大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力損失研究

薄繼民

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力損失研究

薄繼民

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

針對連續(xù)梁橋常見的預(yù)應(yīng)力損失問題，從3個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，首先與簡支梁受力做對比，分析了開蘭特大連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)受力和從“強(qiáng)梁弱墩”角度講述了連續(xù)梁橋的受力特征，接著介紹了預(yù)應(yīng)力損失估算方法和預(yù)應(yīng)力損失對于連續(xù)梁橋的影響，如引起腹板斜裂縫甚至跨中下?lián)蠂?yán)重，最后針對預(yù)應(yīng)力損失，針對性的提出施加體外預(yù)應(yīng)力和粘貼鋼板的措施，可以起到較好的加固補(bǔ)強(qiáng)效果。希望為今后類似工程提供可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

連續(xù)梁橋；預(yù)應(yīng)力損失；加固處理

開蘭特大橋跨隴海鐵路連續(xù)梁位于蘭考縣三義寨鄉(xiāng)，橋位起訖里程DK97+956.360～DK98+223.170，墩號為1320～1323#，其中1321#墩和1322#墩與隴海鐵路在里程K464+315處相交，交角為23°。施工設(shè)計(jì)為先平行于鐵路支架現(xiàn)澆，再通過轉(zhuǎn)體合攏施工。

本設(shè)計(jì)采用1-(70 m+125 m+70m)支架現(xiàn)澆連續(xù)梁跨越，該處連續(xù)梁位于右轉(zhuǎn)角ay為43°25′40.44″半徑為7 000 m的圓曲線上，主跨墩高9.4 m，梁底距離隴海鐵路軌頂最低處為13.68 m，限界高度為8.16 m，梁底距離限界最近為5.52 m。從上到下分別是上承臺、轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)和下承臺結(jié)構(gòu)組成整體承臺結(jié)構(gòu)，對于承臺結(jié)構(gòu)的組成部分，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)則由下轉(zhuǎn)盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤和牽引系統(tǒng)組成。

1 連續(xù)梁橋受力分析

與空心板梁橋不同的是，連續(xù)梁橋橋墩與主梁采用墩梁固結(jié)的方式進(jìn)行連接，如圖1所示。

圖1 開蘭特大橋橋梁示意圖

由圖1可知，在恒載作用下，連續(xù)梁橋的跨中彎矩和豎向彎矩保持一致。當(dāng)墩柱采用薄壁柔性空心墩結(jié)構(gòu)時(shí)，連續(xù)梁橋墩頂截面負(fù)彎矩相比同等跨徑連續(xù)梁橋小很多。由于梁與墩的共同作用，在一定跨徑條件下，降低跨中區(qū)域梁高，對于增加主橋跨徑，降低橋梁恒載具有一定程度的促進(jìn)作用。

鑒于連續(xù)梁橋墩梁共同作用的機(jī)理，可以考慮通過增加主梁尺寸和剛度的方式，提高橋梁的跨徑；同樣對于主墩，一方面減小剛度增加了主墩柔度，另一方面增加墩梁的尺寸提高了主梁的跨越能力[1]。在連續(xù)梁橋服役期間，鑒于混凝土的致命缺陷，墩頂和主梁會由于混凝土的收縮徐變發(fā)生較大的順橋向位移和轉(zhuǎn)角位移；由于墩梁固結(jié)的作用，主梁內(nèi)也會因?yàn)闃蚨盏募s束產(chǎn)生二次內(nèi)力，導(dǎo)致墩身剪力和彎矩增加。目前工程中大多采用薄壁空心墩結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)槠淇雇苿偠刃〉奶攸c(diǎn)，能夠有效降低內(nèi)力，將墩梁的固結(jié)約束通過墩柱變形予以解除。這種受力設(shè)計(jì)不僅滿足了橋梁承載能力和穩(wěn)定性的要求，同時(shí)墩梁的柔性設(shè)計(jì)對于減小橋墩抗推剛度也有一定的促進(jìn)作用，大大減小了二次應(yīng)力對于連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)的受力影響[2-3]。

