混凝土结构技术规程》 (JGJ/T92-93) 规定张拉实际伸长值不应超过理论伸长值的1.6%, 不小于理论伸长值的94%。当张拉长束因千斤顶活塞行程不足需要多次张拉时, 应分级张拉, 中间各级临时锚固后, 重新安装千斤顶, 并重新读表和量测伸长值后再继续张拉, 避免伸长量测累计误差。

4.4.3 张拉计算

根据设计: fptk= 1 860 N/mm2;

设计控制应力为预应力筋实际强度的70%;

施工时采用超张拉3%;

故张拉控制应力为:

σcon=1.03×0.7fptk =0.7×1 860×1.03=1 341 N/mm2

张拉力:PJ=σcon×AP=1 341×139=186 000 N

预应力筋伸长值计算:

L=P.LT/AP ES;ES=1.89×105N/mm2;AP=139 mm2

上、下弦杆预应力筋长度为32.1 m, 伸长值计算PJ =186 KN, K =0.004, LT=32.1 m, ∏θ=0.12, △L= 199 mm

张拉实际伸长值应在210 mm～187 mm

斜拉杆预应力筋长度为6.7 m, 6.3 m

PJ =186 KN, K =0.004, LT=6.7 m、6.3 m, ∏θ=0.12

L = 43 mm、41 mm

张拉实际伸长值应在45 mm～40 mm, 43 mm～39 mm。

4.4.4 张拉要求

(1) 张拉前必须对所张拉的构件的同条件混凝土试块进行检测, 其强度不得低于设计强度的75%。

(2) 张拉前必须对张拉用的前卡式千斤顶和油泵进行检验和标定。

(3) 认真检查张拉端清理情况, 不能夹带杂物。

(4) 预应力筋与承压板必须保持垂直, 否则, 加写垫片进行调整。

(5) 千斤顶安装位置应与预应力筋在同一轴线上, 并与承压板保持垂直, 否则, 应采用变角器进行张拉。

(6) 张拉时应派专人观察梁的变形情况。

(7) 当油泵压力出现油泵压力突然升高或降低应立即停止给油检查原因。

(8) 当油泵压力达到计算值时应停止给油, 并保持2 min, 测量其伸长值与计算值对比, 到时间后回油。

施加预应力后, 实际建立的预应力值必须可靠, 以达到设计效果。规范规定预应力筋张拉锚固后实际建立的预应力值与工程设计规定检验值的相对允许偏差为±5% 。先张法施工中可以用应力测定仪器直接测定, 后张法施工中预应力筋的实际应力值依现有的技术设备条件在施工现场较难测定。故应着重做好以下几点:

(1) 控制应力取值, 换算张拉力及油表读数不能差;

(2) 准确量取预应力筋的实际伸长值进行校核;

(3) 千斤顶二次持荷比照法。除配备正常所需的张拉设备外, 另增设2 台不超过校验期的千斤顶, 专门用于复核建立的应力状况。

4.4.5 张拉后预应力筋张拉端处理

(1) 对于预应力筋张拉端外露锚具的情况, 用砂轮切割机切断, 切外露保留在锚具外侧的外露预应力筋长度不应小于3 cm, 进行防腐后套上护套。

(2) 后浇带支模后用高一级微膨胀混凝土浇筑, 要求处理好接茬, 混凝土振捣密实。

(3) 对于张拉端外露的锚具支模后用C40微膨胀混凝土浇筑并振捣密实。

5 小结

本工程于2006年11月预应力张拉完毕, 至今工程已经进入使用阶段, 现场观测结构可靠变形量较小, 未出现裂缝, 证明预应力结构在大跨度结构中采用得当效果很好。 [ID:3959]

参考文献

[1]江景波.建筑施工[M].上海:同济大学出版社, 1990.

[2]GB502042200, 混凝土结构工程施工质量验收规范[S].