預制拼裝連續(xù)梁體外預應力索力測定與評估

周家剛

（江蘇蘇通大橋有限責任公司，江蘇 南通 226001）

預制拼裝連續(xù)梁體外預應力索力測定與評估

周家剛

（江蘇蘇通大橋有限責任公司，江蘇 南通 226001）

針對預制拼裝連續(xù)梁體外預應力不足，易導致混凝土開裂甚至影響結(jié)構(gòu)安全的情況，研究了體外預應力索尚存拉力測定方法與分析，并通過有限元模擬分析，探討了實際體外索索力下預制拼裝連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)，為此類橋梁的管理與養(yǎng)護工作提供了技術(shù)支持。

連續(xù)梁橋；體外預應力索；索力；預應力損失；應力狀態(tài)

0　引言

我國橋梁養(yǎng)護規(guī)范中對體外預應力束的檢測鮮有涉及，但由于體外預應力束的預應力大小直接影響連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的承載能力和使用安全，因而是該類連續(xù)梁橋的監(jiān)測重點。體外預應力連續(xù)梁的設(shè)計以設(shè)計荷載和理論索力為假定，而在橋梁的運營階段，實際交通荷載可能與設(shè)計荷載有所差異，但如果體外預應力束的索力達不到設(shè)計值，則將引起連續(xù)梁承載能力不足，導致混凝土開裂甚至影響結(jié)構(gòu)安全。對體外預應力束連續(xù)梁橋，必須定期對預應力索尚存拉力進行測定，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合結(jié)構(gòu)分析，把握結(jié)構(gòu)的應力狀態(tài)，評估超載對結(jié)構(gòu)的影響，進而指導橋梁的管理與養(yǎng)護工作。

1　工程背景

蘇通大橋引橋、輔橋采用國內(nèi)首次應用的75 m跨預制拼裝連續(xù)梁橋體外預應力技術(shù)，其中，引橋跨徑布置為50 m+9×75 m和10×75 m，輔橋跨徑布置為5×75 m。連續(xù)箱梁采用單箱單室斜腹板斷面，上下行分幅布置。箱梁為雙向預應力混凝土結(jié)構(gòu)，除布置縱向預應力束外，在橋面板內(nèi)設(shè)置了橫向預應力束。縱向預應力采用體內(nèi)、體外相結(jié)合的方式布置。全橋共50跨采用體外預應力束，每片箱梁橫向有6根體外預應力束，共計300根體外索。箱梁典型斷面布置如圖1所示。

圖1　典型的75 m箱梁斷面布置示意圖

針對預制拼裝連續(xù)梁體外預應力不足易導致混凝土開裂甚至影響結(jié)構(gòu)安全的情況，研究了體外預應力索尚存拉力的測定方法與分析，并通過有限元模擬分析，探討了實際體外索索力下預制拼裝連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)，評估了超載對此類橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響，為此類橋梁的管理與養(yǎng)護工作提供了技術(shù)支持。

2　體外索尚存拉力測定與分析

2.1測試概況

體外預應力束沿縱向布置主要形式如圖2所示，主要由單跨張拉體外預應力束和兩跨張拉體外預應力體外束組成。橫向布置為6根（編號為1～6，見圖1），沿橫截面中心線對稱布置。體外預應力鋼束均為25Φj15.24無黏結(jié)環(huán)氧低松弛鋼絞線［1］。鋼絞線單根面積Ay=140 mm2，單根直徑為15.24 mm，標準強度Ry=1 860 MPa，彈性模量Ey=1.95×105MPa，錨下張拉控制應力為0.66 Ry。

圖2　體外預應力束縱向布置示意圖

試驗利用環(huán)境隨機振動法進行索力測試。預應力鋼束的振動響應信號由著附于其上的高靈敏度加速度傳感器拾取，并通過濾波放大器后輸入信號分析儀進行分析處理。索力計算時，利用測試分析得到的各根預應力鋼束的自振頻率、測試段鋼束長、單位索長質(zhì)量以及鋼束兩端的約束條件等來確定每一根預應力束索力，現(xiàn)場測試圖參見圖3。

圖3　體外預應力束測試現(xiàn)場

2.2測試結(jié)果分析

共測試分析了60根（共占總數(shù)20%）體外預應力束，同一跨中每根體外預應力束均由2斜段和1水平段組成，為方便表示，以“南”、“中”、“北”分別代表斜段2、水平段、斜段1。圖4為74#～75#墩間跨編號示意圖。

