施工期48 h內(nèi)錨下有效預(yù)應(yīng)力時(shí)間及溫度效應(yīng)修正

樊見維，胡光明，高華睿，常曉娟

(1.陜西高速公路工程咨詢有限公司，陜西 西安 710061； 2.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061)

0 引 言

隨著中國(guó)公路橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)因其在經(jīng)濟(jì)性、耐久性、安全性等方面的優(yōu)勢(shì)，在橋梁施工領(lǐng)域中得以大量應(yīng)用。但是，已有研究表明預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋會(huì)隨其服役時(shí)間的增長(zhǎng)而產(chǎn)生一系列的病害及下?lián)蠁栴}[1-2]。預(yù)應(yīng)力張拉質(zhì)量是影響預(yù)應(yīng)力混凝土梁服役性能的關(guān)鍵因素，而外界環(huán)境以及材料自身特性的共同作用容易導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋有效預(yù)應(yīng)力不斷衰減[3-4]。

由于在橋梁施工期內(nèi)存在施工誤差等不確定性因素，以及在運(yùn)營(yíng)服役期內(nèi)混凝土材料的劣化、汽車荷載的反復(fù)作用、超載造成混凝土的開裂及下?lián)系龋瑫?huì)使有效預(yù)應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)際值之間存在較大偏差，影響到橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能和使用年限，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致橋梁垮塌。Roller[5]研究得到1年半的預(yù)應(yīng)力損失為11.4%；Chouman[6-7]研究得到后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁1年的預(yù)應(yīng)力損失為4.04%～20.32%；Barr[8]研究得到3年的預(yù)應(yīng)力損失為27.5%；Natio等[9-10]研究得到三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋12年的預(yù)應(yīng)力損失為32.7%。根據(jù)已有研究可以看出，預(yù)應(yīng)力損失變化量差異較大。

本文依托現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到20 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁鋼絞線48 h內(nèi)錨下有效預(yù)應(yīng)力的變化測(cè)試值，通過有限元模擬施工階段預(yù)應(yīng)力混凝土梁有效預(yù)應(yīng)力損失變化的規(guī)律，通過對(duì)比分析確認(rèn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算值的有效性，進(jìn)行錨下預(yù)應(yīng)力時(shí)間效應(yīng)及溫度效應(yīng)修正。

1 錨下有效預(yù)應(yīng)力時(shí)間松弛效應(yīng)和溫度效應(yīng)測(cè)試方案

1.1 測(cè)試梁

選取陜西省某高海拔地區(qū)在建高速公路預(yù)制梁場(chǎng)中20 m預(yù)制箱梁6片，其截面尺寸相同，其中箱梁的預(yù)應(yīng)力束形式有2種類型，A類和B類。預(yù)制主梁混凝土采用C50混凝土，鋼絞線直徑為15.2 mm，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。預(yù)制混凝土梁抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的90%后張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。箱梁張拉順序?yàn)镹1、N2、N3，具體梁體規(guī)格見表1及圖1。

表1 梁體規(guī)格

注：A類預(yù)應(yīng)力鋼絞線N1、N2、N3均為4根；B類預(yù)應(yīng)力鋼絞線為N1、N2各5根，N3為4根。

圖1 試驗(yàn)梁截面形式

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)是一種功能強(qiáng)大的分布式全自動(dòng)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由上位機(jī)、采集模塊(MCU)、系統(tǒng)軟件及相關(guān)配件組成[11-12]。采集模塊(MCU)是本系統(tǒng)的二次儀表，由穿心式壓力傳感器、溫度傳感器及相關(guān)配件組成?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)備

1.3 測(cè)試過程

在梁體混凝土澆筑并養(yǎng)生7～8 d后，進(jìn)入預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉施工階段。在預(yù)應(yīng)力鋼束未張拉前，將壓力傳感器安裝至錨具與梁端之間(僅在梁體單側(cè)放置)，進(jìn)入張拉階段；在張拉過程中，每分鐘采集一次錨下預(yù)應(yīng)力數(shù)值和環(huán)境溫度數(shù)值，實(shí)時(shí)監(jiān)控錨下預(yù)應(yīng)力變化過程。待張拉結(jié)束3 h后，將設(shè)備調(diào)成自動(dòng)采集模式，采樣頻率為每10 min一次。試驗(yàn)過程如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程

2 錨下有效預(yù)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及時(shí)間修正

2.1 測(cè)試結(jié)果

48 h內(nèi)各束鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間及溫度的變化曲線如圖4所示。

圖4 測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從圖4可以看出：48 h內(nèi)，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)受一天內(nèi)環(huán)境溫度循環(huán)作用發(fā)生明顯的波動(dòng)，因此每束鋼絞線內(nèi)有效預(yù)應(yīng)力值呈周期性正弦波形曲線衰減；先張拉完成的鋼束的損失率比后張拉的鋼束大。這是由于張拉鋼束使梁體產(chǎn)生縮短變形，當(dāng)后張拉的鋼束對(duì)梁體施加預(yù)應(yīng)力后，梁體進(jìn)一步上拱變形，導(dǎo)致先張拉的鋼束產(chǎn)生微小回縮，使其張拉力減小，其損失率比后張拉的鋼束大。

