箱梁豎向預(yù)應(yīng)力損失影響機(jī)理及控制措施研究

丁渝，劉書丞，張慶明，呂國(guó)軍

（1 重慶交通建設(shè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401122；2 重慶路投科技有限公司，重慶 401147）

預(yù)應(yīng)力箱梁橋具有截面抵抗剛度大、穩(wěn)定性好、截面效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，是大跨度橋梁中應(yīng)用較為廣泛的一種主梁形式。通過(guò)對(duì)頂板、底板、腹板各個(gè)組成部分施加三向預(yù)應(yīng)力，使其具有較好的承載性能，頂板和底板可以抵抗正負(fù)彎矩，腹板可以抵抗剪力。但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)為多種材料組成的脆性復(fù)合材料，在施工過(guò)程或服役中，受到溫度變化、動(dòng)荷載影響等，往往造成一定數(shù)量的微裂縫，影響整橋的承載能力和耐久性[1-4]。腹板作為重要的受剪構(gòu)件，因外部荷載造成拉應(yīng)力大于其材料抗拉強(qiáng)度時(shí)，容易造成裂縫增大和擴(kuò)展。在設(shè)計(jì)腹板厚度、材料強(qiáng)度、配筋等均滿足承載能力的前提下，腹板開裂的主要因素為豎向預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大，導(dǎo)致抗剪能力不足抵抗剪力，以致拉應(yīng)力增大，形成裂縫[5-7]。

豎向預(yù)應(yīng)力筋往往長(zhǎng)度較短，豎向預(yù)應(yīng)力損失的與施工工藝、機(jī)具、控制精度等因素有關(guān)[8-9]。從施工工藝分析，主要是由于施工過(guò)程的瞬間回彈、機(jī)具咬合齒加工公差偏大、張拉控制精度不夠等原因，造成有效張拉長(zhǎng)度不足，相對(duì)回縮量較大，預(yù)應(yīng)力損失比例較高[10-11]。

1 豎向預(yù)應(yīng)力損失對(duì)腹板承載力影響

1.1 計(jì)算模型

為精確分析豎向預(yù)應(yīng)力損失對(duì)腹板承載力的影響機(jī)理，采用FEA NX建立跨徑為30 m的箱梁實(shí)體模型進(jìn)行分析。根據(jù)前述對(duì)豎向預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算，擬確定工況1至工況6，在縱向預(yù)應(yīng)力損失一定的情況下，豎向預(yù)應(yīng)力損失分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%，以此來(lái)分析腹板的應(yīng)力狀態(tài)變化。梁體混凝土采用實(shí)體單元模擬，材料類型為彌散開裂模型；采用不承受彎矩的鋼束單元模擬縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用可協(xié)同承受彎矩的植入式桁架單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋，預(yù)應(yīng)力筋均為彈性材料；邊界條件為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，支撐范圍位于底部?jī)啥斯?jié)點(diǎn)范圍。建立有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元分析模型

1.2 計(jì)算結(jié)果分析

主要分析豎向預(yù)應(yīng)力損失對(duì)箱梁受力性能的影響，不探討梁體的極限承載能力。對(duì)模型施加均布荷載，直至混凝土產(chǎn)生彌散開裂，模型不收斂，裂縫分布如圖2所示。

圖2 混凝土裂縫寬度

從圖2可以看出，該箱梁進(jìn)入破壞狀態(tài)時(shí)，首先底板中部開裂，裂縫寬度為0.0035 mm。從圖3可以看出，箱梁豎向應(yīng)力大小主要分布為受壓1.7 MPa至受拉0.15 MPa范圍，支承區(qū)域最大壓應(yīng)力為16 MPa，梁底板中部最大拉應(yīng)力為5.6 MPa。支承區(qū)域受壓破壞，底板中部受拉破壞。提取梁端部和中部的豎向應(yīng)力分布，見圖4和圖5所示，可見腹板范圍豎向應(yīng)力主要為拉應(yīng)力，從底部到頂部逐漸降低。按工況1—工況6，依次對(duì)豎向預(yù)應(yīng)力按0%、20%、40%、60%、80%、100%進(jìn)行折減，選取梁端附近的腹板作為分析區(qū)域，從腹板底部到頂部依次提取點(diǎn)1至點(diǎn)5的豎向應(yīng)力，見圖6。

圖3 豎向應(yīng)力分布

圖4 梁端部豎向應(yīng)力分布

圖5 梁中部豎向應(yīng)力分布

圖6 豎向預(yù)應(yīng)力折減對(duì)應(yīng)的腹板應(yīng)力變化（單位：MPa）

從圖6可以看出，隨著豎向預(yù)應(yīng)力損失的增大，腹板承受的拉應(yīng)力逐漸增大。本案例中外部荷載未達(dá)到腹板承載力極限，所以當(dāng)豎向預(yù)應(yīng)力全部損失后，正應(yīng)力未超過(guò)混凝土承載力。但是從趨勢(shì)可以看出，當(dāng)外荷載進(jìn)一步增大后，隨著豎向預(yù)應(yīng)力的損失，腹板底部承受的正應(yīng)力會(huì)逐漸超過(guò)其承載力，導(dǎo)致腹板開裂。

