上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程概況

在現(xiàn)有的橋梁中，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁已占較大比重，預(yù)應(yīng)力損失的研究對于橋梁的整體性能的影響更加突出。

在預(yù)應(yīng)力施工及運(yùn)營過程中，由于各種原因?qū)е碌念A(yù)應(yīng)力損失能達(dá)到20%～30%，曲線段的預(yù)應(yīng)力損失則更加嚴(yán)重。

此次研究背景是昆山市中環(huán)快速化改造工程的張家港大橋左幅I輔道第4聯(lián)，左幅（I幅）位于R=683.875 m，Ls=81.4 m的平曲線上，橋梁寬度20 m，主橋孔跨38.85 m＋65 m＋38.85 m，使用掛籃法施工。

橋梁的上部箱梁采用C50混凝土，設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力束，根據(jù)位置及功能的不同，分別設(shè)置腹板束、頂板束和底板束。

主橋箱梁腹板束及頂板束根據(jù)塊件的劃分在每個節(jié)段錨固，兩端張拉；合攏束布置在合攏段附近范圍內(nèi)，在箱梁頂?shù)装逶O(shè)置齒塊兩端張拉。橫梁均設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力束，單端或兩端張拉。

主橋以及引橋箱梁懸臂長度分別為4.0 m及3.8 m，主橋有懸臂過渡段，在箱梁頂板設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力，3 股一束，間距50 cm，一端錨固，一端張拉，交替布置。根據(jù)圖紙要求，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用按GB/T5 224—2003標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的鋼絞線（Ep=1.95×105MPa，fpk=1 860 MPa），錨下張拉控制應(yīng)力為0.75fpk=1 395 MPa；箱梁橫向預(yù)應(yīng)力鋼束采用按GB/T 5224—2003標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的低松弛270級鋼絞線，彈性模量Ep=1.95×105MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力為0.7fpk=1 302 MPa；豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋為抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不小于785 MPa的精軋螺紋粗鋼筋，張拉時以張拉力為主要控制，錨下張拉力控制在為540 kN。

由于儀器選擇的局限性，本次研究對施工過程中預(yù)應(yīng)力損失的測量方法采用間接測量的壓應(yīng)變法，將應(yīng)變計直接埋入混凝土中，對混凝土的應(yīng)變反應(yīng)比較靈敏，可以很好地測量混凝土的應(yīng)變情況。

通過以前測試經(jīng)驗(yàn)和對國內(nèi)元件及儀器綜合分析比較，混凝土內(nèi)部埋入式鋼弦計決定選用ZX215 型混凝土鋼弦式應(yīng)變傳感器。本次研究中的應(yīng)變數(shù)據(jù)來自第三方對張家港大橋的監(jiān)控報告[1-4]。

2 預(yù)應(yīng)力損失的組成

對于后張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失，設(shè)計規(guī)范規(guī)定應(yīng)考慮以下因素：預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道間之間的摩擦引起的應(yīng)力損失δl1，主要因素是管道是否清理干凈、管道是否有弧度；錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的應(yīng)力損失δl2；混凝土的彈性壓縮引起的應(yīng)力損失δl3；預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松弛引起的應(yīng)力損失δl4；混凝土收縮和徐變引起的應(yīng)力損失δl5。

目前有關(guān)預(yù)應(yīng)力損失的計算方法大體上可分為3 類：預(yù)應(yīng)力總損失估算法；分項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失計算法；精確估算法。

本次研究使用分項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失計算法，由之前研究經(jīng)驗(yàn)得出，預(yù)應(yīng)力總損失中管道摩擦、管道局部偏差和錨具回縮所引起的損失占到的比例為70%～80%，混凝土收縮、徐變損失和由于預(yù)應(yīng)力筋松弛引起的損失各占大概10%，這就是常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中的預(yù)應(yīng)力損失情況。而本次研究的對象位于平曲線上，所以此次曲線段預(yù)應(yīng)力損失研究的重點(diǎn)為預(yù)應(yīng)力筋和管道間的摩擦損失。

3 預(yù)應(yīng)力損失的原因分析

1）預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道間摩擦引起的應(yīng)力損失[5-8]。后張法張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋時，由于管道彎曲、管道尺寸成形偏差、孔壁粗糙、預(yù)應(yīng)力筋表面粗糙等原因，使預(yù)應(yīng)力筋與孔壁之間產(chǎn)生摩擦阻力，使遠(yuǎn)離張拉端的預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)拉應(yīng)力逐漸減小。在任意兩個截面之間預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力差值，就是此截面間由摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失值。從張拉端至計算截面的摩擦損失值，以δl1表示。

