轻轨高架现浇梁挂篮施工预应力张拉顺序与损失控制对结构性能的影响研究

引言

随着交通工程建设的推进，桥梁及高架结构在项目中占比越来越大。对于现浇梁体结构施工而言，支模架搭设及拆除是重要的施工分项，也是影响项目施工质量、进度及安全等的重要因素，受到研究者的重视。在现浇梁体模架施工工艺中，钢管立柱与贝雷架组合模架体系因其搭设及拆除速度快、整体稳定性好等优点，成为现浇梁体模架施工的主要工艺，受到行业的广泛关注和研究，也取得了一些新的研究成果。

一、轻轨高架现浇梁挂篮施工与预应力技术理论分析

（一）挂篮施工工艺与力学特性分析

挂篮施工是现代大跨度预应力混凝土桥梁，特别是轻轨高架桥连续梁、刚构桥中最为关键的悬臂浇筑工艺。其核心是在已浇筑完成的桥墩（0 号块）上安装一个能够沿轨道行走的钢制承载结构——挂篮，它集成了模板系统、锚固系统、悬吊系统和行走系统，为后续节段的钢筋绑扎、混凝土浇筑及养护提供了一个高空移动式作业平台。施工时，挂篮对称地锚固于已完成的梁段上，浇筑完一个节段（通常 3-5m）后，待混凝土达到设计强度，便进行预应力张拉，随后挂篮脱模、前移，进行下一节段的循环作业，直至合龙。这一工艺无需大型支架，跨越能力强，对桥下交通和地形影响小，适应性极强。其力学特性分析至关重要，挂篮本身是一个复杂的临时钢结构，在施工过程中承受新浇混凝土的重力、施工荷载、风荷载等，必须具有足够的强度、刚度和稳定性，防止过大变形影响梁体线形。更为关键的是，整个桥梁结构在悬臂施工过程中是一个力学体系不断变化的“T 构”静定结构，其受力状态与成桥后截然不同。每个节段的增加、每一束预应力的张拉，都会引起结构内力和标高的变化，前期节段的位移和内力会累积影响到后期节段。

（二）预应力张拉顺序理论分析

预应力张拉顺序是决定桥梁结构在施工及成桥后内力分布合理性的关键因素，其理论分析基于结构力学和超静定结构的力学特性。对于采用挂篮悬臂浇筑的轻轨高架连续梁，其张拉顺序通常遵循“对称、均衡、同步”的基本原则。首先，必须保证同一“T 构”两侧的节段混凝土浇筑和张拉作业基本同步进行，以消除施工过程中产生的不平衡弯矩，防止墩身承受过大的弯曲应力而偏移甚至开裂。其次，在同一节段内，往往布置有顶板束、腹板束和底板束等多种预应力钢束，其张拉先后顺序直接影响截面应力分布的均匀性。不当的顺序可能导致截面局部应力集中，产生裂纹，或引起梁体产生非预期的上拱或下挠变形，干扰施工线形控制。理论分析需通过有限元软件建立桥梁施工全过程仿真模型，模拟不同张拉顺序下结构的瞬时响应和累计效应。例如，先张拉部分钢束以建立初步的预压应力，再张拉其余钢束进行调节，这种分序张拉可以更主动地控制主梁的应力和变形。合理的顺序旨在实现三个目标：一是在施工各阶段，结构具有足够的抗裂性和安全性；二是有效控制主梁的徐变变形和长期挠度，保证轨道平顺性；三是使成桥后结构的实际内力状态与设计目标高度吻合，避免出现过大的次内力，从而保障轻轨列车运行的安全、平稳和舒适。

（三）预应力损失计算理论与控制方法

预应力损失是指预应力筋从张拉锚固开始直至使用阶段，其有效预应力值逐渐降低的现象。准确计算并有效控制损失是保证预应力结构安全、耐久且正常工作的重要前提。根据现行规范，预应力损失主要分为瞬时损失和长期损失两大类。瞬时损失包括孔道摩擦损失（μ、k 系数取值准确性至关重要）、锚具变形与钢筋回缩损失（与锚具类型和预应力筋长度有关）以及混凝土弹性压缩损失（后张法构件中，分批张拉时先张拉的钢束会因后张拉钢束对混凝土的压缩而产生损失）。长期损失则主要包括预应力筋的应力松弛（在高应力下随时间增长的固有特性）和混凝土的收缩、徐变（随时间发展的材料特性，是长期损失的主要部分）。计算理论通常采用分项计算再叠加的方法，但其精确性高度依赖于材料本构模型和计算参数的选取。为控制损失，需采取一系列综合措施：一是材料控制，采用低松弛高强度钢绞线和高性能混凝土（减少收缩徐变）；二是工艺控制，确保孔道成型质量、定位准确以减小摩擦系数 μ ，采用张拉力和引伸量双控确保张拉到位，优化张拉顺序以减少弹性压缩损失，并及时进行孔道压浆保证有效传力；三是技术控制，必要时可采用超张拉、反复张拉或使用可补张拉的锚具来克服部分损失，或通过先进的传感器技术进行长期监测，实现对有效预应力的实时评估与反馈控制，从而确保轻轨梁体在全生命周期内始终保持足够的预压储备，满足承载和抗裂要求。

