混凝土箱梁橋腹板豎向預(yù)應(yīng)力體系的探討與分析

鄭宏利，陳 恒

(中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司 北京市 101500)

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋發(fā)展至今，設(shè)計(jì)和施工技術(shù)都已經(jīng)成熟，在建設(shè)時(shí)的工期和質(zhì)量都能很好的保證。其本身具有結(jié)構(gòu)剛度大、整體穩(wěn)定性能好、抗震性能好等特點(diǎn)，現(xiàn)已經(jīng)在橋梁工程中得到廣泛的推廣和使用。然而，該橋型在使用過(guò)程中，在腹板斜截面處產(chǎn)生的主拉應(yīng)力過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致腹板開裂或梁體豎向位移偏大，因而對(duì)全橋的整體使用壽命和安全性造成了一定的威脅[1]，因此通常加入一定的豎向預(yù)應(yīng)力筋來(lái)減少箱梁的下?lián)虾土芽p。豎向預(yù)應(yīng)力大小的控制主要與豎向預(yù)應(yīng)力筋的選擇有關(guān),因此選擇合適的豎向預(yù)應(yīng)力筋和施工工藝在工程設(shè)計(jì)中顯得尤為重要?，F(xiàn)今,越來(lái)越多的工程案例表明,有效預(yù)應(yīng)力的大小主要與預(yù)應(yīng)力筋采用的材料性能、施工工藝和錨固體系有關(guān)。對(duì)比分析了預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋中三種常見的豎向預(yù)應(yīng)力體系,并得出相關(guān)結(jié)論,為工程實(shí)踐和設(shè)計(jì)提供參考。

1 豎向預(yù)應(yīng)力筋體系分析

1.1 精軋螺紋鋼筋

目前我國(guó)采用的傳統(tǒng)高強(qiáng)度精扎螺紋鋼筋大多應(yīng)用于早期修建的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁中。它是由帶螺紋的直條鋼筋構(gòu)成，具有強(qiáng)度高、直徑大的特點(diǎn)[2]。如圖1所示，它是由主要的受力桿件、錨固裝置組成。其中受力桿件是由高強(qiáng)度精扎螺紋鋼筋組成，錨固裝置是由錨固螺母、墊板組成。其施工安裝簡(jiǎn)單、張拉控制靈活，因而在施工中較常采用。

圖1 精軋螺紋鋼筋構(gòu)造和錨固系統(tǒng)

橋梁施工中如果使用精軋螺紋鋼筋建立豎向預(yù)應(yīng)力，一般要經(jīng)過(guò)圖2所示的施工工藝。其中張拉時(shí)一般先用扳手?jǐn)Q緊錨具，再通過(guò)千斤頂張拉，張拉量通過(guò)千斤頂?shù)挠蛪簛?lái)計(jì)算，張拉完畢后擰緊精軋螺紋鋼錨具螺母，最后封錨灌漿，使預(yù)應(yīng)力通過(guò)混凝土傳遞下去。

圖2 精軋螺紋鋼筋施工流程圖

精軋螺紋鋼在施工過(guò)程中也存在著一些問(wèn)題:

(1)在建設(shè)過(guò)程中需要用到大量鋼筋來(lái)定位預(yù)應(yīng)力管道，造成了施工不便。

(2)施工最后階段留下的預(yù)留鋼筋,也需要切割從而浪費(fèi)較長(zhǎng)的施工時(shí)間致使施工進(jìn)度很慢。

(3)在孔道壓漿時(shí),泌水通常在頂端排出,如果水泥漿的和易性差很容易造成孔道堵塞。

圖3 精軋螺紋鋼筋施工現(xiàn)場(chǎng)圖

1.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線

豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線是由多根高強(qiáng)度冷拉光面鋼絲組合而成[3]。如圖4所示，它的組成形式是由受力桿件、錨固裝置和壓漿系統(tǒng)組成。其中主要的受力桿為強(qiáng)度高、柔性大的高強(qiáng)度鋼絞線。