2）錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起的應(yīng)力損失。預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后錨固時，對于縱向腹板束中17 孔張拉端錨具將受到最大3 320 kN拉力，這樣大的應(yīng)力一方面使錨具本身及錨具下墊板壓密產(chǎn)生變形；另一方面混凝土結(jié)構(gòu)的接縫縫隙在壓力的作用下也將壓密變形。這些變形導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼筋向內(nèi)回縮，產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失，其值隨鋼筋為直線或曲線形面而有所不同。以上因素造成的預(yù)應(yīng)力損失以δl2表示。

3）混凝土彈性壓縮所引起的應(yīng)力損失。預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件受到預(yù)壓力后，會立即產(chǎn)生彈性壓縮應(yīng)變，此時已與混凝土構(gòu)件共同作用的預(yù)應(yīng)力筋，會產(chǎn)生與相應(yīng)位置處混凝土一樣的壓縮應(yīng)變，因而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失，這種應(yīng)力損失稱為混凝土彈性壓縮損失δl3。由于本段施工中掛籃每塊是分批張拉、錨固的，預(yù)應(yīng)力筋將引起混凝土的彈性壓縮，并造成先張拉預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力損失。但在之前的研究中發(fā)現(xiàn)這種損失對于預(yù)應(yīng)力筋總損失可以忽略不計。

4）預(yù)應(yīng)力筋松弛引起的應(yīng)力損失。由于本工程中有δcon=0.75fpk和δcon=0.7fpk兩種情況，且都符合δcon≥0.5fpk，因此需要考慮預(yù)應(yīng)力筋松弛引起的損失。掛籃施工處的縱向、橫向鋼絞線以及豎向精軋螺紋粗鋼筋在錨固后，在持久不變的應(yīng)力作用下，會產(chǎn)生隨荷載持續(xù)時間延長而增加的徐變；當(dāng)把預(yù)應(yīng)力筋張拉到一定的應(yīng)力值后，其長度固定不變，則預(yù)應(yīng)力筋中的應(yīng)力將會隨時間的延長而降低，一般把預(yù)應(yīng)力筋的這種現(xiàn)象稱為松弛或應(yīng)力松弛。

5）混凝土的收縮和徐變引起的應(yīng)力損失。本工程中I輔道第4聯(lián)使用的是C50混凝土，由于混凝土是一種復(fù)合材料，它隨著時間的推移會發(fā)生錯綜復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，徐變與收縮是混凝土材料的固有特性。在預(yù)應(yīng)力作用下，由于混凝土的收縮與徐變使構(gòu)件的長度縮短，預(yù)應(yīng)力筋也隨之縮短，將造成預(yù)應(yīng)力損失。

4 實(shí)測結(jié)果與分析

4.1 施工過程中監(jiān)控測點(diǎn)布置

主梁應(yīng)力監(jiān)測截面及測點(diǎn)橫斷面布置如圖1所示。由于實(shí)際施工中受結(jié)構(gòu)自重、掛籃和支架剛度、施工荷載等復(fù)雜因素的影響，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況，對某些截面進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

圖1 應(yīng)力測點(diǎn)布置

A1～A4截面主要監(jiān)測主墩附近截面箱梁頂面和底面的正應(yīng)力情況；B1、B2截面主要監(jiān)測邊跨跨中箱梁頂面和底面的最大正應(yīng)力，以判斷橋梁實(shí)際內(nèi)力是否與設(shè)計相符；Z2截面主要監(jiān)測中跨附近截面腹板的應(yīng)力及橫向應(yīng)力，以考察預(yù)應(yīng)力是否張拉到位；Z1截面主要為加強(qiáng)中跨合攏段的監(jiān)測而設(shè)，主要監(jiān)測中跨合攏段預(yù)應(yīng)力張拉后主跨跨中附近截面的應(yīng)力情況。

4.2 實(shí)測結(jié)果與理論值比較

懸澆階段主要對懸臂根部A1～A4截面的正應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，由監(jiān)測數(shù)據(jù)看出，實(shí)測值和理論值的發(fā)展趨勢基本相同。張拉階段應(yīng)力實(shí)測值與理論值較為接近，且基本損失率大致為20%～30%，符合理論經(jīng)驗(yàn)。本研究為施工過程減小預(yù)應(yīng)力損失提供了依據(jù)，尤其是短期預(yù)應(yīng)力損失與彈性變形損失，為施工過程中采用分階段（即預(yù)張拉、初張拉、終張拉）和超張拉的手段來減小預(yù)應(yīng)力損失提供了可靠的數(shù)據(jù)。