2 豎向預(yù)應(yīng)力損失因素

2.1 豎向預(yù)應(yīng)力影響因素分析

豎向預(yù)應(yīng)力一般為后張法施工，共包括5個(gè)部分的預(yù)應(yīng)力損失。

1）預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁摩擦造成的預(yù)應(yīng)力損失

在豎向預(yù)應(yīng)力各項(xiàng)損失中，由預(yù)應(yīng)力筋與管道壁摩擦造成的預(yù)應(yīng)力損失較小。主要原因?yàn)樨Q向預(yù)應(yīng)力鋼筋較短，摩擦范圍小，并且豎向布置沒(méi)有彎曲，摩擦力較小。

2）錨具變形與鋼筋回縮造成的預(yù)應(yīng)力損失

錨具變形與鋼筋回縮造成的豎向預(yù)應(yīng)力損失較大。主要原因?yàn)樨Q向預(yù)應(yīng)力鋼筋較短，錨具及鋼筋回縮等微小變形即可造成較大的變形率，導(dǎo)致較大的應(yīng)力松弛。在工程實(shí)際中，因施工工藝及控制精度等因素影響，預(yù)應(yīng)力筋回縮量△l往往大于規(guī)范約定的4 mm，導(dǎo)致此項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失分項(xiàng)遠(yuǎn)大于此計(jì)算比例。因此，控制減小此項(xiàng)損失，是豎向預(yù)應(yīng)力施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3）混凝土彈性壓縮造成的預(yù)應(yīng)力損失

因豎向預(yù)應(yīng)力不是全斷面同步張拉，而是沿著橋梁縱向分批次進(jìn)行張拉，故不能以規(guī)范約定的公式計(jì)算混凝土彈性壓縮造成的豎向預(yù)應(yīng)力損失。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，后續(xù)張拉的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋會(huì)對(duì)先張拉的1.5 m范圍以內(nèi)的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋造成預(yù)應(yīng)力損失，1.5 m以外的影響可以忽略不計(jì)。此項(xiàng)預(yù)應(yīng)力總損失可按張拉控制應(yīng)力的4.8%近似計(jì)算，且受預(yù)應(yīng)力筋長(zhǎng)度的影響可忽略不計(jì)。

4）鋼筋松弛造成的預(yù)應(yīng)力損失

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，混凝土收縮徐變?cè)斐傻呢Q向預(yù)應(yīng)力損失為張拉控制應(yīng)力的5.0%，受預(yù)應(yīng)力筋長(zhǎng)度變化的影響可忽略不計(jì)。

5）混凝土收縮徐變?cè)斐傻念A(yù)應(yīng)力損失

根據(jù)文獻(xiàn)[12，14]，混凝土收縮徐變?cè)斐傻呢Q向預(yù)應(yīng)力損失為張拉控制應(yīng)力的5.23%，受預(yù)應(yīng)力筋長(zhǎng)度變化的影響可忽略不計(jì)。

2.2 預(yù)應(yīng)力損失影響因素敏感度研究

擬定分析的箱梁截面高度為9.45～3.5 m，腹板厚度1 m。豎向預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力為1300 MPa。從懸臂端到根部，梁高度從3.5 m增大到9.45 m。經(jīng)計(jì)算，5項(xiàng)預(yù)應(yīng)力綜合損失比例為31.95%～23.69%。根據(jù)常見變截面箱梁的截面高度，分別計(jì)算梁高2～9 m變化時(shí)，豎向預(yù)應(yīng)力5個(gè)分項(xiàng)的損失量和總損失量，見圖7。

圖7 豎向預(yù)應(yīng)力損失隨梁高變化關(guān)系

從圖7可以看出，隨著梁截面高度的降低，即豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋長(zhǎng)度的縮短，預(yù)應(yīng)力損失逐步增大，對(duì)應(yīng)的有效預(yù)應(yīng)力逐步降低。梁高為9 m時(shí)，豎向預(yù)應(yīng)力損失為23.85%，梁高為2 m時(shí)，豎向預(yù)應(yīng)力損失為43.32%。其中δ12即錨具變形與鋼筋回縮造成的預(yù)應(yīng)力損失貢獻(xiàn)最大，梁高為9 m時(shí)δ12為6.15%，梁高為2 m時(shí)達(dá)到27.69%。所以，在豎向預(yù)應(yīng)力張拉施工中，應(yīng)采用高質(zhì)量的機(jī)具，改進(jìn)施工工藝，控制施工精度，最大限度減小錨具變形與鋼筋回縮造成的豎向預(yù)應(yīng)力損失，從而提高有效預(yù)應(yīng)力。