基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，梁體內(nèi)鋼絞線錨下有效預(yù)應(yīng)力損失率基本呈對(duì)數(shù)函數(shù)形式增長(zhǎng)，前500 min損失較大，后期逐漸趨于平緩。

2.2 施工階段預(yù)應(yīng)力損失變化有限元模擬

考慮混凝土收縮徐變、鋼絞線低松弛效應(yīng)、夾片回縮量、混凝土彈性變形及孔道摩阻損失等影響因素，將48 h分為10個(gè)施工階段，每個(gè)施工階段時(shí)長(zhǎng)為0.2 d；考慮系統(tǒng)初始溫度為10 ℃，最終溫度為25 ℃，建立計(jì)算模型(圖5)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖5 有限元模型

圖6 有限元計(jì)算結(jié)果

將2種類型的梁體有限元計(jì)算結(jié)果取均值，同試驗(yàn)測(cè)試擬合結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，取0.2 d(即288 min)為一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，將48 h試驗(yàn)過程的結(jié)果整理成表2。

從表2可以看出：預(yù)應(yīng)力損失率的實(shí)測(cè)值比數(shù)值分析結(jié)果大，最大相差3.43%。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，在目前預(yù)應(yīng)力張拉施工過程中，規(guī)范規(guī)定的理論損失值偏小，需引起注意。

表2 試驗(yàn)測(cè)試值與有限元模擬損失率變化對(duì)比

2.3 張拉結(jié)束后48 h內(nèi)時(shí)間效應(yīng)修正

提取每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的18根鋼絞線的損失率數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)分析得到損失率的95%保證率的上、下限值，見圖7。

圖7 48 h預(yù)應(yīng)力損失率隨時(shí)間變化的趨勢(shì)

分別提取N1、N2、N3鋼絞線損失率，建立各束鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失變化數(shù)學(xué)回歸模型，如圖8所示。

擬合得到的N1～N3各束預(yù)應(yīng)力損失率的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為

式中：k1～k3為各鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失率；t為張拉后經(jīng)過的時(shí)間(t>1 min)。

3 有效預(yù)應(yīng)力的溫度效應(yīng)修正

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)受一天內(nèi)環(huán)境溫度循環(huán)的作用會(huì)發(fā)生明顯的波動(dòng)，對(duì)于晝夜溫差較大的地區(qū)，環(huán)境溫度對(duì)于預(yù)應(yīng)力值的影響程度也會(huì)更大，考慮環(huán)境溫度效應(yīng)的修正就具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[13-17]。

圖8 鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失率變化及線性擬合結(jié)果

選取試驗(yàn)梁張拉結(jié)束24 h后環(huán)境溫度最高的13點(diǎn)至次日13點(diǎn)之間的一個(gè)溫度循環(huán)(24 h)的錨下有效預(yù)應(yīng)力值數(shù)據(jù)與溫度值數(shù)據(jù)，分析相關(guān)變化關(guān)系，如圖9所示。

圖9 24 h后的預(yù)應(yīng)力與溫度的關(guān)系

分析圖9可以看出：在環(huán)境溫度最高時(shí)，錨下有效預(yù)應(yīng)力最大；當(dāng)溫度降低時(shí)，錨下有效預(yù)應(yīng)力隨之減少，基本呈線性關(guān)系；錨下有效預(yù)應(yīng)力變化量ΔF與溫度變化值ΔT的關(guān)系見圖10。

圖10 張拉力隨溫度變化的模型

擬合得到考慮溫度效應(yīng)的錨下有效張拉力修正模型為

ΔF=0.393 9ΔT+0.047 4

(4)

4 結(jié) 語

(1)基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，通過擬合回歸得到3種類型鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失率數(shù)學(xué)模型表達(dá)式，該損失率模型呈對(duì)數(shù)函數(shù)形式變化，前500 min損失較大；分析48 h內(nèi)的不考慮溫度的預(yù)應(yīng)力損失衰減規(guī)律，發(fā)現(xiàn)各鋼束間預(yù)應(yīng)力值離散性隨時(shí)間的增加而增大。

(2)通過數(shù)值模擬施工階段預(yù)應(yīng)力鋼絞線的變化規(guī)律，對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實(shí)際測(cè)試中初期預(yù)應(yīng)力損失較理論值明顯偏大，隨著時(shí)間增加，損失率均有放緩增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

(3)損失率曲線存在周期性正弦波變化，該變化是由環(huán)境溫度變化引起的，相比時(shí)間效應(yīng)對(duì)錨下預(yù)應(yīng)力的影響程度，溫度對(duì)錨下有效預(yù)應(yīng)力的影響較小；通過回歸擬合得到了考慮溫度效應(yīng)修正的預(yù)應(yīng)力變化值數(shù)學(xué)模型，可進(jìn)一步對(duì)每時(shí)刻下的錨下預(yù)應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確修正。