二、预应力张拉顺序与损失控制对结构性能影响的数值模拟分析

（一）有限元模型的建立与验证

为精确研究预应力张拉顺序与损失控制对轻轨高架现浇梁结构性能的影响，本研究采用大型通用有限元软件（如 Midas Civil 或 ANSYS）建立精细化三维梁单元模型。模型严格依据实际桥梁设计图纸，准确模拟了桥梁的几何尺寸、材料属性、边界条件及施工全过程。梁体采用考虑弹塑性及时间依存性的梁单元模拟，并定义了混凝土的强度等级、弹性模量、泊松比以及关键的收缩徐变模型（如 CEB-FIP 模型）。预应力钢束则通过实体力筋”或等效荷载法进行模拟，以精确施加预应力。模型的建立核心在于对挂篮施工过程的动态模拟，通过软件的“施工阶段”分析功能，依次定义挂篮安装、钢筋绑扎、混凝土浇筑、养护、预应力张拉、灌浆、挂篮前移等每一个施工步骤，并赋予相应的时间、荷载和结构组信息，从而真实复现结构体系从悬臂到合龙的演变过程。为确保模型的准确性与可靠性，必须对其进行验证。验证工作主要通过与施工监控阶段的实测数据进行对比，包括关键截面的混凝土应力、梁体挠度以及预应力筋的有效应力等。

（二）不同张拉顺序方案的模拟与对比分析

在验证有效的有限元模型基础上，本研究设计了多种具有代表性的预应力张拉顺序方案，以系统分析其对结构性能的影响。方案设计主要围绕张拉的对称性、同步性和批次性展开，例如：方案一为“完全对称同步张拉”，即每个节段的腹板束、顶板束严格按照对称原则同时张拉；方案二为“先顶板后腹板分步张拉”，即先张拉顶板所有钢束，再张拉腹板钢束；方案三为“单侧交替张拉”，模拟因设备限制或施工误差导致的非对称张拉情况。针对每一种方案，均在模型中精确设置相应的张拉步骤、张拉控制应力以及钢束的激活顺序。通过运行施工阶段分析，提取并对比各方案在关键施工阶段（如最大悬臂状态、边跨合龙、中跨合龙）及成桥状态下，结构的响应指标。对比分析的重点包括：1）应力分布，特别是梁体顶、底板的正应力，以及腹板的主拉应力，评估是否存在局部应力集中或超出规范限值的风险；2）变形控制，主要对比各节段施工完成后的累计挠度，分析不同张拉顺序对桥梁线形的影响；3）结构稳定性，考察非对称张拉是否会引起过大的不平衡弯矩，对墩梁固结处产生不利影响。

（三）考虑预应力损失的耦合效应分析

预应力损失并非一个孤立事件，它与张拉顺序、施工过程以及结构变形之间存在复杂的相互影响，即耦合效应。本部分旨在深入分析这种耦合作用，以更真实地评估结构性能。首先，将前述理论分析中的各项预应力损失（包括摩擦损失、锚具变形、混凝土弹性压缩、收缩徐变及钢筋松弛等）精确地引入到有限元模型中。在 Midas Civil 等软件中，可通过定义钢束的摩擦系数、锚具变形量、松弛系数，并启用混凝土的时变材料属性，使程序在计算每一施工阶段时自动计入相应的瞬时和长期损失。耦合效应分析的核心在于，考察在考虑损失后，不同张拉顺序方案的性能表现是否会发生变化，以及变化的程度。例如，某个在理想张拉（无损失）条件下表现优异的方案，在考虑了由非对称张拉加剧的弹性压缩损失后，其应力分布可能变得不再均匀。分析将重点对比“考虑损失”与“不考虑损失”两种情况下，同一张拉方案在成桥状态下的应力水平、有效预应力分布以及长期挠度的差异。通过这种耦合分析，可以揭示预应力损失如何放大或改变张拉顺序带来的不利影响，从而证明在施工控制中，必须将张拉顺序优化与损失控制措施紧密结合，形成一个有机的整体，才能实现对结构性能最有效的保障，确保桥梁在全生命周期内的安全与适用。

