懸臂梁豎向預(yù)應(yīng)力張拉控制分析

王洪濤，武國民，王京京

（山東宇通路橋集團(tuán)有限公司，山東 廣饒 257300）

0 引言

豎向預(yù)應(yīng)力是懸臂現(xiàn)澆連續(xù)梁中關(guān)系結(jié)構(gòu)安全及正常使用的重要部分，能有效降低腹板主拉應(yīng)力，并避免發(fā)生裂縫。但是對(duì)于具體橋梁工程而言，建成后在諸多因素的影響下，腹板開裂的現(xiàn)象仍頻繁發(fā)生，這也反映出豎向預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用后并未取得預(yù)期效果。調(diào)查及分析發(fā)現(xiàn)，引發(fā)腹板裂縫產(chǎn)生的主要原因在于張拉過程中預(yù)應(yīng)力損失過大，豎向預(yù)應(yīng)力張拉后有效預(yù)應(yīng)力不足，甚至導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力失效。《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50—2011）規(guī)定，應(yīng)通過二次張拉彌補(bǔ)因施工、設(shè)備等方面的原因而造成的懸臂梁豎向預(yù)應(yīng)力損失；且豎向預(yù)應(yīng)力張拉施工必須在縱向預(yù)應(yīng)力3個(gè)梁段內(nèi)進(jìn)行，以最大限度地保存預(yù)應(yīng)力。雖然結(jié)合相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，在施工中對(duì)懸臂梁豎向預(yù)應(yīng)力采取雙控措施，但仍存在部分預(yù)應(yīng)力損失，為此，必須在預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確估算預(yù)應(yīng)力損失，并在張拉施工中采取相應(yīng)措施，以保證豎向預(yù)應(yīng)力預(yù)期效果的順利發(fā)揮。

1 工程概況

某特大橋主橋?yàn)樽兘孛骖A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)，中跨與邊跨合龍段長2.0m，邊跨現(xiàn)澆段長3.8m，邊跨合龍段采用支架現(xiàn)澆施工，待邊跨合龍后將臨時(shí)支點(diǎn)全部拆除，再進(jìn)行中跨合龍。懸臂梁設(shè)計(jì)質(zhì)量為139t，掛籃結(jié)構(gòu)自重56t。箱梁采用橋面板橫向預(yù)應(yīng)力束、縱向預(yù)應(yīng)力束和豎向精軋螺紋鋼筋的三向預(yù)應(yīng)力體系，懸臂澆筑連續(xù)箱梁左右段均通過菱形掛籃澆筑施工，且兩段同時(shí)進(jìn)行，共投入8個(gè)掛籃。懸臂澆筑連續(xù)梁段必須在底板混凝土初凝前一次全部澆筑成型，防止梁底出現(xiàn)裂紋。

該特大橋主橋預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橫截面尺寸大、跨度長，且懸臂現(xiàn)澆段和掛籃質(zhì)量較大，必須加強(qiáng)混凝土澆筑質(zhì)量及預(yù)應(yīng)力張拉精度控制。具體而言，應(yīng)加強(qiáng)豎向預(yù)應(yīng)力張拉控制、摩阻系數(shù)以及鋼絞線應(yīng)力應(yīng)變控制。體外預(yù)應(yīng)力體系中的預(yù)應(yīng)力為后張法預(yù)應(yīng)力，其豎向預(yù)應(yīng)力損失主要包括錨具形變及夾片回縮損失、預(yù)應(yīng)力筋松弛損失、混凝土彈性壓縮損失[1]等形式。當(dāng)前有關(guān)懸臂澆筑連續(xù)梁豎向預(yù)應(yīng)力施工控制標(biāo)準(zhǔn)較少，在實(shí)際操作過程中一般結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，造成豎向預(yù)應(yīng)力損失的原因除施工工藝外，最主要的原因就是豎向預(yù)應(yīng)力筋長度短，張拉施工時(shí)相對(duì)延伸量大，引發(fā)預(yù)應(yīng)力損失也較大；主橋變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁梁體張拉端錨槽在預(yù)應(yīng)力張拉過程中發(fā)生損壞。通過分析損壞原因發(fā)現(xiàn)，混凝土養(yǎng)護(hù)周期不夠，張拉施工時(shí)混凝土養(yǎng)護(hù)齡期不足5d；張拉施工時(shí)液壓油頂偏心，造成錨墊板發(fā)生凹陷和破壞，并進(jìn)一步壓裂錨槽。此外，張拉端內(nèi)墻齒塊也存在破壞跡象，主要原因在于齒塊鋼筋布置過密，導(dǎo)致混凝土下落困難而形成空洞；澆筑施工時(shí)混凝土振搗不密實(shí)，且養(yǎng)護(hù)周期明顯不夠。

