自平衡預(yù)應(yīng)力中空管預(yù)應(yīng)力特性研究

邱興友 謝鵬飛

(1.浙江樂清灣大橋及接線工程建設(shè)指揮部，浙江 臺(tái)州 317600； 2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

1 概述

預(yù)應(yīng)力技術(shù)自誕生就獲得了巨大的發(fā)展，目前預(yù)應(yīng)力混凝土已成為國(guó)內(nèi)外土建工程中重要的結(jié)構(gòu)材料，并用以處理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工中用常規(guī)技術(shù)難以解決的疑難問題。近二三十年來，我國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁發(fā)展迅速，無論在橋型、跨度以及施工方法與技術(shù)方面都有突破性進(jìn)展，不少預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的修建技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

在實(shí)際工程中，預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用還存在很多問題，例如短束預(yù)應(yīng)力問題。高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋由于施工工藝簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便而得到廣泛使用，但在鋼筋施工中，由于對(duì)其錨固過程中的應(yīng)力損失常常不能有效控制，故造成一些混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力不能滿足設(shè)計(jì)要求甚至失效，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較多病害。根據(jù)相關(guān)資料[1]，目前預(yù)應(yīng)力技術(shù)需要對(duì)以下兩個(gè)問題進(jìn)行改進(jìn)：一是短段構(gòu)件預(yù)應(yīng)力難以施加預(yù)應(yīng)力；二是預(yù)應(yīng)力在張拉后均不能移動(dòng)。針對(duì)短束預(yù)應(yīng)力的以上問題，提出了自平衡預(yù)應(yīng)力中空管技術(shù)。

2 先張自平衡預(yù)應(yīng)力中空管介紹

自平衡預(yù)應(yīng)力中空管主要通過對(duì)中空管內(nèi)的反力棒施加壓力從而使中空管受拉，達(dá)到儲(chǔ)存預(yù)應(yīng)力的目的，當(dāng)預(yù)應(yīng)力管埋入混凝土后，釋放反力棒，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土施加預(yù)應(yīng)力。由于預(yù)應(yīng)力中空管依靠與混凝土的粘結(jié)力自錨，可以大大減小錨具變形損失，因此可以應(yīng)用在短預(yù)應(yīng)力束上。

自平衡預(yù)應(yīng)力中空管施工工藝屬先張法，在加工廠內(nèi)預(yù)先施加預(yù)應(yīng)力，不需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行張拉施工控制，預(yù)應(yīng)力數(shù)值準(zhǔn)確可靠,不需要實(shí)施預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)的壓漿，減輕了現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)時(shí)間,在施工現(xiàn)場(chǎng)不需要使用反力架和大型千斤頂,可以和鋼筋一樣運(yùn)輸和布置,由于沒有安裝時(shí)造成的預(yù)應(yīng)力損失，即使對(duì)于很短的混凝土構(gòu)件也能夠有效施加預(yù)應(yīng)力，綜上可見，先張自平衡預(yù)應(yīng)力中空管兼具了以往的先張法和后張法的優(yōu)點(diǎn)，能有效地施加短鋼束的永存預(yù)應(yīng)力，是具有重要意義的預(yù)應(yīng)力施工方法。

針對(duì)自平衡與應(yīng)力中空管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作用機(jī)理，本文對(duì)自平衡預(yù)應(yīng)力中空管的應(yīng)力存儲(chǔ)有效性及作用于混凝土的效應(yīng)進(jìn)行研究。

3 自平衡預(yù)應(yīng)力中空管應(yīng)力存儲(chǔ)有效性

根據(jù)自平衡預(yù)應(yīng)力中空管的施工工藝，需要對(duì)中空管施加預(yù)應(yīng)力之前的預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)存效果進(jìn)行評(píng)估。主要包括以下兩個(gè)方面:張拉階段經(jīng)過“張拉—鎖定”工藝后中空管預(yù)應(yīng)力存儲(chǔ)的有效性；張拉完畢后一段時(shí)間內(nèi)，完成應(yīng)力松弛后中空管預(yù)應(yīng)力存儲(chǔ)的有效性。

為研究上述問題，對(duì)5組自平衡預(yù)應(yīng)力中空管進(jìn)行了試驗(yàn)。

本項(xiàng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)張拉力為25 t，采用超張拉值為27 t(1.08倍)，試驗(yàn)主要分為三個(gè)試驗(yàn)階段，分別為張拉階段、應(yīng)力松弛階段和卸載階段。其中張拉階段是為了通過“張拉—鎖定”的過程，檢驗(yàn)鎖定工藝對(duì)中空管預(yù)應(yīng)力的影響；應(yīng)力松弛階段是通過一段時(shí)間的間斷性測(cè)試，觀察松弛引起的中空管應(yīng)力變化；卸載階段主要是為了準(zhǔn)確得到自平衡預(yù)應(yīng)力中空管松弛后的應(yīng)力水平，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由結(jié)果可知，張拉過程中各組試驗(yàn)結(jié)果離散性很小，平均應(yīng)力與超張拉理論值基本吻合，卸載過程會(huì)產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力損失，但預(yù)應(yīng)力損失數(shù)值較小，且卸載后的應(yīng)力值大于設(shè)計(jì)值，滿足設(shè)計(jì)要求。

