樊見維，胡光明，高華睿，常曉娟

(1.陜西高速公路工程咨詢有限公司，陜西 西安 710061； 2.山東大學 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟南 250061)

0 引 言

隨著中國公路橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，預應力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)因其在經(jīng)濟性、耐久性、安全性等方面的優(yōu)勢，在橋梁施工領(lǐng)域中得以大量應用。但是，已有研究表明預應力混凝土梁橋會隨其服役時間的增長而產(chǎn)生一系列的病害及下?lián)蠁栴}[1-2]。預應力張拉質(zhì)量是影響預應力混凝土梁服役性能的關(guān)鍵因素，而外界環(huán)境以及材料自身特性的共同作用容易導致預應力混凝土梁橋有效預應力不斷衰減[3-4]。

由于在橋梁施工期內(nèi)存在施工誤差等不確定性因素，以及在運營服役期內(nèi)混凝土材料的劣化、汽車荷載的反復作用、超載造成混凝土的開裂及下?lián)系龋瑫褂行ьA應力計算值與實際值之間存在較大偏差，影響到橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能和使用年限，嚴重時還會導致橋梁垮塌。Roller[5]研究得到1年半的預應力損失為11.4%；Chouman[6-7]研究得到后張法預應力混凝土梁1年的預應力損失為4.04%～20.32%；Barr[8]研究得到3年的預應力損失為27.5%；Natio等[9-10]研究得到三跨預應力混凝土連續(xù)梁橋12年的預應力損失為32.7%。根據(jù)已有研究可以看出，預應力損失變化量差異較大。

本文依托現(xiàn)場試驗得到20 m預應力混凝土箱梁鋼絞線48 h內(nèi)錨下有效預應力的變化測試值，通過有限元模擬施工階段預應力混凝土梁有效預應力損失變化的規(guī)律，通過對比分析確認實測數(shù)據(jù)和理論計算值的有效性，進行錨下預應力時間效應及溫度效應修正。

1 錨下有效預應力時間松弛效應和溫度效應測試方案

1.1 測試梁

選取陜西省某高海拔地區(qū)在建高速公路預制梁場中20 m預制箱梁6片，其截面尺寸相同，其中箱梁的預應力束形式有2種類型，A類和B類。預制主梁混凝土采用C50混凝土，鋼絞線直徑為15.2 mm，抗拉強度標準值為1 860 MPa，張拉控制應力為1 395 MPa。預制混凝土梁抗壓強度達到設(shè)計混凝土強度等級的90%后張拉預應力鋼束。箱梁張拉順序為N1、N2、N3，具體梁體規(guī)格見表1及圖1。

表1 梁體規(guī)格

注：A類預應力鋼絞線N1、N2、N3均為4根；B類預應力鋼絞線為N1、N2各5根，N3為4根。

圖1 試驗梁截面形式

1.2 試驗設(shè)備

自動化綜合測試系統(tǒng)是一種功能強大的分布式全自動靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由上位機、采集模塊(MCU)、系統(tǒng)軟件及相關(guān)配件組成[11-12]。采集模塊(MCU)是本系統(tǒng)的二次儀表，由穿心式壓力傳感器、溫度傳感器及相關(guān)配件組成?，F(xiàn)場測試設(shè)備如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場試驗設(shè)備

1.3 測試過程

在梁體混凝土澆筑并養(yǎng)生7～8 d后，進入預應力鋼束的張拉施工階段。在預應力鋼束未張拉前，將壓力傳感器安裝至錨具與梁端之間(僅在梁體單側(cè)放置)，進入張拉階段；在張拉過程中，每分鐘采集一次錨下預應力數(shù)值和環(huán)境溫度數(shù)值，實時監(jiān)控錨下預應力變化過程。待張拉結(jié)束3 h后，將設(shè)備調(diào)成自動采集模式，采樣頻率為每10 min一次。試驗過程如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場試驗過程

2 錨下有效預應力測試結(jié)果及時間修正

2.1 測試結(jié)果

48 h內(nèi)各束鋼絞線有效預應力隨時間及溫度的變化曲線如圖4所示。

圖4 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

從圖4可以看出：48 h內(nèi)，預應力混凝土結(jié)構(gòu)受一天內(nèi)環(huán)境溫度循環(huán)作用發(fā)生明顯的波動，因此每束鋼絞線內(nèi)有效預應力值呈周期性正弦波形曲線衰減；先張拉完成的鋼束的損失率比后張拉的鋼束大。這是由于張拉鋼束使梁體產(chǎn)生縮短變形，當后張拉的鋼束對梁體施加預應力后，梁體進一步上拱變形，導致先張拉的鋼束產(chǎn)生微小回縮，使其張拉力減小，其損失率比后張拉的鋼束大。