3 豎向預(yù)應(yīng)力控制措施

3.1 預(yù)應(yīng)力筋張拉措施

預(yù)應(yīng)力張拉前，通過(guò)理論分析，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定箱梁每節(jié)段豎向預(yù)應(yīng)力張拉順序。在混凝土強(qiáng)度滿足張拉要求后，安裝水平控制裝置，控制豎向預(yù)應(yīng)力筋與混凝土面垂直，減少機(jī)具變形而造成預(yù)應(yīng)力損失。錨墊板水平控制裝置如圖8所示。

圖8 錨墊板水平安裝控制裝置示意圖

圖9 真空串聯(lián)布置示意圖

安裝防水高分子密封墊圈、錨固螺帽（或錨具）、千斤頂，按要求分段完成張拉緊固。最后割斷多余預(yù)應(yīng)力筋，按串聯(lián)方式分段連接進(jìn)漿管和排氣管，封閉錨頭。

3.2 灌漿控制措施

采用真空串聯(lián)壓降法進(jìn)行主應(yīng)力孔道注漿，可提高灌漿密實(shí)度，增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋與混凝土的粘結(jié)。嚴(yán)格按照壓漿料配合比試驗(yàn)報(bào)告制備砂漿。采用串聯(lián)方式連接各豎向預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)漿管和排氣管，然后采用真空輔助壓漿的方法進(jìn)行管道壓漿。壓漿完成后，及時(shí)對(duì)錨固端按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行封閉保護(hù)和防腐處理。單排真空串聯(lián)注漿法見下圖所示?？筛鶕?jù)腹板豎向預(yù)應(yīng)力布置數(shù)量，調(diào)整為雙排空串聯(lián)注漿。

4 實(shí)例驗(yàn)證

重慶城口（陜渝界）至開州高速公路第C1標(biāo)段東河大橋，橋型為變截面連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑為(70+130+70) m，主梁寬12.75 m，腹板厚度0.75 m，梁截面見圖10所示。

圖10 變截面連續(xù)梁斷面圖

腹板豎向預(yù)應(yīng)力采用φ16精軋螺紋鋼，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk為1420 MPa，設(shè)計(jì)張拉應(yīng)力為0.66fpk，即189.4 kN。應(yīng)用本文提出的豎向預(yù)應(yīng)力控制措施。灌漿布置采用雙排豎向壓漿.

在張拉完成后，采用反拉法抽樣檢測(cè)了豎向有效預(yù)應(yīng)力。經(jīng)測(cè)算分析，豎向有效張拉力主要分布在180～185 kN范圍，豎向預(yù)應(yīng)力損失為2%～5%，有效降低了豎向預(yù)應(yīng)力損失。施工完成后，經(jīng)工程檢驗(yàn)，該變截面連續(xù)梁施工質(zhì)量較好，滿足設(shè)計(jì)要求。橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，腹板未出現(xiàn)明顯裂縫，豎向預(yù)應(yīng)力持續(xù)有效。

5 結(jié)論

混凝土箱梁橋腹板豎向預(yù)應(yīng)力損失會(huì)造成腹板開裂。豎向預(yù)應(yīng)力損失的與施工工藝、機(jī)具、控制精度等因素有關(guān)。通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力損失5個(gè)分項(xiàng)的計(jì)算分析，討論了各個(gè)分項(xiàng)對(duì)腹板豎向預(yù)應(yīng)力損失的貢獻(xiàn)值。采用有限元模型開展數(shù)值分析，研究了豎向預(yù)應(yīng)力損失對(duì)箱梁各個(gè)部分的影響機(jī)理。對(duì)豎向預(yù)應(yīng)力張拉控制的要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，采用真空串聯(lián)注漿法提高注漿密實(shí)度，得出以下結(jié)論：

1）豎向預(yù)應(yīng)力損失影響最大的是錨具變形和鋼筋回縮損失，預(yù)應(yīng)力筋與管道摩擦、混凝土彈性壓縮、鋼筋松弛、混凝土收縮徐變?cè)斐傻呢Q向預(yù)應(yīng)力損失較小。豎向預(yù)應(yīng)力的損失，會(huì)造成腹板承受過(guò)大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致從底部開裂，裂縫逐步上頂部擴(kuò)展。

2）在等截面箱梁中，梁高越小，豎向預(yù)應(yīng)力損失對(duì)腹板的受力影響越大；在變截面箱梁中，豎向預(yù)應(yīng)力損失對(duì)懸臂端部腹板受力影響較大，對(duì)懸臂根部影響較小。

3）豎向預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程中，嚴(yán)格控制錨具的安裝精度，確保預(yù)應(yīng)力筋與混凝土面垂直，以減小錨具局部變形。管道注漿應(yīng)采用串聯(lián)真空注漿法，提高注漿密實(shí)度從而增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋與混凝土的粘結(jié)力。