三、现场试验与工程应用验证

（一）现场监测方案设计

为科学验证预应力张拉顺序与损失控制对结构性能的实际影响，本研究制定了系统化的现场监测方案。监测方案的核心目标是全程跟踪施工过程中结构的力学响应与变形，核心对象为具有代表性的控制节段（如最大悬臂端、合龙段附近）。方案设计主要包括应力监测与变形监测两大体系。应力监测通过在节段混凝土内部关键截面（如顶板、底板、腹板等）预埋振弦式应变传感器，实时采集混凝土在浇筑、张拉、移动挂篮等各工况下的应变变化，进而推算应力状态；同时在预应力锚垫板上安装压力传感器，直接监测锚下有效预应力值。变形监测则采用精密电子水准仪和全站仪，以桥墩承台上的基准点为依据，定期对每个节段施工完成后的梁体标高和轴线偏位进行精确测量，绘制悬臂施工过程中的挠度变化曲线。此外，方案还包含对材料性能的监测，如现场同条件养护的混凝土试块强度与弹性模量、预应力筋的弹性模量等，为后续数据分析提供准确的输入参数。所有测点布设均遵循“重点突出、代表性强”的原则，确保采集的数据能真实反映结构整体行为。

（二）监测数据采集与处理

监测数据的采集严格与施工工况同步，在每一节段混凝土浇筑前后、预应力张拉前后、挂篮移动前后等关键节点进行高频次测量，以确保捕捉到结构在每一个荷载步骤下的瞬时反应。数据采集完成后，需经过严谨的处理与分析流程。首先进行数据预处理，包括剔除因仪器受扰、人为操作失误产生的明显粗大误差，并对温度变化引起的传感器读数漂移进行修正（利用无应力计或温度传感器数据进行补偿）。其次，进行数据归一化，将不同时间、不同工况下采集的应变和标高数据统一到基准温度下，消除温度效应的干扰。最后，进行数据分析与转换，将混凝土应变数据扣除收缩、徐变等时变因素的影响（根据理论公式或分离试验）后，换算为实际应力；将标高监测数据与设计预拱度进行对比，计算当前阶段的挠度偏差。处理后的数据被系统整理成数据库，并绘制成应力-时间曲线、挠度-节段曲线等可视化图表，为下一步与理论模型的对比提供清晰、可靠的依据。

（三）数值模拟结果与实测数据对比分析

将经过处理的现场实测数据与事先建立的有限元数值模型的计算结果进行对比，是验证理论、优化工艺的关键环节。本研究采用桥梁专业软件建立全桥精细化模型，精确模拟挂篮施工的每一个步骤，包括混凝土时变特性、预应力张拉顺序及预应力损失。对比分析主要从应力和变形两个维度展开：一是对比关键截面在典型工况（如最大悬臂状态）下，模型计算的应力云图与传感器实测应力值，若二者在分布规律和数值大小上吻合良好，则证明模型能准确反映结构的受力状态；二是对比整个悬臂施工过程中，模型计算出的每个节段的预拱度曲线与现场实际测量的标高变化曲线，若两条曲线变化趋势一致且偏差在允许范围内，则证明施工控制是成功的。通过对比，可以反向校准数值模型中的关键参数（如混凝土收缩徐变模型、管道摩擦系数等），提高模型的预测精度。任何系统性偏差都极具价值，它能揭示理论计算中未充分考虑的因素（如实际的边界条件、日照温差效应等），从而为修正张拉顺序、优化损失控制措施提供直接、可靠的工程依据，最终实现理论与实践的闭环反馈与提升。

结论

本研究通过理论分析、数值模拟与现场试验相结合的方法，系统探讨了轻轨高架现浇梁挂篮施工中预应力张拉顺序与损失控制对结构性能的影响。研究表明，合理的张拉顺序是保证结构应力均匀、控制线形的关键，而预应力损失则是影响长期性能的核心因素。数值模拟能有效预测不同方案的力学行为，现场试验验证了模型的准确性。将张拉顺序优化与损失控制措施相结合，可显著提升施工质量与结构安全，研究成果为同类桥梁的精细化设计与施工提供了重要的理论依据和技术支撑。

参考文献

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