圖4　體外預應力束縱向編號規(guī)則

表1為蘇通大橋某跨混凝土箱梁部分體外預應力束測試結(jié)果［2］，其中錨下控制索力由設(shè)計圖紙?zhí)峁?，理論索力為考慮如下預應力損失后的尚存應力：（1）無黏結(jié)預應力筋的摩擦損失；（2）張拉端錨具變形和無黏結(jié)預應力筋內(nèi)縮損失；（3）無黏結(jié)預應力筋的應力松弛損失；（4）混凝土的收縮和徐變損失；（5）采用分批張拉時，張拉后批無黏結(jié)預應力筋所產(chǎn)生的混凝土彈性壓縮損失。

由表1可知：（1）體外預應力束實測索力與理論索力（考慮預應力損失）分布規(guī)律相同，實測索力與理論分析索力值相吻合，除個別拉索外，絕大部分體外預應力束索力變化在5%以內(nèi)。（2）部分體外預應力束實測索力大于考慮預應力損失的理論索力，此現(xiàn)象可能與施工階段張拉索力較大或?qū)嶋H預應力損失小于理論分析值有關(guān)。（3）多年測試結(jié)果表明，同一根體外索索力穩(wěn)定，相對變化基本在2%以內(nèi)。

3　實際體外索索力下預制拼裝連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)評估

3.1有限元模擬

采用大型有限元軟件MIDAS/FEA對蘇通大橋引橋第2聯(lián)（55#～65#墩間跨）、第4聯(lián)（72#～77#墩間跨）分別進行建模?；炷料淞翰捎每臻g實體單元模擬，預應力鋼筋采用空間桿系鋼筋單元進行模擬。為考慮計算效率和計算精度，單元長度細化為0.5 m。第2聯(lián)共691 885個實體單元，12 520個預應力鋼筋單元；第4聯(lián)共344 326個實體單元，6 520個預應力鋼筋單元。全橋模型中準確模擬了箱梁截面尺寸縱向變化和轉(zhuǎn)向塊尺寸，結(jié)構(gòu)剛度和重力分布與實際情況基本一致。有限元模型如圖5所示。為分析體外索索力變化對結(jié)構(gòu)受力的影響，共構(gòu)建兩種模型進行對比分析：按理論體外索索力評估結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)的模型A和按實測體外索索力評估結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)的模型B。

表1　右幅74#～75#墩間跨體外預應力束實測索力與理論索力比較

圖5　有限元模型

3.2恒載作用下的應力

圖6、圖7為模型A、模型B中部分典型主梁斷面（包括部分橋墩墩頂、轉(zhuǎn)向塊處）正應力或主拉應力云圖，圖中均以受拉為正，受壓為負。由圖可知，兩種模型在恒載作用下，主梁控制斷面結(jié)構(gòu)正應力間的相對差值在0.25 MPa以內(nèi)，實測體外索索力與理論體外索索力間的差異對恒載作用下結(jié)構(gòu)正應力的影響很小。

圖6　模型A、B中墩頂主梁斷面正應力云圖

3.3荷載組合作用下的應力

采用荷載組合I和組合II驗算結(jié)構(gòu)使用階段應力值來判斷結(jié)構(gòu)的安全性。表2為荷載組合I、II作用下模型A、B中主梁下緣正應力計算結(jié)果（由于篇幅所限，僅給出部分結(jié)果）。計算結(jié)果表明：在荷載組合I、II作用下，兩種模型主梁下緣壓應力相差均不超過0.25 MPa，斷面下緣壓應力儲備在2～5 MPa。

表2　荷載組合I、II作用下模型A、B中主梁下緣正應力結(jié)果比較

4　結(jié)　論

（1）體外索實測索力與理論索力值相比，除個別拉索外，索力變化基本在5%以內(nèi)。

（2）在恒載、荷載組合I和組合II作用下，實測體外索索力與理論體外索索力間的差異對結(jié)構(gòu)正應力和主拉應力的影響很小。

（3）在荷載組合I、組合II作用下，結(jié)構(gòu)具有符合規(guī)范要求的壓應力儲備，結(jié)構(gòu)正應力、主拉應力均滿足規(guī)范中的抗裂驗算。

（4）實測體外索索力與理論體外索索力間的差異對結(jié)構(gòu)正應力和主拉應力的影響基本可以忽略。

［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］張啟偉.蘇通大橋75 m跨預制拼裝連續(xù)梁體外預應力索力測定與評估報告（2015）［R］.上海：同濟建設(shè)工程質(zhì)量檢測站，2015.

U446

B

1009-7716（2016）01-0048-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.015

2015-11-10

周家剛（1974-），男，山東蓬萊人，高級工程師，長期從事橋梁養(yǎng)護、管理工作。