鄭建民(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

大懸臂箱梁橫向預(yù)應(yīng)力損失測定研究

鄭建民
(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

詳細介紹了大懸臂箱梁橫向預(yù)應(yīng)力損失的測試方法及試驗內(nèi)容，并以珠海某大懸臂混凝土箱梁橋的一聯(lián)為實際工程依托，準確的測定橫向預(yù)應(yīng)力筋的實際應(yīng)力損失，為確定大懸臂箱梁橫向預(yù)應(yīng)力的設(shè)計和施工相關(guān)參數(shù)提供依據(jù)。

大懸臂箱梁；后張法；摩阻損失；錨固回縮損失；試驗研究

近年來，隨著城市交通的發(fā)展，普通箱梁橋已難以滿足交通和景觀需求，大懸臂箱形截面被越來越多的應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)。大懸臂混凝土箱梁的懸臂較長，為避免箱梁頂板縱向開裂，也為提高橋梁的整體性，往往會在頂板布置橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋。而預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力損失將直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命，損失過大將會造成結(jié)構(gòu)局部預(yù)壓應(yīng)力不足，引起結(jié)構(gòu)過早開裂，達不到預(yù)壓的效果，甚至影響結(jié)構(gòu)的安全性；反之將會使得結(jié)構(gòu)中的混凝土承受過高的持續(xù)壓應(yīng)力，產(chǎn)生過大的反拱度，對結(jié)構(gòu)安全性和使用性能產(chǎn)生不利的影響，同時也造成材料的浪費[1]。準確測定預(yù)應(yīng)力損失對結(jié)構(gòu)物的安全性能和使用性能具有重要意義，可以防止因設(shè)計計算不準確而給結(jié)構(gòu)帶來安全隱患；為張拉控制力和鋼絞線引伸量等參數(shù)的確定提供依據(jù)；試驗測定參數(shù)與設(shè)計規(guī)范建議值的對比還可用來檢驗預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量，對測定參數(shù)進行數(shù)理統(tǒng)計分析還可為設(shè)計規(guī)范的的參數(shù)修正提供合理建議。

1 工程概況

珠海某大懸臂混凝土箱梁橋采用大挑臂展翅現(xiàn)澆箱梁，單箱三室箱型截面，跨徑為40 m左右，頂寬33.5 m，底寬17.5 m，梁高2.5 m，邊肋斜度為1∶2。每隔3.9 m設(shè)置一道0.25 m寬的橫隔板，以加大懸臂尺寸。兩側(cè)大懸臂挑梁各長約7 m。箱梁標準截面如圖1所示。

圖1 箱梁跨中標準截面(單位：cm)

箱梁采用C55高強度混凝土制作?？v、橫雙向預(yù)應(yīng)力群錨體系，塑料波紋管制孔，扁形波紋管僅在縱向支點處懸臂板使用，其它部位均采用圓形波紋管。設(shè)計采用的孔道摩擦系數(shù)μ=0.17，孔道偏差系數(shù)k=0.0015/m。

本文選取試驗聯(lián)為4×40 m大懸臂箱梁結(jié)構(gòu)中第一跨端橫梁、中橫梁及第二跨跨中隔板位置的頂板橫向預(yù)應(yīng)力筋作為試驗對象進行測定(表1)。

2 孔道摩阻損失

2.1 試驗方法

為克服以往孔道摩阻損失測定試驗中數(shù)據(jù)不準確的問題，本文采用壓力傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的千斤頂、油壓表讀數(shù)測量預(yù)應(yīng)力筋的拉力值。

在試驗預(yù)應(yīng)力筋的主動端和被動段分別安裝壓力傳感器。由于傳感器位于錨具和梁體間，可以及時補償張拉過程中各種壓縮變形等因素的影響，因此兩端傳感器讀數(shù)之差即為孔道摩阻損失。具體試驗方案如圖2所示。

表1 頂板橫向預(yù)應(yīng)力筋參數(shù)

圖2 孔道摩阻試驗方案

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)《公路預(yù)規(guī)》[2]計算預(yù)應(yīng)力損失σl1的方法：

σl1=σcon[1-e-(μθ+kx)]

(1)

