錨下控制應(yīng)力對PC小箱梁裂縫發(fā)展的影響及控制方法研究

劉振偉,董 鵬

(1.青海省交通建設(shè)管理有限公司,青海 西寧 810003; 2.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

目前國內(nèi)中小跨徑混凝土橋梁已占橋梁總數(shù)的86%以上。保障中小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的服役性能，已經(jīng)成為我國橋梁建設(shè)及管養(yǎng)部門面臨的重要問題之一。裂縫問題是制約PC小箱梁橋全壽命性能的主要因素之一,因其開裂嚴(yán)重性及普遍性已經(jīng)受到全行業(yè)的關(guān)注。施工及運營過程中因錨下控制應(yīng)力變化造成的PC小箱梁裂縫產(chǎn)生及發(fā)展的問題普遍發(fā)生于工程實踐之中。其中，預(yù)應(yīng)力損失將導(dǎo)致有效預(yù)應(yīng)力達(dá)不到設(shè)計值，而有效預(yù)應(yīng)力決定了小箱梁截面的抗彎、抗裂及承載能力。箱梁底板的預(yù)應(yīng)力鋼束張拉若沒有得到有效控制，實際施工中極容易在混凝土箱梁底板處產(chǎn)生縱向裂縫。所以因錨下控制應(yīng)力變化而產(chǎn)生的裂縫實際極大地影響了PC小箱梁橋的正常承載能力及安全性能。

多年來，人們對錨下控制應(yīng)力的研究十分重視，并取得了一定成果。劉志文等[1]對空間曲線預(yù)應(yīng)力束摩阻損失參數(shù)的測定提出了自己的看法；潘景龍等[2]就大圓心角條件下，如何優(yōu)化計算因錨固造成的圓曲線預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行了研究；潘立本等[3]基于混凝土徐變及收縮理論，比較了不同方法計算徐變及混凝土收縮條件下預(yù)應(yīng)力損失的異同。根據(jù)這些研究成果可看出，人們對錨下控制應(yīng)力的研究大多建立在經(jīng)驗和半經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，并沒有形成一種成熟的理論模式，這和錨下控制應(yīng)力變化的隨機(jī)性和不確定性有直接關(guān)系；而且，目前工程領(lǐng)域尚未對裂縫產(chǎn)生及發(fā)展機(jī)理建立比較準(zhǔn)確的認(rèn)知,也缺乏成套的裂縫處治方法,導(dǎo)致PC小箱梁因開裂而造成的事故時有發(fā)生,安全隱患仍存在[4-11]。

本研究通過綜合采用現(xiàn)場試驗測試和數(shù)值分析的方法，對錨下控制應(yīng)力引起的PC小箱梁裂縫產(chǎn)生及發(fā)展的成因機(jī)理及控制方法開展了研究。通過開展預(yù)應(yīng)力小箱梁橋密實度檢測以及錨下控制應(yīng)力監(jiān)測，分析了不同階段PC小箱梁錨下控制應(yīng)力變化規(guī)律。綜合考慮PC小箱梁成橋狀態(tài)以及單梁狀態(tài)，采用數(shù)值模擬的方法，并結(jié)合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，分別從設(shè)計、施工及運營等方面對 PC 小箱梁橋開裂的主要成因進(jìn)行了探討，分析了不同階段錨下控制應(yīng)力變化與裂縫產(chǎn)生的內(nèi)在聯(lián)系。并基于分析結(jié)果，針對性地提出裂縫控制措施，從而改善預(yù)應(yīng)力施工及運營質(zhì)量控制水平，這都將對提升PC小箱梁裂縫控制水平具有重要意義。

1 錨下控制應(yīng)力監(jiān)測

受限于張拉工藝水平、張拉設(shè)備、鋼筋等材料特性、現(xiàn)場張拉條件以及運營環(huán)境等因素的影響，PC小箱梁預(yù)應(yīng)力筋控制應(yīng)力將隨張拉時間的延長而出現(xiàn)降低的趨勢，從而導(dǎo)致有效預(yù)應(yīng)力逐漸降低，這就是預(yù)應(yīng)力損失。利用預(yù)埋壓力環(huán)，對施工過程中預(yù)應(yīng)力張拉情況進(jìn)行全程監(jiān)測，從而評估其預(yù)應(yīng)力損失情況。