2 材料及設(shè)備選用

以JL32 精軋螺紋鋼為豎向預(yù)應(yīng)力筋，并通過YGM型錨具按706.5MPa 的錨下控制應(yīng)力將下端錨固，上端張拉。豎向預(yù)應(yīng)力筋采用YQ70 穿心式千斤頂和通用式油泵，并配合最大讀數(shù)100MPa、測量精度1.0級(jí)的防震型壓力表。在張拉施工前，必須在資質(zhì)合格的單位進(jìn)行壓力表、張拉千斤頂?shù)扔?jì)量設(shè)備的標(biāo)定，張拉過程中應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范定期檢查，并結(jié)合所取得的張拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制油表壓力和千斤頂張拉標(biāo)定曲線。若千斤頂在使用過程中發(fā)生拆卸維修、配件更換等，必須重新進(jìn)行校正及標(biāo)定。

3 豎向預(yù)應(yīng)力損失量估算

根據(jù)該特大橋設(shè)計(jì)圖紙及預(yù)應(yīng)力鋼束大樣資料復(fù)核圖紙中理論值。在分析過程中，彈性模量必須取試驗(yàn)值，由于箱梁縱向束線形為豎曲線和平曲線的組合形式，且箱梁施工必須經(jīng)過多次澆筑，故鋼絞線束較長且變化點(diǎn)較多，其伸長值應(yīng)分段計(jì)算并疊加[2]，以得到整束鋼絞線束的伸長值。以該橋梁0#塊為例估算其豎向預(yù)應(yīng)力鋼束預(yù)應(yīng)力損失量，通過表格法所得到的0#鋼束張拉持荷時(shí)單根鋼絞線各點(diǎn)力值及相關(guān)參數(shù)，見表1。

表1 0#鋼束張拉持荷時(shí)單根鋼絞線各點(diǎn)力值及相關(guān)參數(shù)

該橋梁為大跨度變截面箱梁，梁高小，箱梁豎向預(yù)應(yīng)力筋較短，其瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失在初始張拉應(yīng)力中占比為11.9%～14.5%。根據(jù)實(shí)踐結(jié)果，預(yù)應(yīng)力筋長度越短，瞬時(shí)損失也越嚴(yán)重，瞬時(shí)損失程度的大小主要受鋼筋回縮、錨具形變、錨具傾斜程度、接縫壓縮程度等因素的影響。本懸臂澆筑連續(xù)梁豎向預(yù)應(yīng)力張拉瞬時(shí)損失估算時(shí)的偏差系數(shù)按1.1～1.15確定，0#塊豎向預(yù)應(yīng)力張拉瞬時(shí)損失估算結(jié)果見表2。

表2 0#塊豎向預(yù)應(yīng)力張拉瞬時(shí)損失

懸臂澆筑連續(xù)梁豎向預(yù)應(yīng)力筋通常較短，在施工工藝的影響下錨具形變和接縫回縮引發(fā)的損失占比較大，此處采用的方法所得到的損失值準(zhǔn)確度較高。在具體施工過程中，必須確保墊板平行于錨固面，防止發(fā)生偏心移位；通過適當(dāng)超張拉豎向預(yù)應(yīng)力，以抵消部分或全部預(yù)應(yīng)力筋回縮、松弛而引發(fā)的預(yù)應(yīng)力損失；對(duì)于變截面連續(xù)箱梁，可以采用豎向預(yù)應(yīng)力二次張拉工藝，即第一次張拉結(jié)束1d后進(jìn)行二次張拉，起到彌補(bǔ)設(shè)備、操作工藝等原因所造成預(yù)應(yīng)力損失的目的，并在充分考慮工期的基礎(chǔ)上，滯后1～2個(gè)節(jié)段二張。

4 豎向預(yù)應(yīng)力張拉控制要點(diǎn)

4.1 材料處理及性能試驗(yàn)

及時(shí)對(duì)進(jìn)場后的預(yù)應(yīng)力材料及構(gòu)件進(jìn)行抗拉伸性能試驗(yàn)，通過試驗(yàn)確定出符合橋梁工程實(shí)際的抗拉強(qiáng)度、彈性模量及抗壓強(qiáng)度等參數(shù)，保證張拉施工質(zhì)量。同時(shí)應(yīng)將預(yù)應(yīng)力筋表面的銹蝕、污物等清除干凈，對(duì)于目測得到的表面凹坑、彎折等必須及時(shí)切割剔除及調(diào)直處理。