圖4 豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線構(gòu)造圖

豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固系統(tǒng)由工作夾片、工作錨板、螺母、錨墊板、波紋管、在張拉端的二次張拉錨具等其他零部件組成[4],如圖5所示。

圖5 豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固體系

豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線的施工工藝與傳統(tǒng)的精軋螺紋鋼筋施工工藝相似,但因其自身具有很高的柔性，能夠消除孔道偏差對(duì)豎向預(yù)應(yīng)力損失的影響[5]。施工流程如圖6所示。值得注意的是，在預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉時(shí)，需要進(jìn)行如圖7所示的兩次張拉，第一次張拉施工時(shí)先啟動(dòng)整體千斤頂向上頂升，整體張拉鋼絞線力筋至設(shè)計(jì)應(yīng)力值1.05σcon。二次張拉則需要首先啟動(dòng)千斤頂向上頂升工具錨和工具夾片,將同組絞線整體張拉至1.0σcon,持荷2min后,擰緊錨具上的支撐螺母，直到支撐螺母與錨墊板接觸，消除螺母與墊板之間的間隙[6]。采用二次張拉工藝的鋼絞線豎向預(yù)應(yīng)力筋使錨固鋼絞線的錨固理論回縮值小于1mm，保留了更多的有效預(yù)應(yīng)力。

圖6 預(yù)應(yīng)力鋼絞線施工流程

圖7 預(yù)應(yīng)力鋼絞線二次張拉示意圖

1.3 無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒

無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒與精扎螺紋鋼筋在構(gòu)造上有很多相同之處，都是由受力桿和錨固系統(tǒng)構(gòu)成，如圖8所示。受力桿表面涂有光滑的油脂，以防止與外側(cè)的保護(hù)套摩擦。鋼棒通過(guò)特殊的調(diào)制工藝制成，使其具有很好的機(jī)械性能[7]。

圖8 無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒構(gòu)造圖

無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒錨固系統(tǒng)是由錨固螺母、錨墊板、錨固備母、錨固擋板、螺旋筋5部分組成,如圖9所示。鋼棒采用強(qiáng)度比較高的螺紋錨固，其錨固精度可以達(dá)到0.1mm，豎向預(yù)應(yīng)力損失小。它的錨固螺距僅1.5mm，施工精度高，張拉應(yīng)力和伸長(zhǎng)量基本保持一致。

圖9 無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒錨固系統(tǒng)

無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒在施工過(guò)程中只需要一次張拉即可滿足設(shè)計(jì)方的要求，由于其按即定尺寸生產(chǎn)，因此不用預(yù)留千斤頂工作長(zhǎng)度，張拉后無(wú)需割筋，相比前兩種體系，施工工藝得到簡(jiǎn)化，可節(jié)省大量時(shí)間，大大縮短施工工期[8]。其施工流程圖如圖10所示。

圖10 無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒施工工藝流程圖

無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒在施工張拉時(shí)首先將張拉頭連接到張拉桿上,然后將螺母旋上，再利用千斤頂進(jìn)行張拉，待張拉到設(shè)計(jì)力時(shí),利用鎖緊手柄鎖緊錨固螺母，最后卸除張拉力,將張拉桿上的螺母和張拉頭零件取下,完成張拉[9]。得益于其便捷的張拉工藝和低回縮的錨固系統(tǒng)使其應(yīng)用愈發(fā)廣泛。另外無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒的強(qiáng)度等級(jí)可以達(dá)到1420～1570MPa，在被拉斷后伸長(zhǎng)率為原來(lái)的7%，與精軋螺紋鋼筋相比，具有更好的抗震性能。

1.4 比較分析

從上述介紹的豎向預(yù)應(yīng)力筋的構(gòu)造和錨固體系中，可以看出：

(1)精軋螺紋鋼筋相對(duì)于后兩者預(yù)應(yīng)力體系，造價(jià)低廉，施工張拉方便，但自身剛度有限，在施工作用下被拉斷的現(xiàn)象很普遍，并且精軋螺紋鋼筋其對(duì)錨固系統(tǒng)中各部分構(gòu)件之間安裝位置的精確度要求較高，一旦出現(xiàn)較大的相對(duì)位置偏差就會(huì)導(dǎo)致較大的豎向預(yù)應(yīng)力損失。