(1)監(jiān)測試驗實施

選取3片梁作為試驗梁，包括1片邊梁及2片中梁，全過程監(jiān)測其張拉過程中預(yù)應(yīng)力值的變化情況，并檢測張拉結(jié)束后實際的預(yù)應(yīng)力值損失,如圖1所示。為能測出預(yù)應(yīng)力損失值，正常張拉時采用兩端張拉的方法，其中一端設(shè)定為主動端(張拉端)，另一端為被動端(固定端)。張拉前分別于兩端錨固處安裝智能弦式錨索計。每片梁選擇2根預(yù)應(yīng)力束(5根鋼絞線及4根鋼絞線各1個)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失測量。測試線沿梁體布置，并連接測試儀。

利用測試儀讀取張拉端與固定端的實際張拉預(yù)應(yīng)力值，兩者相減即為預(yù)應(yīng)力束的摩阻損失。監(jiān)測過程為：

首先，用一臺千斤頂作為一端主動端，另一臺千斤頂作為被動端，分級加載，分級為15%σk，30%σk，100%σk，管道兩端讀取壓力數(shù)據(jù)，即為實際張拉預(yù)應(yīng)力值。

圖1 智能弦式錨索計安裝及預(yù)應(yīng)力張拉監(jiān)測Fig.1 Installation of intelligent string anchor cable meter and monitoring of prestressed tension

預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束放張后，記錄2個弦式錨索計的壓力讀數(shù)；

張拉結(jié)束后，弦式錨索計不拆卸，采取長期預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測，監(jiān)測期間注意測試線的保護(hù)，避免損傷及潮濕。

混凝土強度達(dá)到90%，灌漿結(jié)束后，混凝土強度達(dá)到設(shè)計要求，及時測量并記錄錨索計讀數(shù)，分析預(yù)應(yīng)力長期損失情況。

(2)預(yù)應(yīng)力檢測結(jié)果

總體來看，預(yù)應(yīng)力張拉過程中，由于摩阻損失以及千斤頂操作誤差等因素影響，預(yù)應(yīng)力束兩端張拉預(yù)應(yīng)力值存在差異，其中差異最大達(dá)到105 kN；張拉結(jié)束后，預(yù)應(yīng)力值基本達(dá)不到設(shè)計值且存在明顯的降低趨勢，其中最大降低12%。

1#邊梁預(yù)應(yīng)力測試結(jié)果表明，卸掉千斤頂后及1 d后預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)明顯衰減，最大衰減比例為22%，且隨著混凝土收縮徐變的發(fā)生有繼續(xù)衰減的趨勢，如表1及圖2所示。

1#中梁預(yù)應(yīng)力測試結(jié)果表明，1 d后預(yù)應(yīng)力最大損失比例為16%，低于設(shè)計控制應(yīng)力，且有持續(xù)損失的趨勢，如表2及圖3所示。

表1 1#邊梁預(yù)應(yīng)力張拉讀數(shù)記錄Tab.1 Reading record of prestressed tension of boundary beam No.1

圖2 1#邊梁有效預(yù)應(yīng)力監(jiān)測曲線Fig.2 Monitoring curves of effective prestress of boundary beam No.1

表2 1#中梁預(yù)應(yīng)力張拉讀數(shù)記錄Tab.2 Reading record of prestressed tension of middle girder No.1

圖3 1#中梁有效預(yù)應(yīng)力監(jiān)測曲線Fig.3 Monitoring curves of effective prestress of middle girder No.1

為評估卸掉千斤頂后短時間內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài)，對2#中梁張拉后0.5 h內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失值進(jìn)行監(jiān)測,測試結(jié)果如表3及圖4所示。0.5 h后預(yù)應(yīng)力最大損失值為張拉值的15%。考慮混凝土收縮徐變的影響，有效預(yù)應(yīng)力水平將衰減至更低。

表3 2#中梁預(yù)應(yīng)力張拉讀數(shù)記錄Tab.3 Reading record of prestressed tension of middle girder No.2

圖4 2#中梁有效預(yù)應(yīng)力監(jiān)測曲線Fig.4 Monitoring curves of effective prestress of middle girder No.2