預(yù)應(yīng)力施加時(shí)必須將千斤頂放置在固定于梁面上的張拉底座上，底座必須具備設(shè)計(jì)剛度及操作便捷性。本懸臂梁豎向預(yù)應(yīng)力張拉在室外進(jìn)行，考慮到環(huán)境溫度可能會(huì)造成不同程度的預(yù)應(yīng)力損失，必須避開日照強(qiáng)、溫差大時(shí)段，并在混凝土水化熱溫度場完全穩(wěn)定后再張拉施工。

4.2 齒塊模板及錨槽加工

齒塊模板制作中錨墊板定位安裝是重要工序，必須嚴(yán)格按照?qǐng)D紙尺寸定位錨墊板。在安裝孔內(nèi)穿過鐵釘從而將錨墊板釘裝在模板結(jié)構(gòu)上，通過雙面膠帶及土工布等封堵錨墊板和模板間的縫隙，避免澆筑混凝土過程中漏漿。錨槽模板通常采用圓形或矩形凹槽形式，用于橫向預(yù)應(yīng)力束和梁端束?？紤]到部分預(yù)應(yīng)力束張拉施工期間千斤頂存在安裝困難，故應(yīng)在錨槽模板支座安裝前反復(fù)核對(duì)設(shè)計(jì)尺寸，以便為千斤頂安裝及張拉施工提供空間。待結(jié)束錨槽模板安裝后進(jìn)行錨墊板和波紋管安裝，并將錨墊板內(nèi)插入的波紋管長度控制在15cm 以上，同時(shí)通過膠帶封堵開口，避免混凝土漿液進(jìn)入后堵管。

4.3 規(guī)范安裝

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖放樣預(yù)應(yīng)力束管道坐標(biāo)并安裝預(yù)應(yīng)力筋組件，保證連接方式正確；錨固端安裝時(shí)必須避開綁扎鋼筋，并將預(yù)應(yīng)力筋下端墊支牢固。梁底錨固端墊板外的出露豎向精軋螺紋鋼筋長度應(yīng)控制在其直徑的6倍以上，張拉端出露錨具的長度應(yīng)至少為鋼筋螺距的6倍。完成預(yù)應(yīng)力張拉后，通過砂輪將多余部分割除，并使剩余錨具長度和固定端長度相同。

波紋管定位時(shí)應(yīng)通過定位鋼筋將其牢固焊接于箍筋及主筋上，定位后波紋管軸線偏差應(yīng)不超出5mm，還應(yīng)確保波紋管與穿束方向一致；錨墊板垂直于錨束，擴(kuò)孔中心、束孔中心、錨固中心及錨墊板中心等均同心。

4.4 張拉施工

張拉油泵和千斤頂設(shè)備必須按月或使用200 次時(shí)進(jìn)行1次定期校驗(yàn)，并在每次豎向預(yù)應(yīng)力張拉前先進(jìn)行千斤頂和張拉油表配套標(biāo)定，并通過錨下壓力傳感器安裝控制預(yù)應(yīng)力，千斤頂張拉力額定值應(yīng)按預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計(jì)張拉力的1.2～1.5 倍確定，千斤頂最大行程應(yīng)為豎向預(yù)應(yīng)力筋伸長量+初始張拉預(yù)留行程量。張拉油泵額定油壓應(yīng)按使用油壓的1.4～1.5 倍確定，油泵容量至少為張拉千斤頂設(shè)計(jì)輸油量的1.5 倍，所使用防震型壓力表表盤量程為最大工作油壓的1.3～2.0倍。

豎向預(yù)應(yīng)力張拉施工原理和方法與橫、縱向預(yù)應(yīng)力張拉施工相似，采用后張法張拉施工時(shí)單塊張拉應(yīng)按縱向預(yù)應(yīng)力→豎向預(yù)應(yīng)力→橫向預(yù)應(yīng)力的次序。就豎向預(yù)應(yīng)力張拉而言，其鋼絞線張拉程序?yàn)椋?→15%初始應(yīng)力→30%控制應(yīng)力→控制應(yīng)力持荷5min→錨固；精軋螺紋鋼張拉程序?yàn)椋?→10%初始應(yīng)力→20%控制應(yīng)力→控制應(yīng)力→0→控制應(yīng)力持荷5min→錨固。待張拉力達(dá)到初始張拉力后，進(jìn)行千斤頂外露活塞長度α的量測，供油至初始張拉力2倍后再次量測外露活塞長度β，最后張拉至油壓值設(shè)計(jì)噸位后量測外露活塞長度γ，則鋼束張拉實(shí)際伸長值L=β+γ-2α[3]。

