先张法预应力台座设计及优化
陈勇
（长沙市天心城市建设投资有限责任公司）
摘要：本文以介绍江肇高速公路预制场预制空心板台座作为分析研究对象，介绍了先张法预应力台座设计思路、计算方法及方案优化。
关键词：先张法、台座、设计、优化
1工程概况
江肇高速公路预制Y1标位于广东江门市，原为小山丘，通过开挖土方，平整场地建成现预制场，因此预制场地土属超压土，固结情况较好。
由现场情况看来，土属红粘土。
该区属于亚热带海洋性气候，雨水充沛，年平均气温较高。
该项目具有以下工程特点：
①工期较长，从正式生产至结束总共10个月。
②规格及数量较多，Y1标预制板规格包括6m、10m、13m、16m和20m的板，其中6m空心板160片，10m空心板178片，13m空心板72片，16m空心板320片，20m空心板1386片，共计2116片。
③受雨季和地基土质影响，因为雨季较长，降水量较大，对排水要求相对较高，土质属粘性土，为防止雨季渗水影响到张力台座正常工作和为使台座整体性更好，先在土基上铺垫15cm碎石垫层，并在垫层上现浇20cm厚槽式台座底板。
2先张法预应力台座设计及优化
2.1 先张法预制台座平面布置方案
根据现场工程情况，选用先张法张拉台座为整体框架式台座。
考虑龙门吊跨径布置及提运方便，规划设计7个长条形张拉槽位。
张拉槽总长131m，总宽20.8米，占地面积共计2724.8m2。
预应力台座布置平面图如下：
2.2 台座设计及验算
该台座为整体框架式张拉台座，其传力柱横截面为60cm×60cm，传力柱之间用扁平矩形截面联系梁连接，传力柱和联系梁都是C40砼，底板为厚20cm的C30砼。
端横梁设计可选用钢筋混凝土和钢结构结构两种方案，分别进行验算比选。
2.2.1采用钢筋混凝土端横梁方案
钢筋混凝土端横梁采用C40混凝土，主筋采用直径28的Ⅱ级钢，箍筋为直径12mm的Ⅱ级钢筋；传力柱主筋采用直径25mm的Ⅱ级钢筋，箍筋为直径8mm的Ⅰ级钢筋；联系梁主筋采用直径12mm的Ⅱ级钢筋，箍筋为直径8mm的Ⅰ级钢筋；底板采用的纵向筋为直径12mm的Ⅱ级钢筋和横向为8mm的Ⅰ级钢筋。
为提高张拉端稳定性，在张拉端横梁下面浇筑厚1.5m基础C25混凝土。
1）墩台自重
墩台及牛腿部分总重：P=365.82kN，其作用点距牛腿与传力柱身结合处1.42m，计算可得，抗倾覆安全系数K＞1.5，抗滑移安全系数K＞1.3。
由于该张拉台座属于整体框架式台座，且张拉力与传力柱轴线重合，该轴心力对传力柱产生弯矩可以不用计算。
2）传力柱截面设计验算：
由于该传力柱为轴心受压，计算时取中间槽，同时张拉2条13米边板，旁边2槽同时张拉1条20米边板的最不利情况的传力柱，轴力即为张拉产生的合力：Nj=4491.9 kN 设计构件截面为正方形截面，边长a=600mm，由于有联系梁参与工作，因此最长杆节应取两联系梁之间的任一节10000mm，计算长细比λ=16.7，可查得弯曲系数φ=0.84；纵向钢筋配筋率为μ’=1.1%。
传力柱采用的是C40砼，砼的抗压设计强度Ra=23MPa,纵向钢筋的抗压设计强度
'340g g R R MPa ==。
可由下式计算得所需的纵向钢筋数量：
=6138.33 kN ≥Nj=4491.9kN
因此截面设计符合要求，并且安全系数S=1.37，安全系数较大。
3）张拉端横梁验算：
端横梁为双筋矩形截面，梁宽b=100cm ；梁高h=150cm 。
该端横梁为多次超静定结构，为了简化计算，偏安全按承受均布荷载的简支梁进行简化，取最不利中间槽位长2.8m 的端横梁段计算，均布荷载q=1813.5kN/m ，计算可得最大弯矩Mj=1777.23kN/m 。
由设计图可知受压钢筋面积重心至截面受压边缘距离a ’=40mm ，受拉钢筋面积形心至截面受拉边缘a=40mm ，h0=h-a=1500-40=1460mm 。
由Ag=8620.5mm ，Ra=23MPa ，Rg=340MPa ，,求得受压区高度x 为：
''g g g g
a R A R A x 0
R b -==
按规范规定x<2 a ’时，需验算以下两种情况，即：
① 取x=2 a ’，即有
=3329.58kN/m
②不考虑受压钢筋工作，按单筋矩形截面，求得
g g
a R A 3408620.5x 127.4mm R
b 231000⨯===⨯，
正截面抗弯承载力如下：
=3273.15 kN/m
由上可知：Mu1＞Mu2，因此Mu= Mu1=3329.58kN ·m
由于Mu=3329.58kN·m＞Mj=1777.23 kN·m，因此截面设计符合要求，并且安全系数较大，裂缝控制验算偏安全。
2.2.2采用双拼钢横梁端横梁方案
若按钢横梁方案设计，简化计算后，截面所需的抵抗矩W=M/f=5733×103mm3，选用Q345（16Mn）钢，双拼56a工字钢，并在工字钢翼缘处各加焊2cm的钢板，Wx’=8261.6×103mm3＞W满足要求。
计算可得：钢横梁的剪力V=ql/2=2538.9kN；钢横梁的剪应变τ=37.1MPa<fv=185 MPa；钢横梁的计算变形值ω=5ql4/384EI=3.4mm。
钢横梁容许变形值：[ω]=l/400=7mm＞ω，但由于ω＞2mm，挠度大于2mm可能对张拉产生不利影响，须进行加焊加劲钢板进行加强，增加了质量安全控制的不确定性。
综合考虑，为确保台座框架式结构有更好的整体性和安全性，采取钢筋混凝土端横梁方案对该工程更科学，预应力台座布置立面图如下：
3安全技术措施保障
1）做好场地排水，在台座四周设排水沟，避免雨水、施工用水等浸泡基础，同时将台座范围内场地全部硬化处理。
2）在施工时采用间隔作业方式，尽量避开最大荷载组合，减小传力柱的受力，增加安全系数。
3）在前期施工时，进行测量观察横梁及传力柱的位移及高程变化值，用实际受力验证台座是否满足安全施工要求。
另外，在台座使用3个月后，再次进行测量观测，是否有位移情况变化。
4结语
采用简化计算后，结果偏安全，通过有限元软件进行分析后，对局部位置进行了优化。
现在该预制工程已全部完成，采用该设计方案进行施工，在确保了质量和安全的前提下，顺利按期完成了施工计划任务，取得了良好的经济效益和社会效益。