式中：σcon為張拉端預(yù)應(yīng)力筋錨下張拉控制應(yīng)力；θ 為從張拉端至計算截面的孔道彎角之和(rad)；x為從張拉端至計算截面的孔道沿構(gòu)件縱軸投影長度(m)；μ為預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁的摩擦系數(shù)；k為孔道每1 m局部偏差對摩擦的影響系數(shù)。

因此計算截面的預(yù)應(yīng)力筋拉力Px：

Px=(σcon-σl1)A=σconAe-(μθ+kx)=Pke-(μθ+kx)

(2)

式中：Pk為張拉端預(yù)應(yīng)力筋拉力；A為預(yù)應(yīng)力筋截面積。

令M=Px/Pk=e-(μθ+kx)，則有-lnM=μθ+kx。

再令Y=-lnM，由此，對于同一片梁體不同孔道可得一系列方程式：

(3)

由于測試誤差的存在，上列方程式的右邊不等于零，

假定：

(4)

根據(jù)最小二乘法原理，則有：

(μθ1+kx1-Y1)2+…+(μθn+kxn-Yn)2=

(5)

(6)

解方程組即可得μ、k。

根據(jù)不同形狀、不同長度的預(yù)應(yīng)力筋測定結(jié)果，通過最小二乘法統(tǒng)計得出預(yù)應(yīng)力筋與管道壁的摩擦系數(shù)μ和孔道偏差影響系數(shù)k。

2.3 設(shè)計計算值

根據(jù)《公路預(yù)規(guī)》[4]計算預(yù)應(yīng)力損失σl1方法估算橫向預(yù)應(yīng)力筋的孔道摩阻損失，其計算值見表2。

表2 孔道摩阻損失設(shè)計計算值

2.4 測定結(jié)果

根據(jù)試驗方案完成孔道摩阻損失測定試驗，得到各級荷載下主動端和被動端實測壓力值，測試結(jié)果見表3。

表3 孔道摩阻損失測定

將上述3種規(guī)格的預(yù)應(yīng)力筋利用最小二乘法求解孔道摩擦系數(shù)μ和孔道偏差系數(shù)k，測定結(jié)果統(tǒng)計匯總見表4。

由此可以求解得到：預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁的摩擦系數(shù)μ=0.2187；孔道偏差影響系數(shù)k=0.0020/m。

2.5 結(jié)果分析

從建筑、工業(yè)、旅行、時尚，到汽車、摩托車、食物、杯具，和我認識的許多設(shè)計師不同，吳濱的喜好目錄真的可以說上三天三夜。而在眾多喜好之中，吳濱和我一樣都對英國車有著強烈的好感。

將試驗測定的孔道摩阻損失結(jié)果與設(shè)計計算值對比分析，如表5、表6所示。

由表5、表6可以看出孔道摩阻損失的試驗測定值均大于設(shè)計計算值，特別是5-φs15.2鋼絞線的孔道摩阻損失超過設(shè)計計算值的30 %，試驗測定的孔道摩擦系數(shù)μ和孔道偏差系數(shù)k均較設(shè)計取值偏大約30 %。這表明管道成孔質(zhì)量還有待提高，施工時要采取加強孔道測量定位、加密定位鋼筋，混凝土澆筑時做好管道保護工作等措施。

3 錨圈口摩阻損失

張拉時錨具與預(yù)應(yīng)力筋間發(fā)生摩擦及錨具本身的變形引起的預(yù)應(yīng)力損失稱為錨圈口摩阻損失。在橋梁預(yù)應(yīng)力張拉過程中，要求對錨圈口摩阻損失進行現(xiàn)場測定，并根據(jù)測定結(jié)果來調(diào)整張拉力。

表4 孔道摩阻測定結(jié)果統(tǒng)計匯總

表5 孔道摩阻損失的測定值與設(shè)計計算值對比

表6 μ、k的試驗測定值與設(shè)計取值對比

3.1 試驗方法

試驗時在預(yù)應(yīng)力筋的張拉端安裝2個壓力傳感器，1個安置在工作錨錨具內(nèi)側(cè)，1個在工作錨錨具外側(cè)，兩者的壓力差值即為錨圈口摩阻損失。具體試驗方案如圖3所示。

