混凝土現(xiàn)澆箱梁超長(zhǎng)單端張拉法預(yù)應(yīng)力損失分析

彭閔敏，王洪杰，刁 宇，宋發(fā)達(dá)

(水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

預(yù)應(yīng)力技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已普遍應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、橋梁工程、索塔和樓蓋結(jié)構(gòu)等土木工程中。特別是在橋梁工程中，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)以其剛度高、堅(jiān)固耐用、抗裂性好等優(yōu)點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著施工技術(shù)的不斷發(fā)展，橋體跨度不斷增大，預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的長(zhǎng)度要求也越高，超長(zhǎng)張拉技術(shù)會(huì)面臨著預(yù)應(yīng)力折損問題。預(yù)應(yīng)力損失過多，預(yù)制構(gòu)件達(dá)不到有效應(yīng)力設(shè)計(jì)值，可能給構(gòu)件甚至結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重的危害。所以在預(yù)應(yīng)力構(gòu)件制作過程中，不能忽視預(yù)應(yīng)力折損帶來的不良影響，需要通過計(jì)算來明確影響量來保證足夠的安全儲(chǔ)備。

有效預(yù)應(yīng)力的影響因素有混凝土的收縮徐變、鋼絞線的張拉順序、錨圈口摩阻損失以及溫度變化等。學(xué)者們采用試驗(yàn)和數(shù)值仿真手段開展了系列研究，例如徐學(xué)斌等[1]采用數(shù)值模擬的方法，分析研究了同步張拉順序和預(yù)應(yīng)力批次改變對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)應(yīng)力損失的影響。對(duì)于超長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)力的研究，李正軍等[2]研究了超長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線預(yù)應(yīng)力在溫度變化作用下的影響，研究表明溫度變化作用影響明顯，溫差為11.7 ℃時(shí)預(yù)應(yīng)力變化率為11.8%。陳成文等[3]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)超長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力束的初應(yīng)力、錨圈口摩阻損失、錨固回縮損失、有效預(yù)應(yīng)力、持荷時(shí)間及超張拉荷載進(jìn)行了測(cè)試，并與理論公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比，得到了準(zhǔn)確的有效預(yù)應(yīng)力。彭元誠(chéng)等[4]通過數(shù)值模擬方法，分析了通常布索方式與交叉錨固布索方式對(duì)預(yù)應(yīng)力的不同影響，研究表明，新型布索方式可以明顯地控制結(jié)構(gòu)撓度、結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力損失，有效防止混凝土的開裂。方志等[5]基于某大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋腹板豎向預(yù)應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期測(cè)試結(jié)果，對(duì)箱梁豎向預(yù)應(yīng)力的各種損失進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，實(shí)測(cè)豎向預(yù)應(yīng)力總損失可達(dá)其初始張拉應(yīng)力的45%，錨具變形、鋼筋回縮及接縫壓縮等引起的損失占其總損失的53%。魏永兵等[6]對(duì)某橋豎向預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，采用了二次張拉工藝之后，有效預(yù)應(yīng)力提高7.6%，錨固損失率僅為1.56%和1.28%。但在張拉方式對(duì)比研究上，還鮮見報(bào)道，僅見許大壘等[7]通過理論公式，分別計(jì)算了一端和兩端張拉的不同張拉方式下鋼束的有效應(yīng)力減小和伸長(zhǎng)量，通過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)一端張拉的應(yīng)力損失大于兩端張拉，且伸長(zhǎng)量小于兩端張拉。但目前對(duì)超長(zhǎng)梁預(yù)應(yīng)力筋張拉方式和張拉次序造成的預(yù)應(yīng)力損失影響還鮮有報(bào)道，因此結(jié)合成都市火車北站擴(kuò)能改造配套市政工程主線橋項(xiàng)目，對(duì)其超長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力單端張拉過程中的預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)及質(zhì)量控制開展研究。

1 預(yù)應(yīng)力損失影響因素

1)混凝土收縮徐變。

混凝土的收縮是在初凝時(shí)體積變小，主要由于混凝土體內(nèi)所含水分的變化、水泥活性以及外界環(huán)境等物理化學(xué)因素引起?；炷列熳兪怯捎诤奢d隨時(shí)間變化而引起的變形，主要由骨料結(jié)合面的裂縫持續(xù)發(fā)展、混凝土在重力作用下的變形及外部環(huán)境等因素引起。

