高鐵大跨橋梁預應(yīng)力損失與控制技術(shù)

周欣，周成穗

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

1 引言

預應(yīng)力橋梁是當今橋梁建設(shè)中最常見的一種結(jié)構(gòu)形式，我國是世界上橋梁建成數(shù)量最多的國家，目前在大跨橋梁中預應(yīng)力損失及控制技術(shù)在設(shè)計、施工及運營階段均構(gòu)成較大的挑戰(zhàn)。導致預應(yīng)力損失的成因有多種，根據(jù)研究表明，在后張法施工構(gòu)件中，施工階段預應(yīng)力管道摩阻及錨圈口損失，預應(yīng)力鋼束的松弛，錨具的彈性壓縮，混凝土隨著時間產(chǎn)生的收縮徐變等均會造成預應(yīng)力損失[1—4]。

通過在主跨168m 連續(xù)剛構(gòu)大跨度橋梁施工階段，對實際使用的錨具及波紋管進行摩阻試驗，得出實際的預應(yīng)力管道偏差系數(shù)及摩阻系數(shù)；管道及錨具的安裝損失參數(shù)，根據(jù)實際的預應(yīng)力損失修正預應(yīng)力鋼束張拉力并對線形監(jiān)控構(gòu)建的有限元模型進行參數(shù)修正，從而現(xiàn)橋梁內(nèi)力及線形的精準控制[5—6]。

2 工程概況

泉州灣跨海大橋304#～305#墩上部結(jié)構(gòu)設(shè)計為（94+168+94）m 預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。304#～305#墩緊鄰高速主線橋，交叉角度155.1°，主線橋橋梁設(shè)計通行凈高為5.5m，交叉點對應(yīng)主線橋高速里程K10+200，橋面正寬50m，雙向6 車道。立面布置圖如圖1所示。

圖1 立面布置圖

3 摩阻試驗

3.1 取樣標準

規(guī)范要求如下：

（1）管道摩阻包括2 種以上彎起角度的管道；包含不同直徑的管道，直徑相同時選擇鋼絞線根數(shù)多的管道；

（2）錨圈口損失錨具為13 孔-19 孔的，選擇2種錨具，包括孔數(shù)最大的錨具；錨具為20 孔及以上的每種錨具。

根據(jù)上述要求，管道摩阻試驗選取0#塊T0、MO鋼束，錨圈口損失試驗選取12 孔，17 孔，22 孔，23孔錨具進行。

3.2 測試結(jié)果

（1）孔道摩阻

依照測試方法，T0、M0 束在原管道張拉測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 管道摩阻試驗結(jié)果

注：主動端壓力傳感器測試值為P1,被動端為P2，管道長度為l,θ 為管道全長的曲線包角。Ci 為第i個管道對應(yīng)的ln（P1/P2）回歸系數(shù)。

預應(yīng)力管道摩擦系數(shù)μ 及偏差系數(shù)κ 采用二元線性回歸法公式（1）進行計算。

式中：yi為第i 管道對應(yīng)的值，li為第i 個管道對應(yīng)的預應(yīng)力筋空間曲線長度(m)，為第i 個管道對應(yīng)的預應(yīng)力筋空間曲線包角(rad)，n 為實測的管道數(shù)目，解方程組得k 及μ 值。計算得到μ=0.235，κ=0.00238。

（2）錨圈口損失

根據(jù)測試方法，在混凝土試件上對12 孔、17 孔、22 孔、23 孔錨具進行錨圈口損失試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 錨圈口損失試驗結(jié)果

4 敏感性分析

對于連續(xù)剛構(gòu)橋影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的主要因素有許多。例如：自重、混凝土收縮徐變、預應(yīng)力損失、溫度、外載等因素，通過有限元對影響因素的參數(shù)敏感性分析可知，預應(yīng)力損失大小是影響主梁線形的重要因素。

表3為根據(jù)摩阻試驗計算結(jié)果的μ、k 的值與原設(shè)計取值進行對比，研究其取值對主梁線形的影響。

表3 預應(yīng)力參數(shù)影響

從表3可見，k=0.0025，μ 值采用實際計算結(jié)果，中跨跨中節(jié)點標高變化7mm，中跨位移最大節(jié)點標高變化7mm；μ=0.23，k 值采用實際計算結(jié)果，中跨跨中節(jié)點標高變化約5.2mm，中跨位移最大節(jié)點標高變化約6.8mm。說明參數(shù)的變化對線形影響明顯。

基于高速鐵路橋梁線形控制高精度要求，本文基于摩阻試驗測試結(jié)果，在計算模型中識別關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)識別的結(jié)果對模型不斷進行修正，有效降低有限元分析誤差，得到各施工狀態(tài)以及成橋狀態(tài)下更準確的結(jié)構(gòu)受力和變形等控制數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)施工全過程高精度的主梁線形控制。

5 施工控制措施

5.1 管道定位

預應(yīng)力管道材質(zhì)為金屬波紋管，使用前逐根檢查波紋管，存在變形、開裂、缺陷的波紋管不得使用。高速鐵路橋梁預應(yīng)力管道安裝精度要求高，位置允許誤差4mm，每個節(jié)段波紋管數(shù)量眾多，0#塊各部位預應(yīng)力管道共計68 束。為了使預應(yīng)力管道安裝精度滿足設(shè)計要求，保證波紋管直線段線形順直、平滑，彎曲段線形角度符合設(shè)計圖紙，采用全斷面“井”字預應(yīng)力管道定位卡具進行定位安裝，見圖2。

圖2 “井”字管道定位卡具

5.2 錨墊板定位

錨口模板、端模采用鋼板制作，鋼板變形小，能有效保證錨墊板角度正確，減少后期預應(yīng)力張拉階段的應(yīng)力損失。錨墊板位置提前根據(jù)圖紙進行放樣，并與端模鋼板栓接，整體吊裝定位，確保安裝面與應(yīng)力管道垂直，見圖3。

圖3 錨墊板安裝及定位

6 結(jié)語

針對預應(yīng)力損失產(chǎn)生的因素，在施工階段根據(jù)實際使用的錨具及波紋管，制作混凝土試件，進行摩阻試驗得到實際的參數(shù)；根據(jù)實際參數(shù)修正預應(yīng)力張拉力及線形監(jiān)控的有限元分析，在每個自適應(yīng)控制下的施工節(jié)段予以正確的指導，保證對主梁線形的高精度控制。通過全斷面的“井”字卡具，對預應(yīng)力鋼束的每一根管道位置進行精確定位，保證管道線形及角度均符合設(shè)計要求；同時張拉端的槽口采用鋼模進行提前加工，錨墊板與其栓接，整體安裝，有效地保障了錨墊板的安裝角度，也極大地提高了安裝效率。以上措施旨在盡可能減小大跨橋梁預應(yīng)力損失，保證成橋線形，降低對結(jié)構(gòu)的安全影響，確保結(jié)構(gòu)物運營期間安全可靠。