(2)在三種建立豎向預(yù)應(yīng)力材料中，預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉強(qiáng)度最高，可以達(dá)到1860MPa級(jí)，因而克服了傳統(tǒng)的精軋螺紋鋼錨固體系張拉力小導(dǎo)致后期永存預(yù)應(yīng)力保有量小的缺陷。與精軋螺紋鋼筋相比,鋼絞線的柔性大,因此能夠很好地消除孔道偏差帶來(lái)的預(yù)應(yīng)力損失的的影響[10]。但是由于預(yù)應(yīng)力鋼絞線為了克服有效預(yù)應(yīng)力損失需要進(jìn)行2次精確張拉，施工工藝相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜。

(3)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒采用特殊的調(diào)質(zhì)工藝制作而成，其強(qiáng)度高、延性好,因而抗震的能力更加突出。并且其錨固回縮量小于0.1mm,能夠有效防止有效預(yù)應(yīng)力的損失，且預(yù)應(yīng)力鋼棒錨固之后,無(wú)需切割多余的鋼筋，大大節(jié)省了施工的時(shí)間。

2 應(yīng)力損失分析

預(yù)應(yīng)力損失是指在施工過(guò)程中由于張拉工藝、錨固措施、鋼材性能以及混凝土性能等多種原因,使得在實(shí)際使用中產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力值要比預(yù)應(yīng)力筋張拉完畢時(shí)小的現(xiàn)象。對(duì)于腹板處的豎向預(yù)應(yīng)力損失，還要考慮日照溫差、水化熱等外部因素造成的豎向預(yù)應(yīng)力損失?？傮w來(lái)說(shuō),腹板豎向預(yù)應(yīng)力損失由傳力錨固時(shí)的損失、傳力錨固后的損失和其他因素造成的豎向預(yù)應(yīng)力損失三部分共同組成[11]。如圖11所示。

圖11 豎向預(yù)應(yīng)力損失框圖

2.1 施工工藝引起的豎向預(yù)應(yīng)力損失

(1)豎向預(yù)應(yīng)力筋與管道摩擦引起的損失是指豎向預(yù)應(yīng)力筋與波紋管道壁產(chǎn)生摩擦接觸而引起的損失[12]，對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼絞線，張拉鋼筋會(huì)與管道壁摩擦產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦阻力。規(guī)范中建議按下式進(jìn)行計(jì)算：

σl1=σcon[1-e-(μθ+kx)]

(1)

式中：σl1—摩擦作用引起的預(yù)應(yīng)力損失；

σcon—錨下張拉控制應(yīng)力；

k—管道位置偏差對(duì)摩阻力的影響系數(shù)，對(duì)塑料/金屬波紋管取值為0.0015；

x—構(gòu)件豎軸線長(zhǎng)度。

對(duì)于精軋螺紋鋼筋，其豎向預(yù)應(yīng)力筋為直線布置，不存在彎曲布置。因此θ=0，故式(1)可以簡(jiǎn)化為：

σl1=σcon[1-e-kx]

(2)

而無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒與混凝土之間存在一定的間隙，管道壁間的摩阻力基本可以忽略不計(jì)。

(2)錨固系統(tǒng)的壓縮變形引起的豎向預(yù)應(yīng)力損失是指螺母錨固之后會(huì)受到巨大的壓力而產(chǎn)生一定的變形，而豎向預(yù)應(yīng)力筋也將產(chǎn)生一定的附加回縮量而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失[12]。現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定，壓縮變形引起的總預(yù)應(yīng)力損失可以按式(3)計(jì)算。

(3)