基于現(xiàn)場測試結(jié)果，梁體內(nèi)鋼絞線錨下有效預應力損失率基本呈對數(shù)函數(shù)形式增長，前500 min損失較大，后期逐漸趨于平緩。

2.2 施工階段預應力損失變化有限元模擬

考慮混凝土收縮徐變、鋼絞線低松弛效應、夾片回縮量、混凝土彈性變形及孔道摩阻損失等影響因素，將48 h分為10個施工階段，每個施工階段時長為0.2 d；考慮系統(tǒng)初始溫度為10 ℃，最終溫度為25 ℃，建立計算模型(圖5)，數(shù)值模擬計算結(jié)果如圖6所示。

圖5 有限元模型

圖6 有限元計算結(jié)果

將2種類型的梁體有限元計算結(jié)果取均值，同試驗測試擬合結(jié)果進行對比，取0.2 d(即288 min)為一個時間節(jié)點，將48 h試驗過程的結(jié)果整理成表2。

從表2可以看出：預應力損失率的實測值比數(shù)值分析結(jié)果大，最大相差3.43%。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，在目前預應力張拉施工過程中，規(guī)范規(guī)定的理論損失值偏小，需引起注意。

表2 試驗測試值與有限元模擬損失率變化對比

2.3 張拉結(jié)束后48 h內(nèi)時間效應修正

提取每個時間點的18根鋼絞線的損失率數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析得到損失率的95%保證率的上、下限值，見圖7。

圖7 48 h預應力損失率隨時間變化的趨勢

分別提取N1、N2、N3鋼絞線損失率，建立各束鋼絞線預應力損失變化數(shù)學回歸模型，如圖8所示。

擬合得到的N1～N3各束預應力損失率的數(shù)學模型表達式為

式中：k1～k3為各鋼絞線預應力損失率；t為張拉后經(jīng)過的時間(t>1 min)。

3 有效預應力的溫度效應修正

預應力混凝土結(jié)構(gòu)受一天內(nèi)環(huán)境溫度循環(huán)的作用會發(fā)生明顯的波動，對于晝夜溫差較大的地區(qū)，環(huán)境溫度對于預應力值的影響程度也會更大，考慮環(huán)境溫度效應的修正就具有十分重要的現(xiàn)實意義[13-17]。

圖8 鋼絞線預應力損失率變化及線性擬合結(jié)果

選取試驗梁張拉結(jié)束24 h后環(huán)境溫度最高的13點至次日13點之間的一個溫度循環(huán)(24 h)的錨下有效預應力值數(shù)據(jù)與溫度值數(shù)據(jù)，分析相關(guān)變化關(guān)系，如圖9所示。

圖9 24 h后的預應力與溫度的關(guān)系

分析圖9可以看出：在環(huán)境溫度最高時，錨下有效預應力最大；當溫度降低時，錨下有效預應力隨之減少，基本呈線性關(guān)系；錨下有效預應力變化量ΔF與溫度變化值ΔT的關(guān)系見圖10。

圖10 張拉力隨溫度變化的模型

擬合得到考慮溫度效應的錨下有效張拉力修正模型為

ΔF=0.393 9ΔT+0.047 4

(4)

4 結(jié) 語

(1)基于現(xiàn)場測試結(jié)果，通過擬合回歸得到3種類型鋼絞線預應力損失率數(shù)學模型表達式，該損失率模型呈對數(shù)函數(shù)形式變化，前500 min損失較大；分析48 h內(nèi)的不考慮溫度的預應力損失衰減規(guī)律，發(fā)現(xiàn)各鋼束間預應力值離散性隨時間的增加而增大。

(2)通過數(shù)值模擬施工階段預應力鋼絞線的變化規(guī)律，對比分析現(xiàn)場測試值和數(shù)值計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實際測試中初期預應力損失較理論值明顯偏大，隨著時間增加，損失率均有放緩增長的趨勢。

(3)損失率曲線存在周期性正弦波變化，該變化是由環(huán)境溫度變化引起的，相比時間效應對錨下預應力的影響程度，溫度對錨下有效預應力的影響較小；通過回歸擬合得到了考慮溫度效應修正的預應力變化值數(shù)學模型，可進一步對每時刻下的錨下預應力進行準確修正。