箱梁豎向預應力損失影響機理及控制措施研究

丁渝，劉書丞，張慶明，呂國軍

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

預應力箱梁橋具有截面抵抗剛度大、穩定性好、截面效率高等諸多優點，是大跨度橋梁中應用較為廣泛的一種主梁形式。通過對頂板、底板、腹板各個組成部分施加三向預應力，使其具有較好的承載性能，頂板和底板可以抵抗正負彎矩，腹板可以抵抗剪力。但是在實際工程應用中，由于混凝土的細觀結構為多種材料組成的脆性復合材料，在施工過程或服役中，受到溫度變化、動荷載影響等，往往造成一定數量的微裂縫，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件，因外部荷載造成拉應力大于其材料抗拉強度時，容易造成裂縫增大和擴展。在設計腹板厚度、材料強度、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應力損失過大，導致抗剪能力不足抵抗剪力，以致拉應力增大，形成裂縫[5-7]。

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

1 豎向預應力損失對腹板承載力影響

1.1 計算模型

為精確分析豎向預應力損失對腹板承載力的影響機理，采用FEA NX建立跨徑為30 m的箱梁實體模型進行分析。根據前述對豎向預應力損失的計算，擬確定工況1至工況6，在縱向預應力損失一定的情況下，豎向預應力損失分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%，以此來分析腹板的應力狀態變化。梁體混凝土采用實體單元模擬，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應力鋼絞線，采用可協同承受彎矩的植入式桁架單元模擬預應力鋼筋，預應力筋均為彈性材料；邊界條件為簡支結構，支撐范圍位于底部兩端節點范圍。建立有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元分析模型

1.2 計算結果分析

主要分析豎向預應力損失對箱梁受力性能的影響，不探討梁體的極限承載能力。對模型施加均布荷載，直至混凝土產生彌散開裂，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，該箱梁進入破壞狀態時，首先底板中部開裂，裂縫寬度為0.0035 mm。從圖3可以看出，箱梁豎向應力大小主要分布為受壓1.7 MPa至受拉0.15 MPa范圍，支承區域最大壓應力為16 MPa，梁底板中部最大拉應力為5.6 MPa。支承區域受壓破壞，底板中部受拉破壞。提取梁端部和中部的豎向應力分布，見圖4和圖5所示，可見腹板范圍豎向應力主要為拉應力，從底部到頂部逐漸降低。按工況1—工況6，依次對豎向預應力按0%、20%、40%、60%、80%、100%進行折減，選取梁端附近的腹板作為分析區域，從腹板底部到頂部依次提取點1至點5的豎向應力，見圖6。

圖3 豎向應力分布

圖4 梁端部豎向應力分布

圖5 梁中部豎向應力分布

圖6 豎向預應力折減對應的腹板應力變化（單位：MPa）

從圖6可以看出，隨著豎向預應力損失的增大，腹板承受的拉應力逐漸增大。本案例中外部荷載未達到腹板承載力極限，所以當豎向預應力全部損失后，正應力未超過混凝土承載力。但是從趨勢可以看出，當外荷載進一步增大后，隨著豎向預應力的損失，腹板底部承受的正應力會逐漸超過其承載力，導致腹板開裂。

2 豎向預應力損失因素

2.1 豎向預應力影響因素分析

豎向預應力一般為后張法施工，共包括5個部分的預應力損失。

1）預應力鋼筋與管道壁摩擦造成的預應力損失

在豎向預應力各項損失中，由預應力筋與管道壁摩擦造成的預應力損失較小。主要原因為豎向預應力鋼筋較短，摩擦范圍小，并且豎向布置沒有彎曲，摩擦力較小。

2）錨具變形與鋼筋回縮造成的預應力損失

錨具變形與鋼筋回縮造成的豎向預應力損失較大。主要原因為豎向預應力鋼筋較短，錨具及鋼筋回縮等微小變形即可造成較大的變形率，導致較大的應力松弛。在工程實際中，因施工工藝及控制精度等因素影響，預應力筋回縮量△l往往大于規范約定的4 mm，導致此項預應力損失分項遠大于此計算比例。因此，控制減小此項損失，是豎向預應力施工的重點和難點。

3）混凝土彈性壓縮造成的預應力損失

因豎向預應力不是全斷面同步張拉，而是沿著橋梁縱向分批次進行張拉，故不能以規范約定的公式計算混凝土彈性壓縮造成的豎向預應力損失。根據文獻[12]，后續張拉的豎向預應力鋼筋會對先張拉的1.5 m范圍以內的豎向預應力鋼筋造成預應力損失，1.5 m以外的影響可以忽略不計。此項預應力總損失可按張拉控制應力的4.8%近似計算，且受預應力筋長度的影響可忽略不計。