5 減少預(yù)應(yīng)力損失的措施

1）減少δl1的措施：采用兩端張拉。對于縱向?qū)ΨQ的預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)應(yīng)力損失最大的位置一般在跨中截面，若采用兩端張拉，則理論計算中結(jié)果減?。徊捎贸瑥埨に?。張拉端的應(yīng)力增大，則傳到跨中截面的預(yù)應(yīng)力也增大。當(dāng)張拉端的應(yīng)力恢復(fù)到控制應(yīng)力時，由于受到反向摩擦力的影響，預(yù)應(yīng)力筋的回松力并沒有傳到跨中截面，這樣跨中截面仍保持較大的超拉應(yīng)力；并且在預(yù)應(yīng)力表面涂上潤滑劑。

2）減少δl2的措施：選擇錨具變形、預(yù)應(yīng)力筋回縮量小即強(qiáng)度和剛度比較大的錨具、夾具；盡量減少墊板的塊數(shù)。

3）減少δl3的措施：由于在預(yù)應(yīng)力總損失中可忽略不計，則該處不予研究。

4）減少δl4的措施：采用超張拉的方法。

5）減少δl5的措施：采用早強(qiáng)高等級混凝土，以減少水泥用量；采用級配良好的骨料及摻加高效減水劑，減少水灰比；振搗密實(shí)，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

6 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制

6.1 前期準(zhǔn)備階段的質(zhì)量控制

1）預(yù)應(yīng)力鋼絞線的選擇。鋼絞線預(yù)應(yīng)力筋是由多根鋼絲在絞線機(jī)上成螺旋形絞合，經(jīng)消除應(yīng)力回火處理而成，具有承載力大、柔韌性好、施工方便等特點(diǎn)。在選擇預(yù)應(yīng)力鋼絞線上，必須考慮多方面因素，包括鋼絞線的松散性、斷裂荷載、伸長率、屈服荷載以及非常重要的幾何參數(shù)，最終保證質(zhì)量。

2）預(yù)應(yīng)力錨具的選擇。錨具是構(gòu)件中為保持預(yù)應(yīng)力筋的拉力并將其傳遞到混凝土上所用的永久性錨固裝置。在選擇時必須注意其質(zhì)量，宜選擇錨力變化多、噸位大、穿索方便、應(yīng)力損失小、重復(fù)張拉和鏈接較方便的錨具，在品種規(guī)格上也要嚴(yán)格控制。

6.2 施工過程中的質(zhì)量控制

1）預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備的質(zhì)量控制。在施加預(yù)應(yīng)力之前必須對張拉設(shè)備進(jìn)行仔細(xì)的核查。千斤頂及配套的油泵和油壓表一起核查，核查時千斤頂?shù)幕钊\(yùn)行方向要與實(shí)際張拉作業(yè)的狀態(tài)相一致，為保證張拉設(shè)備的可靠，配用預(yù)應(yīng)力千斤頂?shù)念~定張拉值應(yīng)比預(yù)應(yīng)力控制張拉力大30%以上。當(dāng)千斤頂使用超過半年或在使用過程中出現(xiàn)不正常現(xiàn)象，必須再次進(jìn)行校核。

2）張拉作業(yè)的質(zhì)量控制。在預(yù)應(yīng)力混凝土的施工過程中，按照規(guī)范和要求，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用張拉力和伸長量雙控張拉措施進(jìn)行，因此，除了千斤頂?shù)膲毫Ρ砩系淖x數(shù)控制外，也必須保證實(shí)測的鋼絞線伸長量的誤差范圍不超出理論計算值的6%。

3）預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量控制。預(yù)應(yīng)力孔道壓漿有保護(hù)預(yù)應(yīng)力筋不被銹蝕和保證預(yù)應(yīng)力筋與結(jié)構(gòu)共同工作的重要作用。在實(shí)際操作過程中，預(yù)應(yīng)力的孔道壓漿經(jīng)常會出現(xiàn)不飽滿、不密實(shí)的問題，漏漿和漏灌現(xiàn)象也很普遍，如果不及時解決會給結(jié)構(gòu)的整體安全帶來很大隱患。因此，這要求技術(shù)部門盡快改進(jìn)壓漿工藝，提高留孔質(zhì)量，完善漿體配置；另一方面施工單位也要加強(qiáng)對孔道壓漿工序的重視，保證整個工序的質(zhì)量。

7 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力技術(shù)之所以得到快速的推廣應(yīng)用是因其用途廣泛，但預(yù)應(yīng)力張拉施工工藝相對較復(fù)雜，施工工藝專業(yè)性要求高，預(yù)應(yīng)力在結(jié)構(gòu)施工及使用中會產(chǎn)生損失，并且其影響因素也比較復(fù)雜。為了有效地發(fā)揮預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)能合理地控制預(yù)應(yīng)力損失，并通過不斷地總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步提高施工工藝，這樣才能使其更好地服務(wù)于建設(shè)工程。