大懸臂箱梁橫向預應力損失測定研究

鄭建民(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

大懸臂箱梁橫向預應力損失測定研究

鄭建民
(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

詳細介紹了大懸臂箱梁橫向預應力損失的測試方法及試驗內容，并以珠海某大懸臂混凝土箱梁橋的一聯為實際工程依托，準確的測定橫向預應力筋的實際應力損失，為確定大懸臂箱梁橫向預應力的設計和施工相關參數提供依據。

大懸臂箱梁；后張法；摩阻損失；錨固回縮損失；試驗研究

近年來，隨著城市交通的發展，普通箱梁橋已難以滿足交通和景觀需求，大懸臂箱形截面被越來越多的應用于預應力混凝土連續梁橋結構。大懸臂混凝土箱梁的懸臂較長，為避免箱梁頂板縱向開裂，也為提高橋梁的整體性，往往會在頂板布置橫向預應力鋼筋。而預應力筋的應力損失將直接關系到結構的耐久性和使用壽命，損失過大將會造成結構局部預壓應力不足，引起結構過早開裂，達不到預壓的效果，甚至影響結構的安全性；反之將會使得結構中的混凝土承受過高的持續壓應力，產生過大的反拱度，對結構安全性和使用性能產生不利的影響，同時也造成材料的浪費[1]。準確測定預應力損失對結構物的安全性能和使用性能具有重要意義，可以防止因設計計算不準確而給結構帶來安全隱患；為張拉控制力和鋼絞線引伸量等參數的確定提供依據；試驗測定參數與設計規范建議值的對比還可用來檢驗預應力施工質量，對測定參數進行數理統計分析還可為設計規范的的參數修正提供合理建議。

1 工程概況

珠海某大懸臂混凝土箱梁橋采用大挑臂展翅現澆箱梁，單箱三室箱型截面，跨徑為40 m左右，頂寬33.5 m，底寬17.5 m，梁高2.5 m，邊肋斜度為1∶2。每隔3.9 m設置一道0.25 m寬的橫隔板，以加大懸臂尺寸。兩側大懸臂挑梁各長約7 m。箱梁標準截面如圖1所示。

圖1 箱梁跨中標準截面(單位：cm)

箱梁采用C55高強度混凝土制作。縱、橫雙向預應力群錨體系，塑料波紋管制孔，扁形波紋管僅在縱向支點處懸臂板使用，其它部位均采用圓形波紋管。設計采用的孔道摩擦系數μ=0.17，孔道偏差系數k=0.0015/m。

本文選取試驗聯為4×40 m大懸臂箱梁結構中第一跨端橫梁、中橫梁及第二跨跨中隔板位置的頂板橫向預應力筋作為試驗對象進行測定(表1)。

2 孔道摩阻損失

2.1 試驗方法

為克服以往孔道摩阻損失測定試驗中數據不準確的問題，本文采用壓力傳感器代替傳統的千斤頂、油壓表讀數測量預應力筋的拉力值。

在試驗預應力筋的主動端和被動段分別安裝壓力傳感器。由于傳感器位于錨具和梁體間，可以及時補償張拉過程中各種壓縮變形等因素的影響，因此兩端傳感器讀數之差即為孔道摩阻損失。具體試驗方案如圖2所示。

表1 頂板橫向預應力筋參數

圖2 孔道摩阻試驗方案

2.2 數據處理

根據《公路預規》[2]計算預應力損失σl1的方法：

σl1=σcon[1-e-(μθ+kx)]

(1)

式中：σcon為張拉端預應力筋錨下張拉控制應力；θ 為從張拉端至計算截面的孔道彎角之和(rad)；x為從張拉端至計算截面的孔道沿構件縱軸投影長度(m)；μ為預應力筋與孔道壁的摩擦系數；k為孔道每1 m局部偏差對摩擦的影響系數。

因此計算截面的預應力筋拉力Px：

Px=(σcon-σl1)A=σconAe-(μθ+kx)=Pke-(μθ+kx)

(2)

式中：Pk為張拉端預應力筋拉力；A為預應力筋截面積。

令M=Px/Pk=e-(μθ+kx)，則有-lnM=μθ+kx。

再令Y=-lnM，由此，對于同一片梁體不同孔道可得一系列方程式：

(3)

由于測試誤差的存在，上列方程式的右邊不等于零，

假定：

(4)

根據最小二乘法原理，則有：

(μθ1+kx1-Y1)2+…+(μθn+kxn-Yn)2=

(5)

(6)

解方程組即可得μ、k。

根據不同形狀、不同長度的預應力筋測定結果，通過最小二乘法統計得出預應力筋與管道壁的摩擦系數μ和孔道偏差影響系數k。

2.3 設計計算值

根據《公路預規》[4]計算預應力損失σl1方法估算橫向預應力筋的孔道摩阻損失，其計算值見表2。

表2 孔道摩阻損失設計計算值

2.4 測定結果

根據試驗方案完成孔道摩阻損失測定試驗，得到各級荷載下主動端和被動端實測壓力值，測試結果見表3。

表3 孔道摩阻損失測定

將上述3種規格的預應力筋利用最小二乘法求解孔道摩擦系數μ和孔道偏差系數k，測定結果統計匯總見表4。

由此可以求解得到：預應力筋與孔道壁的摩擦系數μ=0.2187；孔道偏差影響系數k=0.0020/m。

2.5 結果分析

從建筑、工業、旅行、時尚，到汽車、摩托車、食物、杯具，和我認識的許多設計師不同，吳濱的喜好目錄真的可以說上三天三夜。而在眾多喜好之中，吳濱和我一樣都對英國車有著強烈的好感。

