預應力混凝土箱梁橋橫梁彎束受力機理研究與對策

李茂文

（南昌市城市規(guī)劃設(shè)計研究總院，江西南昌 330038）

1 工程概況

1.1 工程概況

南昌市九洲高架快速路工程109#～114#墩主線橋為一聯(lián)5×30 m預應力混凝土連續(xù)箱梁，該聯(lián)橋長150 m，橋?qū)挒?3.5 m，梁高1.8 m，縱向及橫梁采用預應力，橫向、豎向均為普通鋼筋。端橫梁寬度為1.8 m，中橫梁寬度為3.5 m，橫梁高度均為1.8 m，箱梁采用整體搭支架就地澆筑工藝施工。

109#～114#橫梁鋼束每束由22股鋼絞線組成，預應力張拉采用兩端同時張拉。預應力鋼束采用270級高強度低松弛Φs15.2鋼絞線，鋼絞線每股公稱面積 139 mm2，fpk=1 860 MPa，彈性模量 1.95×105MPa[1]，張拉控制應力采用0.75 fpk=1 395 MPa。橫梁張拉噸位：22Φs15.2為NK=4 265.9 kN。張拉工序為：0→初始應力（0.1σk）→100%σk（持荷 5 min然后錨固），預應力筋的轉(zhuǎn)彎半徑為8 m。

1.2 橫梁鋼絞線斷絲情況

在張拉橫梁鋼束時，張拉力按照先張拉10%，再張拉20%，最后張拉100%的工序施工。在張拉力達到設(shè)計張拉力的91%時（3 895 kN），鋼絞線出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，鋼絞線斷裂的位置均位于豎向坐標最高處，且斷裂的鋼絞線一般集中在每束鋼束的中下部，具體位置如圖1和圖2所示。

2 橫梁彎束斷絲原因分析

鋼絞線斷絲一般由以下一種或幾種因素造成[2，3]：（1）預應力孔道漏漿結(jié)塊導致鋼絞線被割斷；（2）鋼絞線質(zhì)量有問題；（3）千斤頂標定有問題；（4）鋼絞線管道安裝線形不順暢；（5）鋼絞線安裝在管道內(nèi)交錯打絞，張拉時形成麻花狀；（6）張拉施工時，張拉工藝不當造成斷絲；（7）鋼束豎向彎起最高點下方存在混凝土澆筑時未振搗密實的現(xiàn)象，導致鋼絞線拉應力超限。圖3為鋼絞線斷絲照片。

圖1 鋼絞線斷絲橫斷面分布圖

圖2 橫梁鋼絞線斷絲位置示意圖（單位：mm）

圖3 鋼絞線斷絲照片

施工現(xiàn)場針對以上可能存在的問題進行一一排查，排查結(jié)果如下。

（1）伸入微型探頭進入預應力孔道，發(fā)現(xiàn)孔道內(nèi)無異物。

（2）對同一批次鋼絞線重新送檢，鋼絞線質(zhì)量檢驗合格。

（3）對現(xiàn)有的千斤頂、油表、油泵重新進行標定，張拉數(shù)據(jù)與上次標定基本吻合。

（4）預應力孔道采用塑料波紋管，孔道實際安裝坐標數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)基本一致。

（5）將人工已穿好的鋼絞線一一編號進行梳理后，未發(fā)現(xiàn)鋼絞線在孔道內(nèi)交錯打絞，張拉時未形成麻花狀。

（6）對橫梁鋼束兩端同時張拉，張拉參數(shù)及工序均符合設(shè)計及施工規(guī)范要求。

（7）考慮到混凝土澆筑不密實為個別情況，根據(jù)鋼絞線成片斷絲的事實，可以排除這種可能性。

排除以上7個因素后，推斷鋼束中上部鋼絞線擠壓下部鋼絞線導致各股鋼絞線受力不均，從而拉斷的可能性較大。根據(jù)材料力學強度理論公式和數(shù)值模擬方法，分析預應力混凝土連續(xù)箱梁橋橫梁彎曲鋼束受力機理，并找出解決鋼束斷絲的方案。

3 橫梁彎束受力機理研究

橫梁彎曲鋼束的下部鋼絞線在豎向彎起最高點附近受到上部鋼絞線的豎向擠壓力，由橫梁鋼束形狀可知，在豎向彎起最高點的右側(cè)鋼絞線與混凝土將會與下方混凝土脫空，該截面鋼束的擠壓力即為剪力，張拉應力和剪應力的存在，根據(jù)材料力學的第四強度理論（≤[σ][4）]，導致鋼絞線拉應力超過許用拉應力1 860 MPa，進而鋼絞線斷裂。鋼絞線受力情況如圖4所示。