2 預(yù)應(yīng)力損失對于連續(xù)梁橋的影響分析

針對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，為了保證結(jié)構(gòu)運(yùn)營期間受力合理，需要預(yù)估外荷載情況施加預(yù)應(yīng)力的大小。施工狀況、預(yù)應(yīng)力材料和混凝土材料的性能甚至結(jié)構(gòu)服役條件都對于預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生一定程度的影響，造成預(yù)應(yīng)力損失。

2.1 預(yù)應(yīng)力損失估算方法

預(yù)應(yīng)力損失具有一定程度的階段性，即不同階段的預(yù)應(yīng)力損失量有所不同。在實(shí)際過程中只需對預(yù)應(yīng)力損失要求較高或者重要橋梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失的分項(xiàng)計(jì)算。

連續(xù)梁橋預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算多采用“時(shí)-步”法，即考慮各種損失之間的內(nèi)在聯(lián)系，得出較為精密的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)計(jì)算精度和難易程度，預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算分為3級：1)預(yù)應(yīng)力總損失；2)分項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失，如混凝土收縮、徐變和鋼筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失等；3)用“時(shí)-步”法計(jì)算各種因素在不同階段引起的損失。

根據(jù)“時(shí)-步”法，混凝土材料、鋼絞線、施加預(yù)應(yīng)力程度和養(yǎng)生條件都是預(yù)應(yīng)力損失的基礎(chǔ)性影響因素。同樣彈性壓縮、鋼筋松弛和混凝土收縮徐變組成了整體的預(yù)應(yīng)力損失，但是對于施工中的摩阻和錨具變形引起的預(yù)應(yīng)力損失則不在考慮范圍之內(nèi)[4-5]。

圖2 預(yù)應(yīng)力損失的組成

由圖2可知，混凝土和鋼筋松弛造成了預(yù)應(yīng)力的整體損失。同時(shí)，如預(yù)應(yīng)力筋松弛減小了應(yīng)力，對混凝土的內(nèi)力也有一定程度降低；隨著混凝土的收縮徐變增加，導(dǎo)致鋼筋松弛程度的增加。

2.2 預(yù)應(yīng)力損失對于連續(xù)梁橋的影響

2.2.1 引起腹板斜向開裂

連續(xù)梁橋的斜裂縫多出現(xiàn)在箱梁底板呈25°～45°的位置，同時(shí)距離跨中位置的角度稍微減小，裂縫多是從跨中向兩側(cè)延伸，尤其是在跨中合攏段的位置，裂縫分布較為密集。根據(jù)裂縫受力情況分析，腹板斜裂縫多是由于主拉應(yīng)力引起。剛構(gòu)橋主梁受力如圖3所示[6]。

圖3 連續(xù)梁橋底板線形及徑向力作用

從圖3可知，排除豎向預(yù)應(yīng)力的影響，僅考慮主拉應(yīng)力的作用，這是因?yàn)橹骼瓚?yīng)力是斜裂縫產(chǎn)生的主要因素，需要考慮橋梁縱向預(yù)應(yīng)力與通行荷載引起的應(yīng)力，如果主拉應(yīng)力超限則會引起斜向裂縫。

2.2.2 引起跨中下?lián)?/p>

連續(xù)梁橋?qū)嶋H運(yùn)營時(shí)，多存在不同程度的跨中下?lián)锨闆r，目前多認(rèn)為跨中下?lián)鲜怯捎诨炷潦湛s徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失造成的；鑒于引起混凝土收縮徐變的因素較多，尚缺乏有效方法計(jì)算混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失。

根據(jù)相關(guān)研究和加固設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，鑒于預(yù)應(yīng)力損失的影響因素，因此管道壓力、理想預(yù)應(yīng)力值和實(shí)際損耗值對于最終預(yù)應(yīng)力都會造成一定程度的影響，因此對于撓度的計(jì)算應(yīng)考慮到跨徑的影響，多采用0.8%～1.0%L(跨徑)的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失的抵消[7]。