2 成橋狀態(tài)下錨下控制應(yīng)力分析

2.1 預(yù)應(yīng)力超張拉的影響分析

預(yù)應(yīng)力張拉過程中以張拉力及引申量作為控制參數(shù)，囿于現(xiàn)場實施條件限制，預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)果很難保證與設(shè)計指標(biāo)完全吻合，超張拉的情況也會發(fā)生。若PC小箱梁底板預(yù)應(yīng)力束張拉偏差過大，大于設(shè)計指標(biāo)，同時加上預(yù)應(yīng)力孔道偏位的綜合影響，PC小箱梁底板縱向裂縫產(chǎn)生的可能性就大大增加。

為分析預(yù)應(yīng)力有無超張拉狀態(tài)對結(jié)構(gòu)成橋的內(nèi)力影響，本研究結(jié)合現(xiàn)場施工條件及實測預(yù)應(yīng)力值，進(jìn)行了設(shè)計張拉控制應(yīng)力及超張拉5%狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形分析，分析結(jié)果如下：

(1)張拉應(yīng)力為控制張拉應(yīng)力1 395 MPa時，成橋狀態(tài)下頂板壓應(yīng)力為7.7 MPa；底板壓應(yīng)力為9.4 MPa，變形最大為28.4 mm，如圖5、圖6所示。

圖5 成橋狀態(tài)下頂板、底板應(yīng)力圖(單位：×103 MPa)Fig.5 Stress diagrams of top plate and bottom plate under bridge completion state(unit: ×103 MPa)

圖6 成橋狀態(tài)下變形圖(單位：mm)Fig.6 Deformation diagram under bridge completion state(unit: mm)

(2)超張拉5%時，預(yù)應(yīng)力鋼束張拉應(yīng)力為1 465 MPa,成橋狀態(tài)下頂板壓應(yīng)力為8.2 MPa；底板壓應(yīng)力為9.6 MPa，變形最大為33 mm，如圖7、圖8所示。

圖7 成橋狀態(tài)下頂板、底板應(yīng)力圖(單位：MPa)Fig.7 Stress diagrams of top plate and bottom plate under bridge completion state(unit: MPa)

圖8 成橋狀態(tài)下變形圖(單位：mm)Fig.8 Deformation diagram under bridge completion state(unit: mm)

綜上所述，無超張拉情況下，成橋狀態(tài)下頂板壓應(yīng)力為7.7 MPa,底板壓應(yīng)力為9.4 MPa，變形最大為28.4 mm；超張拉5%情況下，成橋狀態(tài)下頂板壓應(yīng)力為8.2 MPa,底板壓應(yīng)力為9.6 MPa，變形最大為33 mm。鋼束超張拉會使成橋狀態(tài)下墩頂板壓應(yīng)力儲備增大6.5%，底板壓應(yīng)力儲備增大2.1%，上拱值增大16.2%。

2.2 預(yù)應(yīng)力摩阻損失的影響分析

預(yù)應(yīng)力摩阻損失作為預(yù)應(yīng)力損失的重要內(nèi)容之一，為分析預(yù)應(yīng)力摩阻損失對結(jié)構(gòu)成橋的內(nèi)力影響，本研究進(jìn)行了規(guī)范計算預(yù)應(yīng)力損失及考慮2倍摩阻損失時的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形計算，計算結(jié)果如下：

(1)按規(guī)范計算預(yù)應(yīng)力損失后，成橋狀態(tài)PC箱梁橋的應(yīng)力分布及變形如圖9、圖10所示。按規(guī)范計算預(yù)應(yīng)力損失條件下，成橋狀態(tài)下頂板壓應(yīng)力為7.7 MPa，底板壓應(yīng)力為9.4 MPa，變形為28.4 mm。

圖9 成橋狀態(tài)下頂板、底板應(yīng)力圖(單位：MPa)Fig.9 Stress diagrams of top plate and bottom plate under bridge completion state(unit: MPa)

圖10 成橋狀態(tài)下變形圖(單位：mm)Fig.10 Deformation diagram under bridge completion state(unit: mm)

