預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋長曲線預(yù)應(yīng)力束張拉控制方法研究

吳章旭，劉德龍，梁軍林，黃國森

(1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023；2.中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 064099)

0 引言

橋梁工程中，越來越多預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)跨徑不斷增大，但主跨跨中下?lián)虾透拱彘_裂卻成為其主要病害且未能得到有效的解決。近些年來，大部分學(xué)者認(rèn)為混凝土的收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失過大、施工過程控制監(jiān)管不到位等是造成病害的主要因素[1]。針對(duì)長曲線預(yù)應(yīng)力摩阻損失計(jì)算的問題國內(nèi)很多學(xué)者認(rèn)為規(guī)范中曲線束摩阻損失計(jì)算公式中法向應(yīng)力為均布應(yīng)力與實(shí)際不符合，并提出了法向應(yīng)力為非均勻分布并推導(dǎo)其應(yīng)力分布函數(shù)[2-4]；同時(shí)部分學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析認(rèn)為長曲線束張拉實(shí)際的預(yù)應(yīng)力損失往往大于理論計(jì)算值[5-7]。

最新《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)中有關(guān)六項(xiàng)主要因素影響預(yù)應(yīng)力損失[8]，其中占比最大的為預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失。雖說預(yù)應(yīng)力束的施工有嚴(yán)格的工藝流程要求，但是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)長曲線預(yù)應(yīng)力損失依然偏大。本文從施工過程控制的角度研究長曲線束的張拉控制方法，從而減少施工過程中造成較大的管道摩阻損失。

1 長曲線束張拉應(yīng)力分析

圖1 25φs15.2 mm縱向鋼束的編束示意圖

通過曲線段時(shí)，鋼束外側(cè)的鋼絞線長度增大，采用長度增大系數(shù)表示。如腹板豎彎束圓心角為25°，當(dāng)豎曲線半徑為8 000～15 000 mm時(shí)，25φs15.2 mm鋼束曲線外側(cè)鋼絞線增長0.30%～0.57%，張拉端伸長值相同時(shí)，外側(cè)鋼絞線的應(yīng)力降低了相應(yīng)比例。

所有鋼束需共同承擔(dān)荷載，外圍鋼束承擔(dān)應(yīng)力比例減小部分將轉(zhuǎn)移由中心鋼絞線承擔(dān)。25φs15.2 mm鋼束中心鋼絞線有1根，第一層有6根，第二層有12根，第三層有6根。不同層位的鋼絞線應(yīng)力分布如表1所示。

表1 縱向25φs15.2 mm鋼束中不同層位鋼絞線應(yīng)力

應(yīng)力分布為表1中每個(gè)曲線的應(yīng)力系數(shù)的乘積。如25φs15.2 mm腹板下彎束由兩個(gè)半徑為10 000 mm的平曲線和1個(gè)半徑為15 000 mm的豎曲線組成，則中心鋼絞線的應(yīng)力系數(shù)為：1.072 72×1.048 51=1.206 5，中心鋼絞線的應(yīng)力較平均應(yīng)力增大1.206 5倍。如果平均應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度的0.75，則中心鋼絞線的實(shí)際應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度的0.904 9倍，達(dá)到1 683 MPa。因此，中心鋼絞線容易被拉斷。

在曲線段，鋼束與波紋管接觸線的轉(zhuǎn)彎半徑最小，而外圍鋼絞線的轉(zhuǎn)彎半徑與接觸波紋管鋼絞線的轉(zhuǎn)彎半徑相差更大，從而造成彎道內(nèi)側(cè)鋼絞線的應(yīng)力更大，彎道外側(cè)的應(yīng)力更小。采用S形曲線，使位于內(nèi)側(cè)的鋼絞線在下一個(gè)轉(zhuǎn)彎時(shí)變成外側(cè)，同樣使外側(cè)的鋼絞線在下一個(gè)轉(zhuǎn)彎時(shí)變成內(nèi)側(cè)，有利于緩解高程鋼絞線中的應(yīng)力。不考慮彎曲造成的應(yīng)力損失時(shí)，采用S形曲線對(duì)改善應(yīng)力分布均勻性有利。

2 孔道安裝偏差控制

孔道安裝偏差對(duì)預(yù)應(yīng)力分布及預(yù)應(yīng)力損失有重要影響，主要由孔道偏差摩擦系數(shù)反映?？椎榔钅Σ料禂?shù)隨孔道安裝偏差及孔道摩擦系數(shù)增大而線性增大。

影響孔道安裝偏差的主要因素是定位鋼筋的間距和定位準(zhǔn)確性。金屬波紋管在均布荷載作用下的承載力是在彈性地基支承條件下測(cè)得的，其破壞條件是達(dá)到規(guī)定荷載時(shí)變形比符合要求，不發(fā)生脫扣、咬口破裂及其他變形破壞。在實(shí)際使用環(huán)境中，波紋管支承在鋼筋上，其承載能力低于彈性支承條件下的承載能力。

為了確定鋼筋支承間距，首先根據(jù)彈性地基梁位移公式研究破壞條件，然后再按簡(jiǎn)支梁受均布荷載作用和允許最大變形量確定定位鋼筋的間距。波紋管安裝定位時(shí)，直線段架力鋼筋的間距應(yīng)符合表2的要求。

表2 波紋管安裝鋼筋支架間距取值表(mm)

曲線段架力鋼筋的間距尚需加密。波紋管在搬運(yùn)時(shí)，應(yīng)單根搬運(yùn)，并且不能在地上拖拉。采用吊架起吊時(shí)，注意吊架支點(diǎn)間距，防止波紋管在搬運(yùn)過程中折斷。