式中：Δl—預(yù)應(yīng)力鋼筋放張錨固過(guò)程中錨固系統(tǒng)的總壓縮變形值；

l—張拉端至固定端的距離；

Ep—預(yù)應(yīng)力鋼筋的彈性模量。

對(duì)于采用夾片式錨具的豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線，由于錨固系統(tǒng)總壓縮變形值較大，通常Δl達(dá)到6～8mm，相對(duì)鋼絞線而言，采用帶螺帽錨具的精軋螺紋鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼棒的張拉力和壓縮變形值較小，通?？偦乜s量Δl只有1～2mm，彰顯了螺紋錨具的優(yōu)越性。

(3)混凝土彈性壓縮引起的損失是指預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在混凝土澆注完畢達(dá)到規(guī)定齡期后，張拉錨固豎向預(yù)應(yīng)力筋時(shí)會(huì)對(duì)混凝土作用一個(gè)巨大的預(yù)壓應(yīng)力而使混凝土產(chǎn)生壓縮變形而引起的損失[12]。對(duì)于一次張拉完成的混凝土結(jié)構(gòu)，不存在該損失。

2.2 傳力錨固后的豎向預(yù)應(yīng)力損失

(1)豎向預(yù)應(yīng)力筋松弛造成的豎向預(yù)應(yīng)力損失是指鋼筋在高應(yīng)力狀態(tài)下隨著時(shí)間延長(zhǎng)而產(chǎn)生變形而引起的損失。對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼絞線，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算公式為：

(4)

式中：σpe—預(yù)應(yīng)力施工完畢時(shí)鋼筋內(nèi)的應(yīng)力；

σl3—鋼筋松弛后的預(yù)應(yīng)力損失；

ψ—張拉系數(shù)，一次張拉取1.0，超張拉取0.9；

ξ—鋼筋松弛系數(shù)。

一般來(lái)說(shuō)鋼筋的初拉應(yīng)力值越高，其應(yīng)力松弛損失就會(huì)越大，而當(dāng)初應(yīng)力值較低時(shí)，這部分損失很小，幾乎可以忽略不計(jì)。對(duì)于初應(yīng)力值小于鋼筋極限強(qiáng)度的50%時(shí)無(wú)需考慮。因此預(yù)應(yīng)力鋼絞線為了克服松弛引起的損失，通常進(jìn)行超張拉處理，造成施工難度增加。而采用冷拉熱軋或者熱處理的預(yù)應(yīng)力鋼棒由于本身材質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，預(yù)應(yīng)力松弛損失會(huì)比鋼絞線體系小。

(2)混凝土收縮造成的豎向預(yù)應(yīng)力損失是指混凝土由于其所含水分的蒸發(fā)以及其他不確定因素而產(chǎn)生的體積縮小而引起的損失。一般按式(5)計(jì)算：

(5)

式中：εcs(t,t0)—預(yù)應(yīng)力鋼筋達(dá)到齡期t時(shí)的混凝土收縮應(yīng)變；

φ(t,t0)—計(jì)算考慮的齡期為t時(shí)的徐變系數(shù)；

ρ—構(gòu)件受拉鋼筋的配筋率。

徐變?cè)斐傻念A(yù)應(yīng)力損失是指在長(zhǎng)期荷載作用下混凝土產(chǎn)生的塑性變形引起的損失。預(yù)應(yīng)力鋼絞線本身由于在施工中張拉的力σpc較大，從而造成混凝土處于高應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致徐變引起的損失較大。但由于鋼絞線本身高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，因此可以在施工中進(jìn)行超張拉或者二次張拉來(lái)規(guī)避這種損失。

2.3 其他因素引起的豎向預(yù)應(yīng)力損失

凡是能夠引起豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋縮短的因素都將造成豎向預(yù)應(yīng)力損失。比如需要進(jìn)行壓漿處理的精軋螺紋鋼筋和鋼絞線，壓漿不飽滿會(huì)削弱其粘結(jié)、握裹作用，造成豎向預(yù)應(yīng)力損失[13]；還有橋梁建成后箱體內(nèi)部和外部溫度場(chǎng)的作用，強(qiáng)日照作用下箱梁頂部與底部溫差的作用，各種后續(xù)荷載的作用，以及混凝土的水化熱及管道砂漿水化熱產(chǎn)生的溫差作用都會(huì)造成豎向預(yù)應(yīng)力不同程度的損失。