4）鋼筋松弛造成的預應力損失

根據文獻[13]，混凝土收縮徐變造成的豎向預應力損失為張拉控制應力的5.0%，受預應力筋長度變化的影響可忽略不計。

5）混凝土收縮徐變造成的預應力損失

根據文獻[12，14]，混凝土收縮徐變造成的豎向預應力損失為張拉控制應力的5.23%，受預應力筋長度變化的影響可忽略不計。

2.2 預應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。豎向預應力張拉控制應力為1300 MPa。從懸臂端到根部，梁高度從3.5 m增大到9.45 m。經計算，5項預應力綜合損失比例為31.95%～23.69%。根據常見變截面箱梁的截面高度，分別計算梁高2～9 m變化時，豎向預應力5個分項的損失量和總損失量，見圖7。

圖7 豎向預應力損失隨梁高變化關系

從圖7可以看出，隨著梁截面高度的降低，即豎向預應力鋼筋長度的縮短，預應力損失逐步增大，對應的有效預應力逐步降低。梁高為9 m時，豎向預應力損失為23.85%，梁高為2 m時，豎向預應力損失為43.32%。其中δ12即錨具變形與鋼筋回縮造成的預應力損失貢獻最大，梁高為9 m時δ12為6.15%，梁高為2 m時達到27.69%。所以，在豎向預應力張拉施工中，應采用高質量的機具，改進施工工藝，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應力損失，從而提高有效預應力。

3 豎向預應力控制措施

3.1 預應力筋張拉措施

預應力張拉前，通過理論分析，根據設計要求確定箱梁每節段豎向預應力張拉順序。在混凝土強度滿足張拉要求后，安裝水平控制裝置，控制豎向預應力筋與混凝土面垂直，減少機具變形而造成預應力損失。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。最后割斷多余預應力筋，按串聯方式分段連接進漿管和排氣管，封閉錨頭。

3.2 灌漿控制措施

采用真空串聯壓降法進行主應力孔道注漿，可提高灌漿密實度，增強預應力筋與混凝土的粘結。嚴格按照壓漿料配合比試驗報告制備砂漿。采用串聯方式連接各豎向預應力筋進漿管和排氣管，然后采用真空輔助壓漿的方法進行管道壓漿。壓漿完成后，及時對錨固端按設計要求進行封閉保護和防腐處理。單排真空串聯注漿法見下圖所示。可根據腹板豎向預應力布置數量，調整為雙排空串聯注漿。

4 實例驗證

重慶城口（陜渝界）至開州高速公路第C1標段東河大橋，橋型為變截面連續剛構橋，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 變截面連續梁斷面圖

腹板豎向預應力采用φ16精軋螺紋鋼，抗拉強度標準值fpk為1420 MPa，設計張拉應力為0.66fpk，即189.4 kN。應用本文提出的豎向預應力控制措施。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了豎向有效預應力。經測算分析，豎向有效張拉力主要分布在180～185 kN范圍，豎向預應力損失為2%～5%，有效降低了豎向預應力損失。施工完成后，經工程檢驗，該變截面連續梁施工質量較好，滿足設計要求。橋梁在運營過程中，腹板未出現明顯裂縫，豎向預應力持續有效。

5 結論

混凝土箱梁橋腹板豎向預應力損失會造成腹板開裂。豎向預應力損失的與施工工藝、機具、控制精度等因素有關。通過對預應力損失5個分項的計算分析，討論了各個分項對腹板豎向預應力損失的貢獻值。采用有限元模型開展數值分析，研究了豎向預應力損失對箱梁各個部分的影響機理。對豎向預應力張拉控制的要點進行了總結，采用真空串聯注漿法提高注漿密實度，得出以下結論：

1）豎向預應力損失影響最大的是錨具變形和鋼筋回縮損失，預應力筋與管道摩擦、混凝土彈性壓縮、鋼筋松弛、混凝土收縮徐變造成的豎向預應力損失較小。豎向預應力的損失，會造成腹板承受過大的拉應力，導致從底部開裂，裂縫逐步上頂部擴展。

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

3）豎向預應力施工過程中，嚴格控制錨具的安裝精度，確保預應力筋與混凝土面垂直，以減小錨具局部變形。管道注漿應采用串聯真空注漿法，提高注漿密實度從而增強預應力筋與混凝土的粘結力。