3 預(yù)應(yīng)力筋編束與穿束控制

每根鋼絞線由7根鋼絲捻成，每束鋼絞線由若干根鋼絞線經(jīng)過編束而成。在張拉過程中，每根鋼絲、鋼絞線和鋼束不同部位的應(yīng)力和應(yīng)變響應(yīng)不同，會(huì)對(duì)預(yù)應(yīng)力值及伸長值分布有顯著影響。

單根鋼絞線的應(yīng)力分布出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是在鋼絞線捻制過程中外層鋼絲與中心鋼絲有纏繞，使外層鋼絲長度增加，在相同軸向產(chǎn)生變形時(shí)，外層鋼絲的應(yīng)變較內(nèi)層鋼絲的小，從而外層鋼絲的應(yīng)力較低。根據(jù)這個(gè)原理，如果一束鋼絞線中的鋼絞線之間有纏繞，不同鋼絞線的長度不同，兩端張拉時(shí)每根鋼絞線的應(yīng)變和應(yīng)力也不同，纏繞程度越大，長度差異也越大，從而應(yīng)力和應(yīng)變差異也越大。為了提高鋼束中應(yīng)力分布的均勻性，防止鋼絞線拉斷，應(yīng)采取措施防止纏繞，使鋼絞線束相互平行。預(yù)應(yīng)力編束與穿束流程如圖2所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力編束與穿束流程圖

4 溫度場(chǎng)引起的預(yù)應(yīng)力損失控制

溫度變形引起的預(yù)應(yīng)力損失包括溫度均勻變化引起的損失和溫度梯度引起的損失。其中，溫度均勻變化引起的預(yù)應(yīng)力損失與施工環(huán)境溫度、張拉時(shí)機(jī)、混凝土水化熱溫升及當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件有關(guān)；而溫度梯度引起的預(yù)應(yīng)力損失占張拉預(yù)應(yīng)力的0.2%，可不考慮。

圖3 溫度均勻變化引起的預(yù)應(yīng)力損失曲線圖

由圖3可知，施工溫度越高，溫度收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失越大。當(dāng)施工溫度為30 ℃時(shí)，3 d張拉預(yù)應(yīng)力、溫度收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失為8.0%。相同溫度條件下，張拉預(yù)應(yīng)力的時(shí)間越遲，溫度收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失越小。如施工溫度為20 ℃時(shí)，3 d和10 d張拉預(yù)應(yīng)力，溫度收縮損失由5.6%下降到3.0%。因此，選擇在較低溫度下施工，推遲張拉曲線束預(yù)應(yīng)力時(shí)間，對(duì)減少預(yù)應(yīng)力損失十分有利。

5 預(yù)應(yīng)力筋松弛引起的損失控制

利用預(yù)應(yīng)力筋的松弛規(guī)律，在經(jīng)濟(jì)、合理范圍內(nèi)確定預(yù)應(yīng)力張拉持荷時(shí)間。不同持荷時(shí)間對(duì)預(yù)應(yīng)力松弛損失影響如后頁圖4所示。

由圖4可知，隨著持荷時(shí)間的增加，松弛損失增大，當(dāng)持荷時(shí)間>3 min時(shí)，松弛損失變化較平緩。工程中在張拉預(yù)應(yīng)力達(dá)到控制應(yīng)力后，持荷一定時(shí)間使松弛完成一定比例，從而可減少錨固后的松弛損失。精軋螺紋鋼

張拉持荷時(shí)間對(duì)松弛損失影響較大，持荷效果較好，而高強(qiáng)低松弛度鋼絞線增加持荷時(shí)間對(duì)減少松弛損失效果不明顯。

圖4 持荷時(shí)間對(duì)預(yù)應(yīng)力松弛損失的影響曲線圖

鋼束中不同鋼絞線的應(yīng)力分布各不相同，所以預(yù)應(yīng)力松弛損失及損失速率也不同。曲線段與波紋管接觸的鋼絞線應(yīng)力最大，頂部的鋼絞線應(yīng)力最小，從而與波紋管接觸的鋼絞線應(yīng)力松弛損失最大，使預(yù)應(yīng)力分布的均勻性發(fā)生變化。鋼束中不同部位鋼絞線應(yīng)力相差最大為18%，孔道中上下鋼絞線的應(yīng)力松弛損失相差39.6%，超張拉不能解決應(yīng)力差異造成的松弛損失差異。為控制孔道內(nèi)的應(yīng)力松弛損失，施工中應(yīng)控制孔內(nèi)鋼絞線纏繞，慎用超張拉工藝，防止斷絲。

6 結(jié)語

通過對(duì)長曲線束預(yù)應(yīng)力張拉控制方法的研究取得以下結(jié)論與建議：

(1)加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管道定位的準(zhǔn)確性，選擇合適的鋼筋間距并適當(dāng)加密，可以減少施工中的不確定因素對(duì)管道偏差摩阻系數(shù)的增長影響。

(2)嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力筋編束與穿束的施工流程，預(yù)應(yīng)力筋兩端對(duì)應(yīng)相同的錨具孔眼編號(hào)，避免穿束過程中預(yù)應(yīng)力筋的相互纏繞與扭轉(zhuǎn)。

(3)均勻溫度場(chǎng)的變化對(duì)預(yù)應(yīng)力損失影響較大，選擇在較低溫度下施工，推遲張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)間，對(duì)減少預(yù)應(yīng)力損失十分有利。

(4)保證預(yù)應(yīng)力束初張與終張拉時(shí)間能有效減少預(yù)應(yīng)力松弛，對(duì)于長曲線預(yù)應(yīng)力束建議持荷>10 min，同時(shí)慎用超張拉工藝防止斷絲。