2)鋼絞線自身影響。

不同的鋼絞線力學(xué)特性存在差異，因此在預(yù)應(yīng)力施加過程中出現(xiàn)的預(yù)應(yīng)力損失也不同。鋼束在被拉長(zhǎng)過程中，施加的力越大，應(yīng)力損失反而越多。另外，預(yù)應(yīng)力損失也受荷載持續(xù)時(shí)間的影響，持荷時(shí)間越長(zhǎng)鋼絞線的塑性變形越小，預(yù)應(yīng)力折損減小。

3)施工過程的影響。

在施工過程中，施工單位往往將錨下的控制張拉力作為施工控制張拉力，而不考慮錨環(huán)口處的摩擦損失，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力較低。同時(shí)，張拉后錨固過程引起的損失，施工張拉預(yù)應(yīng)力張拉控制精度、張拉力與伸長(zhǎng)量雙控協(xié)調(diào)等方面也均會(huì)引起預(yù)應(yīng)力損失。

4)其他因素影響。

溫度梯度應(yīng)力一般會(huì)出現(xiàn)在多箱、多室的箱梁中，使梁體變形增大，進(jìn)而引起預(yù)應(yīng)力損失。通常梁中的鋼絞線將設(shè)置一個(gè)曲折點(diǎn)，鋼束有曲折部分和直線部分。鋼絞線在張拉時(shí)會(huì)出現(xiàn)法向應(yīng)力，波紋管與鋼絞線之間產(chǎn)生摩阻力，進(jìn)而使得預(yù)應(yīng)力損失。因此，當(dāng)采用鋼絞線的伸長(zhǎng)量作為張拉力的控制值時(shí)，有必要分段計(jì)算鋼絞線與管道之間的摩擦力，減小預(yù)應(yīng)力損失。若錨具質(zhì)量不合格，則在預(yù)應(yīng)力施加過程中會(huì)出現(xiàn)過大變形、滑移甚至損壞等情況，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中鋼筋放松，從而損失預(yù)應(yīng)力。因此，在選擇錨具時(shí)，必須根據(jù)設(shè)計(jì)采用正規(guī)廠家生產(chǎn)的錨具，以保證每批構(gòu)件的穩(wěn)定性，從而準(zhǔn)確控制錨具變形引起的預(yù)應(yīng)力損失。

2 工程概況

成都市火車北站擴(kuò)能改造配套市政工程主線橋全長(zhǎng)277.3 m，為單向單車道。梁段為現(xiàn)澆箱梁，三跨跨徑為28.5 m×3。箱梁預(yù)應(yīng)力采用17φs15.2鋼絞線進(jìn)行后張法張拉，其中第三聯(lián)F1鋼束長(zhǎng)度8 633.7 cm，F(xiàn)2鋼束長(zhǎng)度為8 609.9 cm，F(xiàn)3鋼束長(zhǎng)度為8 597.1 cm。橋梁采用C50混凝土進(jìn)行澆筑，主梁截面采用單箱單室箱梁截面，橫截面如圖1所示，鋼絞線平彎大樣如圖2所示。鋼束數(shù)量見表1。

表1 鋼束數(shù)量表

3 預(yù)應(yīng)力損失數(shù)值分析

采取midas Civil創(chuàng)建30 m單跨梁數(shù)學(xué)分析模型，如圖3(a)所示，對(duì)預(yù)應(yīng)力折損進(jìn)行分析。預(yù)應(yīng)力鋼絞線按實(shí)際圖紙布置，分析模型如圖3(b)所示，模型除各種施工階段荷載外，還考慮了收縮徐變、系統(tǒng)溫差對(duì)主梁的影響，本文只分析縱向預(yù)應(yīng)力損失影響。

3.1 長(zhǎng)度及張拉設(shè)置影響

預(yù)應(yīng)力折損程度也受時(shí)間的影響，在預(yù)應(yīng)力施加瞬間造成的折損為瞬間折損，構(gòu)件制作完成后，長(zhǎng)時(shí)間后的折損為長(zhǎng)期折損。此外，還需關(guān)注不同張拉方式、張拉順序造成的不同結(jié)果。首先不考慮張拉次序的影響，采用同步張拉鋼束，僅考慮張拉方式的影響，分別采用雙端張拉和單端張拉(張拉末端)兩種情況，采用兩種不同張拉方式時(shí)，鋼束的內(nèi)力分布如圖4所示。