圖3 錨圈口摩阻損失試驗方案

3.2 測定結(jié)果及分析

根據(jù)試驗方案完成錨圈口摩阻損失試驗，得到各級荷載下工作錨內(nèi)外側(cè)實測壓力值，測試結(jié)果見表7。

試驗測定的錨圈口摩阻損失百分比為5.57 %，小于規(guī)范[3]要求的錨圈口摩阻損失不宜大于6 %的限值，這說明橫向預(yù)應(yīng)力筋的錨圈口摩阻損失符合規(guī)范要求。

4 錨固回縮損失

在錨固預(yù)應(yīng)力筋時，鋼筋端頭拉力從千斤頂傳給錨具，不可避免地要引起鋼筋少量的回縮，承壓的錨墊板也可能被壓進梁端混凝土，這些原因引起鋼束縮短，從而引起預(yù)應(yīng)力損失，稱為錨固回縮損失。

4.1 試驗方法

試驗時在預(yù)應(yīng)力鋼束張拉端的工作錨具與錨墊板之間安裝壓力傳感器，張拉至設(shè)計值后，測試傳感器錨固前和錨固后的壓力值，兩者的差值即為錨固回縮損失。具體試驗方案如圖4所示。

表7 錨圈口摩阻損失試驗測定

圖4 錨固回縮損失測試方案

4.2 設(shè)計計算值

根據(jù)《公路預(yù)規(guī)》[2]計算預(yù)應(yīng)力損失σl2方法估算橫向預(yù)應(yīng)力筋的錨固回縮損失，其計算值見表8。

4.3 測定結(jié)果及分析

根據(jù)試驗方案完成錨固回縮損失試驗，得到各級荷載下錨固前后實測壓力值，測定結(jié)果見表9。

表8 錨固回縮引起的預(yù)應(yīng)力損失設(shè)計計算值

表9 錨固回縮損失試驗測定

將錨固回縮損失的試驗測定值與根據(jù)規(guī)范設(shè)計設(shè)計值相對比，其對值分析見表10。

表10 錨固回縮損失的試驗測定值與設(shè)計計算值對比

從表10可以看出錨固回縮損失的試驗測定值與設(shè)計計算值有所偏差，偏差幅度較小。通過分析，這主要是由于測力傳感器端面受力不均或支撐不足引起的。

5 結(jié)束語

大懸臂混凝土箱梁線條輕盈美觀，施工便利，越來越廣泛的應(yīng)用于城市橋梁中，然懸臂長度較大，空間性能復(fù)雜，橫向效應(yīng)明顯。橫向預(yù)應(yīng)力作為這種結(jié)構(gòu)的生命線，但我國至今還缺乏精確的計算橫向預(yù)應(yīng)力損失的方法，現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力張拉工藝及錨固體系也很難保證其有效預(yù)應(yīng)力滿足設(shè)計要求，因此建議對重要或有條件的大懸臂混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的橫向預(yù)應(yīng)力筋宜進行預(yù)應(yīng)力損失的測定，獲得較為真實可靠的有效預(yù)應(yīng)力數(shù)據(jù)，確保預(yù)應(yīng)力能按設(shè)計要求施加給結(jié)構(gòu)上。

本文試驗測定的孔道摩阻損失較設(shè)計取值大，這表明管道成孔質(zhì)量還有待提高。施工時要采取加強孔道測量定位、加密定位鋼筋，混凝土澆筑時做好管道保護工作等措施，在施工過程中要嚴格按照規(guī)范和設(shè)計要求進行施工，確保預(yù)應(yīng)力管道的成孔質(zhì)量符合相應(yīng)要求，減小預(yù)應(yīng)力的摩阻損失。錨圈口的摩阻損失和錨固回縮損失的試驗測定與規(guī)范設(shè)計較為接近，符合相應(yīng)要求。

[1] 成強, 魏莉莉.預(yù)應(yīng)力損失估算及控制措施[J].建筑技術(shù)開發(fā),2003,30(7):20-23.

[2] JTG D62-2004 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[3] TB/T 3193-2008 鐵路工程預(yù)應(yīng)力筋用夾片式錨具、夾具和連接器技術(shù)條件[S].

鄭建民(1984～)男，大學(xué)本科，工程師，從事公路市政特殊結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計研究。

U448.21+4

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[定稿日期]2016-07-28