(2)摩阻損失增加一倍時，PC箱梁橋成橋狀態(tài)下頂板壓應(yīng)力為7.4 MPa，底板壓應(yīng)力為9.26 MPa，變形為28.2 mm，如圖11、圖12所示。

圖11 成橋狀態(tài)下頂板、底板應(yīng)力圖(單位：MPa)Fig.11 Stress diagrams of top plate and bottom plate under bridge completion state(unit: MPa)

圖12 成橋狀態(tài)下變形圖(單位：mm)Fig.12 Deformation diagram under bridge completion state(unit: mm)

綜上所述，按規(guī)范計算預(yù)應(yīng)力損失條件下，成橋狀態(tài)下頂板壓應(yīng)力為7.7 MPa，底板壓應(yīng)力為9.4 MPa，變形為28.4 mm；預(yù)應(yīng)力摩阻損失增加一倍的條件下，成橋狀態(tài)下頂板壓應(yīng)力為7.4 MPa，底板壓應(yīng)力為9.26 MPa，變形為28.2 mm。預(yù)應(yīng)力鋼束摩阻增大一倍，使成橋狀態(tài)下墩頂板壓應(yīng)力儲備減小3.8%，底板壓應(yīng)力儲備減小1.5%，上拱值減小0.7%。

3 單梁狀態(tài)下錨下控制應(yīng)力分析

(1)預(yù)應(yīng)力損失的影響分析

預(yù)應(yīng)力損失是指預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后截面位置損失的預(yù)應(yīng)力值，預(yù)應(yīng)力損失一般可分為兩類，即瞬時損失和長期損失。其中瞬時損失是在預(yù)應(yīng)力鋼束張拉結(jié)束時形成，包括預(yù)應(yīng)力鋼束與管道摩擦損失、鋼束張拉后錨具變形等；而長期損失則是指預(yù)應(yīng)力鋼束在橋梁長期運行過程中產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失，包括預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力松弛損失和混凝土收縮徐變引起的損失，預(yù)應(yīng)力長期損失的不確定性較大。在分析模型中，對預(yù)應(yīng)力損失為張拉控制應(yīng)力1 395 MPa的5%，15%，25%，35%，45%和55%這6個工況進(jìn)行計算分析，如圖13、圖14所示。

對于豎向正溫差梯度的情況，由圖13可知，隨著預(yù)應(yīng)力損失的增大，箱梁預(yù)拱度逐漸減小至0，隨后出現(xiàn)向下?lián)隙?。由圖14可知，隨著預(yù)應(yīng)力損失的增大，跨中截面由全截面受壓逐漸變化至截面下部受拉，從而使箱梁底部出現(xiàn)橫向裂縫。由圖14(e)可知，預(yù)應(yīng)力損失為張拉控制應(yīng)力的45%時，箱梁底部出現(xiàn)拉應(yīng)力；由圖14(f)可知，預(yù)應(yīng)力損失為張拉控制應(yīng)力的55%時，拉應(yīng)力超限(≥1.83 MPa)。

圖13 考慮預(yù)應(yīng)力損失的正溫差箱梁撓度(單位:mm)Fig.13 Deflections of positive temperature difference box girder considering prestress loss(unit:mm)

(2)預(yù)應(yīng)力超張拉的影響分析

豎向正溫差梯度的情況下，對張拉控制應(yīng)力1 395 MPa的105%，110%和115%這3個工況進(jìn)行計算分析,如圖15、圖16所示。由圖15可知，隨著張拉控制應(yīng)力的增大，箱梁預(yù)拱度逐漸變大。但由圖16 可知，張拉控制應(yīng)力的增大對截面受力影響不大。

4 預(yù)應(yīng)力損失控制措施

(1)預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道之間摩擦引起的應(yīng)力損失控制措施[12-14]如下：

①波紋管截面相對較小，張拉過程中鋼絞線與波紋管互相接觸的可能性較大。預(yù)應(yīng)力張拉會對腹板產(chǎn)生徑向作用力，從而引起腹板主拉應(yīng)力值發(fā)生變化。所以，張拉過程中必須注意提升張拉工藝的專業(yè)化水平，避免預(yù)應(yīng)力鋼絞線與波紋管接觸的可能性。

