預應力張拉誤差對小箱梁力學性能影響的研究

黃遠明, 唐 鵬

(安徽水利水電職業技術學院，安徽 合肥 231603)

裝配式小箱梁由于其施工方便、質量可靠、造價經濟,在橋梁工程中應用相當廣泛。預應力張拉作為小箱梁施工過程中的關鍵步驟,張拉質量對小箱梁的力學性能有著決定性的影響[1-5]。而實際施工中預應力張拉存在很多不確定的因素,如預應力筋夾具的偏差、油表精度不夠等,都會造成預應力張拉存在問題。此外,在多股預應力束的復雜工程中,預應力張拉的先后順序也會影響最終的張拉質量,合理而又謹慎的設計預應力的張拉工藝對保障預應力小箱梁的性能尤為重要。

文章從理論的角度分析預應力張拉誤差對小箱梁力學性能的影響,以及由此對小箱梁壽命的影響。

1 理論分析

裝配式小箱梁由混凝土和預應力筋構成,預應力筋在小箱梁內呈曲線布置,加之箱形截面形狀不規則,分析起來較為繁瑣。文章將箱型截面等效為T型截面進行考慮。為進一步簡化問題表述,這里僅考慮第二類T型截面。

預應力小箱梁的設計計算理論已較為成熟[6-7],圖1為預應力小箱梁在跨中截面完成兩批預應力損失后的計算簡圖,這里暫不考慮構造鋼筋的影響,僅考慮混凝土和預應力筋的平衡。按照此計算簡圖,可列出平衡方程:

(1)

圖1 預應力小箱梁計算簡圖(完成預應力損失)

其中,σp=σcon-σl為考慮張拉損失后預應力筋的預應力大小,σcon為張拉控制應力,σl為考慮預應力孔道摩擦、錨具變形、混凝土收縮徐變以及預應力筋松弛等造成的應力損失。

根據平截面假定以及混凝土處于彈性狀態可求得混凝土的應力狀態。通過分析最下緣的混凝土壓應力σpcII,其計算公式如式(2):

(2)

其中,An,In分別為扣除預應力孔道后混凝土箱型截面的面積和慣性矩;e0為預應力筋的偏心距。

由式(1)、式(2)可見,小箱梁截面的邊緣壓應力由預應力筋的張拉水平控制,即預應力越大,截面邊緣的壓應力越大。

圖2為開裂時的混凝土小箱梁的計算簡圖。此處認為箱梁開裂時的邊緣應力恰好達到混凝土的抗拉強度ft。此外,在整個過程中截面保持彈性受力狀態,可以計算得到開裂所需要的彎矩為:

Mcr=(ft+σpcII)W0

(3)

其中,W0為考慮預應力筋的等效截面的抗彎模量。

由式(3)可見,小箱梁截面的開裂彎矩隨著截面邊緣的壓應力的增大而增大。考慮到應力張拉水平控制邊緣壓應力,從而可得出,小箱梁截面的開裂彎矩隨著預應力張拉水平的增大而增大。

圖2 預應力小箱梁計算簡圖(開裂前)

圖3 預應力小箱梁計算簡圖(開裂后)

∑N=0?αfcb1t1+αfcb2(x-t1)=fpAp

(4)

(5)

其中參數如圖3所示。

由于式(1)和式(2)中并未出現張拉控制應力項,因而張拉應力水平并不會影響小箱梁的抗彎承載力。

從上述3個階段分析可見,預應力的施加并不會增加截面的抗彎承載力,但預應力會顯著改善截面的開裂狀況。因而,在小箱梁施工過程中,預應力的張拉誤差并不會改變截面的最終承載力,但是張拉誤差的存在會對小箱梁的開裂情況產生重要的影響。

對于張拉不足的情況,在使用荷載下會使梁底提前出現裂縫;對于過張拉(與超張拉不同,這里指損失后的預應力仍大于設計值)的情況,可能會在小箱梁的其他部位造成預料之外的裂縫。此外,由于橋梁結構大都會暴露在外界環境中,由開裂造成的后續反應如化學腐蝕等將會對小箱梁的力學性能產生極其嚴重的影響。因此,在實際施工中,預應力的張拉誤差需要嚴格控制。

2 小箱梁張拉控制

小箱梁的張拉控制對小箱梁的力學性能起到決定性的作用,在實際工程中需要對預應力筋的張拉進行設計,具體包括預應力筋的張拉應力計算、預應力筋的張拉順序[8-9]。預應力筋的張拉應力計算應當考慮到孔道摩擦、混凝土徐變、預應力筋松弛以及錨具的彈性變形等造成的預應力損失。

圖4 張拉順序優化流程

由于小箱梁的預應力筋較多,不同的張拉順序會影響最終的張拉結果,因而需要在張拉前期進行計算分析以確定合理的張拉順序。具體的計算分析可以借助有限元軟件如ANASYS, Midas來實現[10]。在張拉順序優化時,僅僅考慮單根預應力筋的張拉應力誤差對于整個小箱梁的力學性能是遠遠不夠的。一般而言,需要綜合考慮不同張拉順序造成的預應力損失,頂底板應力以及跨中撓度的變化等目標來對張拉順序進行優化。圖4給出了一般的張拉優化順序流程,這個流程可以通過編寫程序實現。

除了在小箱梁施工前期進行準確的計算分析來控制張拉應力,近些年隨著施工工藝的不斷發展,智能張拉系統在小箱梁的預應力張拉控制上得到越來越廣泛的應用,使得預應力張拉得到了較好的控制[11-12]。圖5給出了智能張拉系統的示意圖,在整個張拉過程中,智能張拉系統由計算機控制油泵運行,系統通過傳感器(圖中所示的智能前端和伸長量測量傳感器)采集每臺千斤頂的工作壓力以及預應力筋的伸長量,這些數據反饋到智能張拉系統進行評估以實時調整張拉狀態,從而實現了張拉過程的精確控制。整套系統具有精度高、效率高、智能監控等特點。

圖5 預應力小箱梁智能張拉系統

3 結 論

通過計算不同階段預應力對小箱梁的力學性能的影響以及考察具體的施工過程,得到的結論如下:① 預應力的張拉水平不會改變小箱梁的抗彎承載力,但會對小箱梁的使用性能如剛度、抗裂性產生影響。② 張拉不足的小箱梁在使用荷載下會在梁底提前出現裂縫,而過張拉的小箱梁則會出現預料之外的裂縫,這些裂縫的產生會加速小箱梁內部的腐蝕,從而嚴重影響小箱梁的使用壽命。③ 張拉控制對小箱梁的使用壽命產生很大的影響,需要在施工階段慎重考慮預應力筋的張拉順序優化。④ 在施工中采取智能張拉控制系統有利于提高張拉控制的精度,可以保證小箱梁的力學性能滿足設計要求。