如圖4所示，單端張拉方式的鋼束有效應(yīng)力與雙端張拉方式的鋼束幾乎一樣，但考慮時(shí)間長(zhǎng)短，長(zhǎng)時(shí)間折損后的有效應(yīng)力要略小于考慮瞬間折損的有效應(yīng)力。為了闡明張拉設(shè)置方式對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束內(nèi)力的影響，提出張拉設(shè)置內(nèi)力系數(shù)η，為單端張拉內(nèi)力與雙端張拉內(nèi)力的比值。

(1)

其中，Ts為單端張拉內(nèi)力;Td為雙端張拉內(nèi)力。將數(shù)據(jù)代入式(1)，內(nèi)力系數(shù)計(jì)算成果如圖5所示。從30 m的單 跨模型的內(nèi)力系數(shù)η分布可以看出，無論是短期的預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)損失后的內(nèi)力，還是考慮了長(zhǎng)期損失后的預(yù)應(yīng)力鋼束內(nèi)力，單端張拉和雙端張拉的有效應(yīng)力基本一致，內(nèi)力分布系數(shù)基本保持在1.0左右，因此可知，張拉方式的變化對(duì)于30 m左右的單跨張拉的影響較小。

建立全橋85 m模型，共3跨，每跨跨長(zhǎng)均為28.5 m，依據(jù)圖紙坐標(biāo)布置了12根預(yù)應(yīng)力鋼束，如圖6所示。進(jìn)一步分析下張拉設(shè)置方法對(duì)超長(zhǎng)現(xiàn)澆箱梁的有效應(yīng)力的影響。

鋼束的有效應(yīng)力如圖7所示。通過與單跨梁對(duì)比，鋼束的長(zhǎng)度變長(zhǎng)，張拉方式不同，鋼束的有效應(yīng)力有明顯差別，且越接近固端，有效應(yīng)力差別越明顯，雙端張拉方式的有效應(yīng)力比單端大，即應(yīng)力損失較小。且相對(duì)于僅考慮瞬時(shí)折損，考慮所有折損后的有效應(yīng)力明顯降低。

將圖7中的不同拉伸方式的有效預(yù)應(yīng)力分布代入到式(1)中計(jì)算，得到全橋預(yù)應(yīng)力鋼束的內(nèi)力系數(shù)分布，如圖8所示。與30 m模型相比，預(yù)應(yīng)力鋼束內(nèi)力分布隨著張拉方式不同，表現(xiàn)出明確的區(qū)別。從中點(diǎn)處區(qū)分，中點(diǎn)-張拉端，雙端張拉與單端張拉的內(nèi)力仍保持較好的一致性。但固定端-中點(diǎn)出現(xiàn)明顯的分歧，越接近固定端，區(qū)別越明顯，瞬時(shí)損失的對(duì)比三組預(yù)應(yīng)力鋼束，F(xiàn)3的η為0.89，F(xiàn)2的η為0.83，F(xiàn)1的η為0.77；在長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失條件下，對(duì)比F1,F2和F3的內(nèi)力系數(shù)，F(xiàn)3的η為0.90，F(xiàn)2的η為0.85，F(xiàn)1的η為0.80，因此F1組預(yù)應(yīng)力鋼束瞬時(shí)損失的差別最大，其原因在于F1組預(yù)應(yīng)力鋼束平彎轉(zhuǎn)角更大，預(yù)應(yīng)力損失也就越多。

