預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋長曲線預(yù)應(yīng)力束張拉控制方法研究

吳章旭，劉德龍，梁軍林，黃國森

(1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023；2.中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 064099)

0 引言

橋梁工程中，越來越多預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計跨徑不斷增大，但主跨跨中下?lián)虾透拱彘_裂卻成為其主要病害且未能得到有效的解決。近些年來，大部分學(xué)者認(rèn)為混凝土的收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失過大、施工過程控制監(jiān)管不到位等是造成病害的主要因素[1]。針對長曲線預(yù)應(yīng)力摩阻損失計算的問題國內(nèi)很多學(xué)者認(rèn)為規(guī)范中曲線束摩阻損失計算公式中法向應(yīng)力為均布應(yīng)力與實際不符合，并提出了法向應(yīng)力為非均勻分布并推導(dǎo)其應(yīng)力分布函數(shù)[2-4]；同時部分學(xué)者通過現(xiàn)場試驗分析認(rèn)為長曲線束張拉實際的預(yù)應(yīng)力損失往往大于理論計算值[5-7]。

最新《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362-2018)中有關(guān)六項主要因素影響預(yù)應(yīng)力損失[8]，其中占比最大的為預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失。雖說預(yù)應(yīng)力束的施工有嚴(yán)格的工藝流程要求，但是現(xiàn)場實測長曲線預(yù)應(yīng)力損失依然偏大。本文從施工過程控制的角度研究長曲線束的張拉控制方法，從而減少施工過程中造成較大的管道摩阻損失。

1 長曲線束張拉應(yīng)力分析

圖1 25φs15.2 mm縱向鋼束的編束示意圖

通過曲線段時，鋼束外側(cè)的鋼絞線長度增大，采用長度增大系數(shù)表示。如腹板豎彎束圓心角為25°，當(dāng)豎曲線半徑為8 000～15 000 mm時，25φs15.2 mm鋼束曲線外側(cè)鋼絞線增長0.30%～0.57%，張拉端伸長值相同時，外側(cè)鋼絞線的應(yīng)力降低了相應(yīng)比例。

所有鋼束需共同承擔(dān)荷載，外圍鋼束承擔(dān)應(yīng)力比例減小部分將轉(zhuǎn)移由中心鋼絞線承擔(dān)。25φs15.2 mm鋼束中心鋼絞線有1根，第一層有6根，第二層有12根，第三層有6根。不同層位的鋼絞線應(yīng)力分布如表1所示。

表1 縱向25φs15.2 mm鋼束中不同層位鋼絞線應(yīng)力

應(yīng)力分布為表1中每個曲線的應(yīng)力系數(shù)的乘積。如25φs15.2 mm腹板下彎束由兩個半徑為10 000 mm的平曲線和1個半徑為15 000 mm的豎曲線組成，則中心鋼絞線的應(yīng)力系數(shù)為：1.072 72×1.048 51=1.206 5，中心鋼絞線的應(yīng)力較平均應(yīng)力增大1.206 5倍。如果平均應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度的0.75，則中心鋼絞線的實際應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度的0.904 9倍，達(dá)到1 683 MPa。因此，中心鋼絞線容易被拉斷。

在曲線段，鋼束與波紋管接觸線的轉(zhuǎn)彎半徑最小，而外圍鋼絞線的轉(zhuǎn)彎半徑與接觸波紋管鋼絞線的轉(zhuǎn)彎半徑相差更大，從而造成彎道內(nèi)側(cè)鋼絞線的應(yīng)力更大，彎道外側(cè)的應(yīng)力更小。采用S形曲線，使位于內(nèi)側(cè)的鋼絞線在下一個轉(zhuǎn)彎時變成外側(cè)，同樣使外側(cè)的鋼絞線在下一個轉(zhuǎn)彎時變成內(nèi)側(cè)，有利于緩解高程鋼絞線中的應(yīng)力。不考慮彎曲造成的應(yīng)力損失時，采用S形曲線對改善應(yīng)力分布均勻性有利。

2 孔道安裝偏差控制

孔道安裝偏差對預(yù)應(yīng)力分布及預(yù)應(yīng)力損失有重要影響，主要由孔道偏差摩擦系數(shù)反映。孔道偏差摩擦系數(shù)隨孔道安裝偏差及孔道摩擦系數(shù)增大而線性增大。

影響孔道安裝偏差的主要因素是定位鋼筋的間距和定位準(zhǔn)確性。金屬波紋管在均布荷載作用下的承載力是在彈性地基支承條件下測得的，其破壞條件是達(dá)到規(guī)定荷載時變形比符合要求，不發(fā)生脫扣、咬口破裂及其他變形破壞。在實際使用環(huán)境中，波紋管支承在鋼筋上，其承載能力低于彈性支承條件下的承載能力。

為了確定鋼筋支承間距，首先根據(jù)彈性地基梁位移公式研究破壞條件，然后再按簡支梁受均布荷載作用和允許最大變形量確定定位鋼筋的間距。波紋管安裝定位時，直線段架力鋼筋的間距應(yīng)符合表2的要求。

表2 波紋管安裝鋼筋支架間距取值表(mm)

曲線段架力鋼筋的間距尚需加密。波紋管在搬運(yùn)時，應(yīng)單根搬運(yùn)，并且不能在地上拖拉。采用吊架起吊時，注意吊架支點(diǎn)間距，防止波紋管在搬運(yùn)過程中折斷。