將試驗測定的孔道摩阻損失結果與設計計算值對比分析，如表5、表6所示。

由表5、表6可以看出孔道摩阻損失的試驗測定值均大于設計計算值，特別是5-φs15.2鋼絞線的孔道摩阻損失超過設計計算值的30 %，試驗測定的孔道摩擦系數μ和孔道偏差系數k均較設計取值偏大約30 %。這表明管道成孔質量還有待提高，施工時要采取加強孔道測量定位、加密定位鋼筋，混凝土澆筑時做好管道保護工作等措施。

3 錨圈口摩阻損失

張拉時錨具與預應力筋間發生摩擦及錨具本身的變形引起的預應力損失稱為錨圈口摩阻損失。在橋梁預應力張拉過程中，要求對錨圈口摩阻損失進行現場測定，并根據測定結果來調整張拉力。

表4 孔道摩阻測定結果統計匯總

表5 孔道摩阻損失的測定值與設計計算值對比

表6 μ、k的試驗測定值與設計取值對比

3.1 試驗方法

試驗時在預應力筋的張拉端安裝2個壓力傳感器，1個安置在工作錨錨具內側，1個在工作錨錨具外側，兩者的壓力差值即為錨圈口摩阻損失。具體試驗方案如圖3所示。

圖3 錨圈口摩阻損失試驗方案

3.2 測定結果及分析

根據試驗方案完成錨圈口摩阻損失試驗，得到各級荷載下工作錨內外側實測壓力值，測試結果見表7。

試驗測定的錨圈口摩阻損失百分比為5.57 %，小于規范[3]要求的錨圈口摩阻損失不宜大于6 %的限值，這說明橫向預應力筋的錨圈口摩阻損失符合規范要求。

4 錨固回縮損失

在錨固預應力筋時，鋼筋端頭拉力從千斤頂傳給錨具，不可避免地要引起鋼筋少量的回縮，承壓的錨墊板也可能被壓進梁端混凝土，這些原因引起鋼束縮短，從而引起預應力損失，稱為錨固回縮損失。

4.1 試驗方法

試驗時在預應力鋼束張拉端的工作錨具與錨墊板之間安裝壓力傳感器，張拉至設計值后，測試傳感器錨固前和錨固后的壓力值，兩者的差值即為錨固回縮損失。具體試驗方案如圖4所示。

表7 錨圈口摩阻損失試驗測定

圖4 錨固回縮損失測試方案

4.2 設計計算值

根據《公路預規》[2]計算預應力損失σl2方法估算橫向預應力筋的錨固回縮損失，其計算值見表8。

4.3 測定結果及分析

根據試驗方案完成錨固回縮損失試驗，得到各級荷載下錨固前后實測壓力值，測定結果見表9。

表8 錨固回縮引起的預應力損失設計計算值

表9 錨固回縮損失試驗測定

將錨固回縮損失的試驗測定值與根據規范設計設計值相對比，其對值分析見表10。

表10 錨固回縮損失的試驗測定值與設計計算值對比

從表10可以看出錨固回縮損失的試驗測定值與設計計算值有所偏差，偏差幅度較小。通過分析，這主要是由于測力傳感器端面受力不均或支撐不足引起的。

5 結束語

大懸臂混凝土箱梁線條輕盈美觀，施工便利，越來越廣泛的應用于城市橋梁中，然懸臂長度較大，空間性能復雜，橫向效應明顯。橫向預應力作為這種結構的生命線，但我國至今還缺乏精確的計算橫向預應力損失的方法，現有的預應力張拉工藝及錨固體系也很難保證其有效預應力滿足設計要求，因此建議對重要或有條件的大懸臂混凝土箱梁結構的橫向預應力筋宜進行預應力損失的測定，獲得較為真實可靠的有效預應力數據，確保預應力能按設計要求施加給結構上。

本文試驗測定的孔道摩阻損失較設計取值大，這表明管道成孔質量還有待提高。施工時要采取加強孔道測量定位、加密定位鋼筋，混凝土澆筑時做好管道保護工作等措施，在施工過程中要嚴格按照規范和設計要求進行施工，確保預應力管道的成孔質量符合相應要求，減小預應力的摩阻損失。錨圈口的摩阻損失和錨固回縮損失的試驗測定與規范設計較為接近，符合相應要求。

[1] 成強, 魏莉莉.預應力損失估算及控制措施[J].建筑技術開發,2003,30(7):20-23.

[2] JTG D62-2004 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[3] TB/T 3193-2008 鐵路工程預應力筋用夾片式錨具、夾具和連接器技術條件[S].

鄭建民(1984～)男，大學本科，工程師，從事公路市政特殊結構橋梁設計研究。

U448.21+4

A

[定稿日期]2016-07-28