圖4 鋼絞線受力示意圖

上部單根鋼絞線的擠壓力為：

考慮到鋼絞線共有22股，鋼絞線間的擠壓力分配無法準確得到，現(xiàn)假設(shè)下方4根鋼絞線從左至右分別承受其上方4根、5根、5根和4根鋼絞線的擠壓。

所以最下排中間鋼絞線所受總的擠壓力為：

采用Midas Civil 2012進行數(shù)值模擬分析，橫梁鋼束采用單梁模型，單梁間用剛性連接。因單梁模型無法準確考慮預應力損失，所以模型中采用單端張拉和兩端張拉對鋼絞線拉應力無影響。模型中每股鋼絞線采用21個梁單元，22股鋼絞線則有461個梁單元，并采用單端張拉代替兩端張拉。由于對稱性，為計算方便建模時僅模擬橫梁左半部分的鋼絞線受力情況，模型如圖5所示。

圖5 橫梁左半部分鋼絞線受力模型

鋼絞線在左端部限制所有的位移和轉(zhuǎn)角，左側(cè)鋼絞線受到混凝土的約束，無法向下移動。因此，左側(cè)梁單元限制其豎向位移，第二排和第四排鋼絞線均限制左右擺動位移。鋼絞線豎向彎起最高點的右側(cè)處于豎向位移無限制狀態(tài)，僅在靠近橫梁中部的位置受到混凝土約束，無法向上移動，因此，同樣在右側(cè)端部限制其豎向位移，邊界條件和單元件的連接情況分別如圖6和圖7所示。

圖6 邊界條件

圖7 剛性連接方式圖

在右側(cè)端部給每股鋼絞線加上194 kN的張拉力后，可以計算得出鋼絞線拉應力云圖。從圖8中可以看到鋼絞線拉應力在豎向彎起最高點附近最大，達到2 284 MPa，這與前面理論計算的拉應力為2 127 MPa的結(jié)果很接近，同時這也印證了鋼束下部鋼絞線在豎向彎起最高點附近受到上部鋼絞線擠壓作用，導致鋼絞線拉應力增大超限的結(jié)論成立。

圖8 鋼絞線拉應力云圖

4 針對斷絲原因采取的對策

通過理論分析和數(shù)值模擬計算，可以推斷出鋼束上部鋼絞線擠壓下部鋼絞線是造成下部鋼絞線應力超出其極限抗拉強度從而導致斷絲的主要原因。因此，考慮將橫梁鋼絞線張拉工藝改為單端分批張拉，即：一端張拉100%的設(shè)計力（設(shè)計張拉力為鋼絞線極限應力的75%），在另一端補充張拉鋼絞線抗拉強度的30%，兩端交替張拉，張拉順序如圖9所示。預應力損失的增大必然導致鋼絞線有效應力降低，在鋼絞線拉應力不超出1 860 MPa的情況下，斷絲的現(xiàn)象則可避免。在后續(xù)的施工中采用單端張拉后再未出現(xiàn)鋼絞線斷絲的情況。

圖9 鋼束張拉順序圖

5 結(jié)語

預應力混凝土箱梁橋在張拉彎曲鋼束時若出現(xiàn)鋼絞線斷絲的情況，應立刻排查原因，若發(fā)現(xiàn)不是預應力孔道漏漿和線形不順暢、鋼絞線質(zhì)量、千斤頂標定、鋼絞線交錯打絞等問題時，則可以判斷是鋼束上部鋼絞線擠壓下部鋼絞線導致拉應力超限進而出現(xiàn)斷絲。此時應考慮轉(zhuǎn)變張拉方式，由兩端張拉改為單端張拉并在另一端補充張拉的措施，通過減小有效拉應力來保證鋼絞線的拉應力在允許范圍之內(nèi)。設(shè)計中橫梁和腹板鋼束均應盡量采用較大半徑的鋼束形狀，鋼束中鋼絞線股數(shù)不宜過多，一般不超過19股。通過優(yōu)化設(shè)計可以從源頭上控制鋼絞線斷絲的現(xiàn)象發(fā)生。本結(jié)論成果可為類似橋梁的設(shè)計和施工提供參考依據(jù)。

[1]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］．

[2]盧軍燕、李學東.后張法預應力施工中鋼絞線斷絲和滑絲的研究[J].人民黃河,2013,35(2):100-103.

[3]陳建軍.預應力連續(xù)梁鋼絞線斷絲的力學影響研究[J].湖南交通科技,2011,37(3):99-102.

[4]孫訓芳,方孝淑,關(guān)來泰.材料力學（Ⅰ）［M］.北京：高等教育出版社，2002．