3.2 張拉次序影響

一般情況下，鋼筋束的張拉順序是根據(jù)以下因素計(jì)算確定的：

1)張拉時(shí)避免構(gòu)件截面出現(xiàn)過大的偏心應(yīng)力狀態(tài)，以免在混凝土邊緣產(chǎn)生拉應(yīng)力。

2)盡量減小梁體產(chǎn)生過大的上拱度，防止梁體開裂或變形嚴(yán)重。

3)盡量控制預(yù)應(yīng)力損失。因此要考慮不同的張拉次序，考察鋼絞線內(nèi)力分布情況，張拉次序工況如表2所示。

表2 張拉次序工況

將預(yù)應(yīng)力鋼束的沿徑向分布的內(nèi)力繪制成圖9，從圖9可以看出，兩種工況下，F(xiàn)1和F2預(yù)應(yīng)力鋼束的有效預(yù)應(yīng)力基本一致，F(xiàn)3略有區(qū)別，以中心點(diǎn)為分界點(diǎn)，固定端-中點(diǎn)段，工況一中F3預(yù)應(yīng)力鋼束有效預(yù)應(yīng)力中略大。中心點(diǎn)-張拉端段，工況二中F3預(yù)應(yīng)力鋼束有效預(yù)應(yīng)力中略大。然而，與各工況下的有效預(yù)應(yīng)力值相比，F(xiàn)1仍然具有最大的預(yù)應(yīng)力損失和最小的有效預(yù)應(yīng)力。

4 預(yù)應(yīng)力張拉控制技術(shù)

4.1 施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)試

對(duì)于長(zhǎng)度較大的且張拉方式為一端張拉鋼束的預(yù)應(yīng)力施工，保證預(yù)應(yīng)力達(dá)到要求的關(guān)鍵在于有先進(jìn)的施工工藝和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕そM織與管理。在施工過程中，通過采取質(zhì)量控制方法，開展項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及數(shù)據(jù)分析工作，進(jìn)而提高預(yù)應(yīng)力工程質(zhì)量。

4.2 智能張拉控制

采用智能自動(dòng)張拉設(shè)備以應(yīng)力為調(diào)控指標(biāo)，將伸長(zhǎng)量偏差作為校準(zhǔn)參數(shù)，精準(zhǔn)地控制張拉力和加載速率，同時(shí)生成數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，提高施工質(zhì)量并降低控制難度，明確理論依據(jù)并使控制數(shù)據(jù)能夠更好地與智能控制設(shè)備相結(jié)合。

采用的主要儀器為智能張拉設(shè)備，相較于傳統(tǒng)張拉設(shè)備，主要優(yōu)勢(shì)有：

1)張拉力，分級(jí)百分比等數(shù)據(jù)系統(tǒng)錄入，避免現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)校對(duì)中出現(xiàn)錯(cuò)誤。

2)壓力上升均為智能程序勻速完成，避免人工手動(dòng)升壓、降壓速度過快，造成張拉力陡增或雙端張拉升壓節(jié)奏不一致。

3)穩(wěn)壓期間張拉力損失，由系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償拉力，補(bǔ)償精準(zhǔn)。

4)自動(dòng)采集伸長(zhǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算實(shí)際伸長(zhǎng)值，精確可靠，避免人工現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算誤差。

5)智能自動(dòng)張拉設(shè)備相比傳統(tǒng)手動(dòng)式張拉設(shè)備，穩(wěn)定性更強(qiáng)，張拉值更接近理論值，并保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

6)二次張拉低縮短鋼絞線垂直預(yù)應(yīng)力錨固體系能顯著削減一次張拉放張?jiān)斐傻念A(yù)應(yīng)力喪失。

7)摩阻系數(shù)測(cè)定，準(zhǔn)確的摩阻系數(shù)有效地減小伸長(zhǎng)值計(jì)算與實(shí)際之間差異，避免鋼絞線超張拉等情況的發(fā)生。

5 結(jié)論

1)研究結(jié)果說明，預(yù)應(yīng)力構(gòu)件及預(yù)應(yīng)力鋼束長(zhǎng)度越長(zhǎng)，一端張拉與雙端張拉的預(yù)應(yīng)力折損差異越明顯。當(dāng)模型長(zhǎng)度為30 m時(shí)，單端張拉和雙端張拉兩種施工方式導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失差別不大，有效預(yù)應(yīng)力基本保持一致。當(dāng)模型長(zhǎng)度大于80 m時(shí)，單端張拉的預(yù)應(yīng)力損失大于雙端張拉，最小內(nèi)力系數(shù)達(dá)到0.77；因此，在實(shí)際張拉過程中，應(yīng)對(duì)較長(zhǎng)梁段單端張拉預(yù)應(yīng)力的張拉控制應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以確保結(jié)構(gòu)有效預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)值。

2)在預(yù)應(yīng)力施加過程中，鋼束的有效應(yīng)力會(huì)隨著張拉次序的不同而改變。因此，為了避免過多的應(yīng)力損失，需進(jìn)行分析計(jì)算得到合理的張拉次序。