②張拉過程中采用超張拉的工藝，張拉端的張拉力增大，則跨中截面的預(yù)應(yīng)力同樣為增大趨勢。張拉端的應(yīng)力逐漸減小為控制應(yīng)力，囿于反向摩擦力的存在，跨中截面并沒有及時接收到預(yù)應(yīng)力鋼筋的回松力，這樣就會導(dǎo)致跨中截面仍然持有較大的超拉應(yīng)力。這就要求在張拉過程中，需要在預(yù)應(yīng)力表面涂上潤滑劑。

圖14 考慮預(yù)應(yīng)力損失的正溫差箱梁跨中截面正應(yīng)力云圖(單位：MPa)Fig.14 Nephograms of normal stress in mid-span section of positive temperature difference box girder considering prestress loss(unit:MPa)

圖15 考慮超張拉的正溫差箱梁撓度(單位：mm)Fig.15 Deflections of positive temperature difference box girder considering over tensioning(unit:mm)

圖16 考慮超張拉的正溫差箱梁跨中截面正應(yīng)力云圖(單位:MPa)Fig.16 Nephograms of normal stress in mid-span section of positive temperature difference box girder considering over tensioning(unit:MPa)

③控制橡膠管穿束質(zhì)量。

橡膠管穿入過程中，應(yīng)盡量避免劃破橡膠管管壁。同時，橡膠管穿入之前，需要仔細(xì)檢查橡膠管表層是否存在缺陷，包括微小的裂紋或者管壁缺損等。同一孔道內(nèi)對穿鋼絞線時，穿入長度應(yīng)大于20 cm，并同時確保連接緊密。橡膠抽拔管連接處需要進(jìn)行必要的包裹，可以先用鍍鋅鐵皮包裹，繼而用塑料膠帶纏緊，最后用扎絲綁扎牢固，這樣可以避免水泥砂漿進(jìn)入橡膠抽拔管內(nèi)，產(chǎn)生堵管的情況。

④為避免腹板縱向裂縫的產(chǎn)生，混凝土澆注前必須嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力鋼筋管道定位，堅決避免預(yù)應(yīng)力波紋管的局部偏位。

⑤利用梳子板對鋼絞線重新進(jìn)行整體編束，避免鋼絞線纏繞，從而減小鋼絞線與管壁之間的摩擦力。

(2)錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的應(yīng)力損失控制措施[15-18]為：

錨具變形、預(yù)應(yīng)力筋回縮量小的錨具、夾具意味著其強度及剛度都比較大，選擇這樣的錨具及夾具可以減少應(yīng)力損失。

(3)預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力松弛引起的應(yīng)力損失控制措施如下：

①采用超張拉的方法。

②張拉完預(yù)應(yīng)力鋼筋立即灌漿法。

預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束后，需要及時有效地對預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行灌漿。這是由于預(yù)應(yīng)力前后腹板截面被未灌漿的波紋管削弱，其抵抗外力的能力降低，這種情況下，腹板縱向開裂的可能性就大大增加。及時灌漿將避免因截面削弱后產(chǎn)生的腹板縱向開裂。

(4)混凝土收縮徐變引起的應(yīng)力損失控制措施如下：

①采用早強高等級混凝土，盡量降低水泥用量。

②采用級配良好的骨料及摻加高效減水劑，減小水灰比。

③振搗密實，加強養(yǎng)護(hù)。

5 結(jié)論

通過對施工張拉階段錨下控制應(yīng)力情況進(jìn)行監(jiān)測，分析了不同階段PC小箱梁錨下控制應(yīng)力的變化規(guī)律。綜合考慮PC小箱梁成橋狀態(tài)以及單梁狀態(tài)，采用數(shù)值模擬的方法，基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分別分析了預(yù)應(yīng)力損失及預(yù)應(yīng)力超張拉等多種工況下PC小箱梁豎向位移、應(yīng)力與開裂狀態(tài)之間的聯(lián)系。最終得到施工期間PC小箱梁預(yù)應(yīng)力損失以及超張拉等因素會對箱梁開裂產(chǎn)生影響，并以此針對性地建立了裂縫控制方法。本研究成果若應(yīng)用于PC小箱梁的施工及運營階段中，將大大提升PC小箱梁的裂縫控制水平。