3 預(yù)應(yīng)力筋編束與穿束控制

每根鋼絞線由7根鋼絲捻成，每束鋼絞線由若干根鋼絞線經(jīng)過編束而成。在張拉過程中，每根鋼絲、鋼絞線和鋼束不同部位的應(yīng)力和應(yīng)變響應(yīng)不同，會對預(yù)應(yīng)力值及伸長值分布有顯著影響。

單根鋼絞線的應(yīng)力分布出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是在鋼絞線捻制過程中外層鋼絲與中心鋼絲有纏繞，使外層鋼絲長度增加，在相同軸向產(chǎn)生變形時，外層鋼絲的應(yīng)變較內(nèi)層鋼絲的小，從而外層鋼絲的應(yīng)力較低。根據(jù)這個原理，如果一束鋼絞線中的鋼絞線之間有纏繞，不同鋼絞線的長度不同，兩端張拉時每根鋼絞線的應(yīng)變和應(yīng)力也不同，纏繞程度越大，長度差異也越大，從而應(yīng)力和應(yīng)變差異也越大。為了提高鋼束中應(yīng)力分布的均勻性，防止鋼絞線拉斷，應(yīng)采取措施防止纏繞，使鋼絞線束相互平行。預(yù)應(yīng)力編束與穿束流程如圖2所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力編束與穿束流程圖

4 溫度場引起的預(yù)應(yīng)力損失控制

溫度變形引起的預(yù)應(yīng)力損失包括溫度均勻變化引起的損失和溫度梯度引起的損失。其中，溫度均勻變化引起的預(yù)應(yīng)力損失與施工環(huán)境溫度、張拉時機(jī)、混凝土水化熱溫升及當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件有關(guān)；而溫度梯度引起的預(yù)應(yīng)力損失占張拉預(yù)應(yīng)力的0.2%，可不考慮。

圖3 溫度均勻變化引起的預(yù)應(yīng)力損失曲線圖

由圖3可知，施工溫度越高，溫度收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失越大。當(dāng)施工溫度為30 ℃時，3 d張拉預(yù)應(yīng)力、溫度收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失為8.0%。相同溫度條件下，張拉預(yù)應(yīng)力的時間越遲，溫度收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失越小。如施工溫度為20 ℃時，3 d和10 d張拉預(yù)應(yīng)力，溫度收縮損失由5.6%下降到3.0%。因此，選擇在較低溫度下施工，推遲張拉曲線束預(yù)應(yīng)力時間，對減少預(yù)應(yīng)力損失十分有利。

5 預(yù)應(yīng)力筋松弛引起的損失控制

利用預(yù)應(yīng)力筋的松弛規(guī)律，在經(jīng)濟(jì)、合理范圍內(nèi)確定預(yù)應(yīng)力張拉持荷時間。不同持荷時間對預(yù)應(yīng)力松弛損失影響如后頁圖4所示。

由圖4可知，隨著持荷時間的增加，松弛損失增大，當(dāng)持荷時間>3 min時，松弛損失變化較平緩。工程中在張拉預(yù)應(yīng)力達(dá)到控制應(yīng)力后，持荷一定時間使松弛完成一定比例，從而可減少錨固后的松弛損失。精軋螺紋鋼

張拉持荷時間對松弛損失影響較大，持荷效果較好，而高強(qiáng)低松弛度鋼絞線增加持荷時間對減少松弛損失效果不明顯。

圖4 持荷時間對預(yù)應(yīng)力松弛損失的影響曲線圖

鋼束中不同鋼絞線的應(yīng)力分布各不相同，所以預(yù)應(yīng)力松弛損失及損失速率也不同。曲線段與波紋管接觸的鋼絞線應(yīng)力最大，頂部的鋼絞線應(yīng)力最小，從而與波紋管接觸的鋼絞線應(yīng)力松弛損失最大，使預(yù)應(yīng)力分布的均勻性發(fā)生變化。鋼束中不同部位鋼絞線應(yīng)力相差最大為18%，孔道中上下鋼絞線的應(yīng)力松弛損失相差39.6%，超張拉不能解決應(yīng)力差異造成的松弛損失差異。為控制孔道內(nèi)的應(yīng)力松弛損失，施工中應(yīng)控制孔內(nèi)鋼絞線纏繞，慎用超張拉工藝，防止斷絲。

6 結(jié)語

通過對長曲線束預(yù)應(yīng)力張拉控制方法的研究取得以下結(jié)論與建議：

(1)加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管道定位的準(zhǔn)確性，選擇合適的鋼筋間距并適當(dāng)加密，可以減少施工中的不確定因素對管道偏差摩阻系數(shù)的增長影響。

(2)嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力筋編束與穿束的施工流程，預(yù)應(yīng)力筋兩端對應(yīng)相同的錨具孔眼編號，避免穿束過程中預(yù)應(yīng)力筋的相互纏繞與扭轉(zhuǎn)。

(3)均勻溫度場的變化對預(yù)應(yīng)力損失影響較大，選擇在較低溫度下施工，推遲張拉預(yù)應(yīng)力時間，對減少預(yù)應(yīng)力損失十分有利。

(4)保證預(yù)應(yīng)力束初張與終張拉時間能有效減少預(yù)應(yīng)力松弛，對于長曲線預(yù)應(yīng)力束建議持荷>10 min，同時慎用超張拉工藝防止斷絲。