3 混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失理論分析

3.1 有效預(yù)應(yīng)力的計(jì)算

連續(xù)梁橋的預(yù)應(yīng)力包括預(yù)拉應(yīng)力和預(yù)壓應(yīng)力，根據(jù)上述受力分析可知，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束主要提供梁截面的預(yù)壓應(yīng)力，這在較大程度上抵消了荷載對于梁體的彎矩作用。當(dāng)前對于豎向預(yù)應(yīng)力也有一定程度的考慮，涉及到縱向預(yù)應(yīng)力筋的布置的張拉應(yīng)力的控制。這與橋梁跨徑、受力分析和預(yù)應(yīng)力束均有一定的關(guān)系。

首先根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)荷載、斷面形式和運(yùn)營環(huán)境，合理布置預(yù)應(yīng)力鋼束；其次根據(jù)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)注情況確定預(yù)應(yīng)力鋼束數(shù)量，同時(shí)根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼束分布情況合理考慮預(yù)應(yīng)力損失問題。

連續(xù)梁橋的有效預(yù)應(yīng)力損失σy由張拉控制應(yīng)力σcon和預(yù)應(yīng)力損失σl決定，即：

σt=σcon-σl

(1)

對于設(shè)計(jì)中需要考慮預(yù)應(yīng)力值，應(yīng)該是扣除不同階段預(yù)應(yīng)力損失后的殘余預(yù)應(yīng)力，即有效預(yù)應(yīng)力；考慮到初始張拉的預(yù)應(yīng)力σk，相應(yīng)的應(yīng)力損失σs，則：

σy=σk-σs

(2)

3.2 預(yù)應(yīng)力理論分析與計(jì)算

由式(1)式(2)可知，要確定σk，需要知道σy和σs。

3.2.1 預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁之間摩擦引起的應(yīng)力損失

當(dāng)前連續(xù)梁橋的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，多采用后張法施工。鑒于連續(xù)梁橋的受力情況較為復(fù)雜，當(dāng)前多采用直線和曲線預(yù)應(yīng)力筋施加預(yù)應(yīng)力。當(dāng)雙向張拉時(shí)，預(yù)應(yīng)力管道對于預(yù)應(yīng)力的相對滑動會產(chǎn)生摩擦力(如圖4a所示)，由于阻力的影響，因此預(yù)應(yīng)力筋的張拉端預(yù)應(yīng)力較高，向跨中逐漸減小(如圖4b所示)。根據(jù)受力分析可知，預(yù)應(yīng)力鋼束在任意兩個(gè)斷面間的預(yù)應(yīng)力差值，則為由于摩阻引起的預(yù)應(yīng)力損失量[8]。

圖4 摩阻引起的預(yù)應(yīng)力損失

圖5 彎道預(yù)應(yīng)力損失細(xì)節(jié)分析

1)彎道影響引起的摩擦力

預(yù)應(yīng)力與曲線管道之間的摩擦力引起了預(yù)應(yīng)力的損失，選取微段鋼筋dl為研究對象，彎曲角度為θ，曲率半徑為R，如圖5所示：

由幾何關(guān)系可知：

dl=Rdθ

在豎直方向，根據(jù)受力平衡可知：

假設(shè)鋼筋與管道壁的摩擦系數(shù)為u，則：

DF1=f1dl=p1udl=uNdθ

在水平方向，根據(jù)受力平衡可知：

DF1=dN=uNdθ

2)管道偏差影響引起的摩擦力

由于施工存在較多的不確定性，需要考慮到預(yù)應(yīng)力管道的偏差對于預(yù)應(yīng)力損失的影響，如果管道存在偏差，則會存在折線型預(yù)應(yīng)力，如圖6所示。

圖6 折線型預(yù)應(yīng)力筋摩擦損失

如圖6所示，管道曲率半徑為R2，預(yù)應(yīng)力鋼束dl對于dθ角度，則根據(jù)上述微段受力分析可知，其受力關(guān)系為：DF2=k·N·dl=-dN。

