預應力混凝土梁板預壓應力測試分析研究

張朝文 王 凱 陳曉飛 邢朝陽

（1.安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院 蚌埠 233000 2.淮河工程集團有限公司 徐州 221018）

1 引言

隨著我國橋梁工程建設的蓬勃發展，預應力混凝土梁的應用越來越廣泛，它在結構安全、耐久性和使用壽命等方面具有良好的性能。但是，在預應力結構的設計與施工過程中，預應力過大，導致構件變形過大；預應力過小，導致構件底部出現拉應力，在使用過程中過早出現裂縫，嚴重影響結構安全、縮短使用壽命。因此，在預應力結構施工過程中，如何采取有效的預應力測試方法，保證預應力效果的建立具有重要意義。

2 預應力混凝土梁板預加應力

預應力混凝土是根據需要人為地引入某一數值與分布的內應力，用以全部或部分抵消外荷載應力的一種加筋混凝土（ACI）。預應力梁構件是在預制構件結構承受外荷載之前，預先采用人為張拉的方法，在結構內部預先形成一種應力狀態，使結構在使用階段承受拉應力的部位先受到壓應力作用，從而部分或全部抵消使用階段產生的拉應力，以提高預應力梁的承載能力。因此，對預應力梁板預壓應力的測試分析是評價施加預應力效果的一種有效方法。

3 預應力混凝土梁板預加應力測試

3.1 橋梁結構設計情況

南四湖二級壩除險加固工程溢流壩交通橋位于南四湖二級壩除險加固工程溢流壩（4+683-5+084）段，橋面寬12m，橋梁的總跨度為400m，縱向橋面連續共20 跨，單跨20m，每跨7 片中板，2 片邊板，共計180 片梁，其中中板總計140 片，邊板總計40 片，設計荷載等級為公路-Ⅰ級，人群荷載為3.0kN/m2。

設計為后張法預應力混凝土簡支空心板梁橋，計算跨徑19.26m，預應力混凝土空心板單板寬b=1240mm，板高h=950mm，空心板上頂板和下底板厚度均為120mm，采用C50 混凝土，fck=32.4MPa，fc=23.1MPa，空心板內設φj15.2 低松弛高強度鋼鉸線，中板18 根，邊板20 根，fptk=1860MPa，fpy=1320MPa，錨具采用15-4 型、15-5 型和15-6 型系列錨具及配件，預應力管道采用圓形金屬波紋管，混凝土齡期超過7d，且強度不低于設計強度等級的85%后，對預應力鋼絞線束進行兩端張拉，每片梁預應力鋼絞線張拉順序分別為左N1→右N2→右N1→左N2，錨下張拉控制應力為0.75fpk=1395MPa。

3.2 預應力梁板選取及鋼筋應力計布置數量及位置

本次試驗選擇2 片空心板進行應力測試，一片邊板，一片中板（編號分別為1#邊、2#中）。

此次測試截面為選定的2 片預制構件的跨中截面，在澆筑混凝土前，在跨中截面把鋼筋應力計沿主筋方向綁扎在構造筋上，待預應力混凝土構件混凝土齡期及強度達到設計張拉要求后，測讀在預制構件預應力鋼絞線束張拉前，振弦式鋼筋應力計讀數，將該值作為應力（應變）初值，在每束預應力鋼絞線張拉后再依次測讀鋼筋應力計讀數變化值。

2 片測試梁鋼筋應力計布置圖見圖1、圖2。

圖1 1#邊板鋼筋應力計布置圖

圖2 2#中板鋼筋應力計布置圖

3.3 振弦式鋼筋應力計性能及測量原理

振弦式鋼筋應力計具有精度高、分辨率高、量程大、受環境影響小、可長距離傳輸及自身體積小等優點。在張拉前測試布置的鋼筋應力計初始讀數，每束鋼絞線張拉前后鋼筋拉壓應力按下式計算：

式中：P—鋼筋應力計拉（壓）力（kN）；

K—傳感器常用系數（kN/F）；

Fi—測試第i 次傳感器力值（Hz）；

F0—初始傳感器力值（Hz）；

B—常數（kN）。

混凝土應變值按下式計算：

式中：ε—應變；

F—被測鋼筋的荷載（kN）；

A—被測鋼筋的截面積（m2）；

E—鋼筋彈性模量。

3.4 預應力梁跨中應力、應變測試計算結果（圖3～6、表1～4）

圖3 1#邊板底部左側混凝土應力（應變）隨張拉鋼絞線增加變化曲線圖

圖4 1#梁板底部右側混凝土應力（應變）隨張拉鋼絞線增加變化曲線圖

圖5 2#中板底部左側混凝土應力（應變）隨張拉鋼絞線增加變化曲線圖

圖6 2#梁板底部右側混凝土應力（應變）隨張拉鋼絞線增加變化曲線圖

表1 1#邊板四根鋼絞線張拉前后混凝土應力（應變）值表

表2 1#邊板四根鋼絞線張拉前后混凝土應力（應變）值表

表3 2#中板四根鋼絞線張拉前后混凝土應力（應變）值表

表4 2#中板四根鋼絞線張拉前后混凝土應力（應變）值表

3.5 預應力梁板預壓應力分析

通過對南四湖二級壩除險加固工程溢流壩交通橋預應力梁板應力實測分析，可以得出以下結論：

（1）1#邊板四束鋼絞線依次張拉后，布置在底部兩個振弦式鋼筋應力計應變值均逐漸增大，最大應變值為220.5με；2#中板四束鋼絞線依次張拉后，布置在底部兩個振弦式鋼筋應力計應變值均逐漸增大，最大應變值為221.5με，均遠小于C50混凝土抗壓理論狀態下（軸心混凝土抗壓強度標準值）對應的應變值（C50 軸心抗壓強度標準值fck：32.4MPa，C50 混凝土彈性模量Ec：3.45×104MPa，應變=應力/彈性模量）。

（2）隨著鋼絞線張拉束數增加，預制構件混凝土應力也隨之增加，實測得到的振弦式鋼筋應力梁板底部應力應變值隨鋼絞線張拉束數增加而顯著增大，4 束鋼絞線張拉后的實測的最大應力值為9.35kN，對應的應變值為221.5με，沒有張拉應力應變突變情況。

（3）2 片預應力空心板在四束鋼絞線依次張拉后梁底部應變值逐漸變大，預制構件梁均處于彈性增長階段，說明按設計要求對稱位置先張拉靠近臺座截面重心處的預應力鋼絞線，再依次對稱張拉其他鋼絞線的張拉順序比較合理，再次說明在張拉過程中，鋼絞線的管道摩阻損失控制較好；張拉結束錨固時，預應力錨具變形較小，鋼絲沒出現大的滑移現象，鋼絞線沒有出現非彈性變形和應力松弛現象，說明張拉控制一切正常，梁板預制受彎構件正截面混凝土壓應力均在正常范圍內。

（4）通過測試結果可知，采用振弦式鋼筋應力計所測數據相對穩定可靠，適用于構件應力測試與分析。

4 結語

在預應力梁板構件施工過程中，張拉力應按設計及相關要求進行控制，使混凝土預制構件產生預壓應力，以便于利用混凝土較高的抗壓能力來彌補其抗拉能力的不足，以推遲混凝土裂縫的出現和開展，從而提高構件的抗裂性能和剛度，因此在預應力混凝土梁板構件施工過程中預壓應力控制監測能反映在張拉過程中施加預應力所產生的偏差，進而采取處理措施，保證結構的施工質量和安全■