2.4 比較分析

本節(jié)分析了能夠造成腹板豎向預(yù)應(yīng)力損失的各種因素，研究了各分項(xiàng)損失的產(chǎn)生機(jī)理。

(1)豎向預(yù)應(yīng)力在傳力錨固時(shí)的損失中，精軋螺紋鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線中需要用到波紋管，因而很難規(guī)避豎向力筋與管道壁摩擦引起的損失。因此在施工過(guò)程中，盡量提高施工的操作工藝使預(yù)應(yīng)力筋和波紋管軸線重合或在豎向預(yù)應(yīng)力筋表面部分涂入潤(rùn)滑劑，使其在張拉過(guò)程中減小摩阻系數(shù)并使其損失值盡可能的減少。而預(yù)應(yīng)力鋼絞線由于張拉力較大，多數(shù)采用夾片錨具進(jìn)行錨固，造成鋼筋回縮和接縫壓縮造成的損失量大。因而多數(shù)要采用超張拉的方法，使其預(yù)應(yīng)力鋼筋的初始應(yīng)力增大，在規(guī)避摩阻損失后依然能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在壓縮變形導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失中，預(yù)應(yīng)力鋼絞線由于初始張拉應(yīng)力較大，相對(duì)于精軋螺紋鋼筋預(yù)應(yīng)力損失占比較大。因此待第一次張拉，混凝土彈性壓縮之后再進(jìn)行第二次張拉，使Δl值減小從而達(dá)到σl2減小的目的。

(2)在豎向預(yù)應(yīng)力傳力錨固后的損失中，精軋螺紋鋼筋和無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒采用冷拉熱軋或者熱處理進(jìn)行制造，剛性好，使松弛系數(shù)ξ減低因而松弛造成的預(yù)應(yīng)力損失σl3較小。預(yù)應(yīng)力鋼絞線由于本身材料塑性強(qiáng)，在傳力錨固后造成的損失比前兩者大，但由于張拉力高，減少了鋼材用量，可以做到省材和經(jīng)濟(jì)。因此可以提高預(yù)應(yīng)力鋼絞線的制造工藝，提高其剛度使其松弛系數(shù)ξ減小。另外可以改進(jìn)其預(yù)應(yīng)力鋼絞線的錨固體系，如采用帶有螺母的OHM錨固張拉體系也可以有效地減小其預(yù)應(yīng)力損失。

3 結(jié)語(yǔ)

介紹了三種不同的豎向預(yù)應(yīng)力體系，從構(gòu)造、錨固體系、預(yù)應(yīng)力損失等幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，得到如下結(jié)論：

(1)相對(duì)精軋螺紋鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線,無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒的應(yīng)力松弛、管道摩擦和錨具變形所造成的預(yù)應(yīng)力損失較小,錨固體系更加可靠，且張拉完成后無(wú)需澆注混凝土,可直接封錨且不需要割筋,從而簡(jiǎn)化了施工工藝,可節(jié)省大量時(shí)間,大大縮短施工工期。

(2)相對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒和精軋螺紋鋼筋，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉級(jí)數(shù)更大、柔性高、伸長(zhǎng)量大，在同樣回縮下，預(yù)應(yīng)力損失較小，可以做到省材和經(jīng)濟(jì)，但是施工工藝相對(duì)復(fù)雜，工程中多數(shù)要進(jìn)行二次張拉來(lái)彌補(bǔ)應(yīng)力損失，影響了施工進(jìn)度。

(3)精軋螺紋鋼筋由于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)更低廉，但無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒剛度高、機(jī)械性能強(qiáng)，具有更好的抗震吸附性能，且施工工藝簡(jiǎn)單、控制精度高，使其后期保有更多的有效預(yù)應(yīng)力。