3.2.2 預(yù)應(yīng)力筋松弛引起的應(yīng)力損失

對于連續(xù)梁橋，除了摩擦阻力引起的預(yù)應(yīng)力損失，同樣預(yù)應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失也是整體預(yù)應(yīng)力損失的重要組成部分。這是因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力筋在持續(xù)應(yīng)力的作用下，會隨著時(shí)間發(fā)生一定程度的蠕變變形，然而由于預(yù)應(yīng)力束在拉應(yīng)力作用下長度不發(fā)生變化，相應(yīng)地鋼束應(yīng)力將會有所降低，即引起預(yù)應(yīng)力損失。根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)可知，預(yù)應(yīng)力松弛具有以下特點(diǎn)：

1)初始拉應(yīng)力越高，應(yīng)力松弛程度越大；當(dāng)初始應(yīng)力低于預(yù)應(yīng)力筋極限強(qiáng)度的1/2時(shí)，可以忽略松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失；

2)預(yù)應(yīng)力束的松弛與預(yù)應(yīng)力的施加時(shí)間有關(guān)，前期發(fā)展速度較快，當(dāng)天可以達(dá)到1/2的松弛量，以后則會逐漸穩(wěn)定；

3)超張拉則會有效減小預(yù)應(yīng)力束的松弛量，因此當(dāng)前預(yù)應(yīng)力多是按照級配拉到1.2倍設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力，然后再恢復(fù)到設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力。

4 預(yù)應(yīng)力損失的應(yīng)對措施

針對預(yù)應(yīng)力損失的情況，可采用增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力、設(shè)置橫肋和粘貼鋼板等方法進(jìn)行處理。

4.1 增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力

由于預(yù)應(yīng)力的損失，容易造成連續(xù)梁橋跨中下?lián)?，因此為了避免跨中下?lián)蠂?yán)重，可以考慮采用施加體外預(yù)應(yīng)力的方式以減少甚至避免張拉與盈利的損失。當(dāng)前較為常見的是施加體外預(yù)應(yīng)力，如7圖所示[9-10]。

圖7 體外預(yù)應(yīng)力

由圖7可知，雖然體外預(yù)應(yīng)力在一定程度上增加了橋梁的預(yù)應(yīng)力，對橋梁預(yù)應(yīng)力損失具有一定補(bǔ)償作用，但是與預(yù)應(yīng)力損失的量還有較大的差距。

4.2 主橋箱梁粘貼鋼板

采用主橋底板粘貼鋼板的方式也是當(dāng)前常見的加固方法。根據(jù)體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)原理在主梁底部粘貼鋼板，增加橋梁的承載能力，減少因裂縫發(fā)展過快或撓度過大引起的主梁剛度下降，改善橋梁承載能力。從長期加固效果看，粘貼鋼板法能夠有效阻止裂縫的擴(kuò)大，同時(shí)對于橋梁承載能力也有一定的分擔(dān)作用，加固效果較為明顯。

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Study on Prestress Loss of Long Span Prestressed Concrete Continuous Beam

BOJimin

(China Railway Eighteen Bureau Group First Engineering Co.,Ltd.,Zhuozhou 072750,China)

Aiming at the common loss of prestress of continuous girder bridge,from the following three aspects,the author conducted a detailed introduction,first,the force was compared with a simply supported beam,and a large continuous girder bridge structure was analyzed.From the perspective of “strong beam weak pier” the paper told the story of force characteristics of continuous girder bridge,and then introduced the method for estimating the loss of prestress and loss of prestress to the influence on the continuous girder bridge,such as web inclined crack and even across middle scratching,finally in view of the loss of prestress,the measures of external prestressing and pasting steel plate were put forward,which had good reinforcement reinforcement effect.The study provided experience for similar projects in future.

continuous beam bridge;prestress loss;strengthening treatment

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2017.02.007

2017-04-11

薄繼民(1980—)，男，工程師，學(xué)士，研究方向：橋梁工程，電子郵箱：xinweiben2017@126.com。

U445

A

2095-5383(2017)02-0030-04