懸臂澆筑連續(xù)梁豎向預(yù)應(yīng)力筋長度較短，施工控制難度大，毫米級(jí)的誤差就會(huì)引起張拉數(shù)據(jù)較大偏差，為此，本橋梁腹板豎向預(yù)應(yīng)力張拉采用初始應(yīng)力、二倍初應(yīng)力、控制應(yīng)力三階段張拉方式施工，并在張拉過程中強(qiáng)化兩側(cè)呼應(yīng)，保證施工過程的同步性。

4.5 張拉端破壞的補(bǔ)救

若在預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋施工中因混凝土澆筑不密實(shí)而導(dǎo)致張拉端出現(xiàn)空洞，或因張拉施工過程操作不規(guī)范而導(dǎo)致張拉端壓碎或壓裂，可采用M50環(huán)氧樹脂砂漿修補(bǔ)張拉端。具體操作如下：將預(yù)應(yīng)力束退錨后將張拉端混凝土徹底鑿除，并將混凝土面層沖洗干凈，恢復(fù)波紋管及鋼筋后立模，重新進(jìn)行張拉端澆筑。為達(dá)到較好的修補(bǔ)效果，所采用的M50 環(huán)氧樹脂砂漿應(yīng)以6101#環(huán)氧樹脂為膠結(jié)料、以二丁酯為增韌劑、以乙二胺為固化劑，填料為強(qiáng)度等級(jí)42.5 的普通硅酸鹽水泥，集料為中砂，且混合料配合比為環(huán)氧樹脂膠結(jié)料∶增韌劑∶固化劑∶填料∶集料=320∶38∶48∶320∶1600。

放張預(yù)應(yīng)力鋼束后鑿除并修補(bǔ)張拉端混凝土，除應(yīng)鑿除破裂處混凝土外，還應(yīng)將帶修補(bǔ)部位鑿毛處理，以保證M50 環(huán)氧樹脂砂漿能與原混凝土結(jié)構(gòu)充分黏結(jié)，增強(qiáng)修補(bǔ)效果。修補(bǔ)完成的張拉端養(yǎng)護(hù)24h 后施加預(yù)應(yīng)力，能顯著降低張拉端破壞所引起的工期及人力損失。

5 數(shù)據(jù)測量

以上控制措施實(shí)施后采用雙向測量控制法測量懸臂梁張拉伸長量，即一方面放點(diǎn)量測預(yù)應(yīng)力筋伸長量變化情況，另一方面通過電子游標(biāo)卡尺或鋼板尺測量油缸伸縮量。通過兩者測量數(shù)據(jù)的綜合比較，以控制測量偏差率。該懸臂梁豎向預(yù)應(yīng)力測量結(jié)果見表3。

表3 豎向預(yù)應(yīng)力測量結(jié)果

通過表中兩側(cè)數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn)，采用懸臂澆筑連續(xù)梁豎向預(yù)應(yīng)力張拉施工控制措施后，豎向預(yù)應(yīng)力量測結(jié)果偏差率明顯下降，合格率上升。

6 結(jié)語

綜上所述，在應(yīng)用后張法進(jìn)行懸臂澆筑連續(xù)梁豎向預(yù)應(yīng)力張拉施工時(shí)，必須保證施工操作方法的正確性，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉實(shí)施張拉力和伸長量雙指標(biāo)控制外，還必須保證所確定的鋼束摩阻力摩擦系數(shù)取值的準(zhǔn)確性；同時(shí)準(zhǔn)確估算豎向預(yù)應(yīng)力損失量、預(yù)應(yīng)力鋼束張拉伸長量及油表讀數(shù)，整個(gè)張拉過程必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，確保張拉施工及現(xiàn)澆箱梁施工質(zhì)量。實(shí)踐結(jié)果表明，本文所提出的懸臂澆筑連續(xù)梁豎向預(yù)應(yīng)力張拉質(zhì)量控制措施對(duì)于以精軋螺紋鋼為豎向預(yù)應(yīng)力筋的所有橋梁均普遍適用，其能在保證張拉質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化施工、加快施工進(jìn)度，并能預(yù)防豎向預(yù)應(yīng)力張拉超張及欠張的發(fā)生，保證張拉質(zhì)量與張拉合格率。