在放置了若干天中空管應(yīng)力松弛基本穩(wěn)定后，再次進(jìn)行中空管的應(yīng)力測(cè)量，結(jié)果見圖2。由圖2可知，自平衡預(yù)應(yīng)力中空管張拉完畢后，中空管發(fā)生了應(yīng)力松弛，產(chǎn)生了一定的應(yīng)力損失，但應(yīng)力松弛后能夠保證中空管的預(yù)應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)值要求，說明27 t(1.08倍)的超張拉值是能夠滿足設(shè)計(jì)和施工需求的。

4 自平衡預(yù)應(yīng)力中空管混凝土作用效果

分析預(yù)應(yīng)力中空管中儲(chǔ)存的預(yù)應(yīng)力傳遞到混凝土的效果，主要分析應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度及構(gòu)件錨固區(qū)的應(yīng)力分布。為研究上述內(nèi)容，進(jìn)行了精細(xì)的有限元模擬，其中錨固區(qū)應(yīng)力分布主要模擬部位為腹板的豎向預(yù)應(yīng)力。

4.1 傳遞長(zhǎng)度

建立自平衡預(yù)應(yīng)力中空管和混凝土的實(shí)體有限元模型，混凝土截面尺寸210 mm×600 mm，墊板直徑120 mm，中空管張拉力為25 t，中空管與混凝土之間采用非線性接觸分析，有限元模型及結(jié)果見圖3及圖4。

從應(yīng)力分布情況來看，中空預(yù)應(yīng)力中空管通過端部位置的錨具將預(yù)應(yīng)力傳遞到混凝土上，試件兩端部分混凝土局部受壓。該傳力方式與常用的預(yù)應(yīng)力鋼筋的傳力方式類似,根據(jù)有限元模擬的結(jié)果，傳遞長(zhǎng)度約為500 mm。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，先張法構(gòu)件預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度ltr應(yīng)按下列公式計(jì)算:

按照規(guī)范，對(duì)于光面中空預(yù)應(yīng)力中空管，采用C50混凝土，設(shè)計(jì)張拉力為25 t時(shí)，傳遞長(zhǎng)度約為440 mm，有限元模擬結(jié)果與按規(guī)范計(jì)算結(jié)果相近。

4.2 錨固區(qū)應(yīng)力分布

為模擬腹板構(gòu)件中上下翼緣板的作用，對(duì)試件端部尺寸進(jìn)行放大，端部截面尺寸為660 mm×600 mm，中部截面尺寸為490 mm×600 mm，中空管中心間距210 mm，墊板直徑為120 mm，中空管張拉力為25 t。參照相關(guān)研究[3,4，本次模擬共分析了7條應(yīng)力路徑的縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力的分布情況，如圖5所示，路徑S1～路徑S5分別距離錨固端50 mm,100 mm,150 mm,200 mm,310 mm，路徑S6沿中空管軸向分布，S7位于兩中空管軸線之間。

從路徑S1～S5縱向應(yīng)力結(jié)果可以看出，構(gòu)件端部縱向預(yù)應(yīng)力沿橫向的分布規(guī)律基本一致，在中空管軸線位置出現(xiàn)波峰，呈現(xiàn)中間大兩邊小的趨勢(shì)。從路徑S6，S7結(jié)果可以看出，縱向應(yīng)力沿縱向的分布呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，并且應(yīng)力的變化幅度沿縱向逐漸降低，并在路徑S5處基本平穩(wěn)，此時(shí)截面距端部約為1.0倍端截面高度(認(rèn)為單個(gè)中空管構(gòu)件的有效截面高度為330 mm),平穩(wěn)應(yīng)力約1.8 MPa，與理論計(jì)算值相近，峰值應(yīng)力4.5 MPa，約為平穩(wěn)應(yīng)力的2.5倍，應(yīng)力最大值位置距離端部約1倍墊板直徑，見圖6。

從路徑S1～S4結(jié)果橫向應(yīng)力結(jié)果可以看出，構(gòu)件端部橫向應(yīng)力沿橫向出現(xiàn)壓應(yīng)力與拉應(yīng)力的交替變化，在中空管軸線兩側(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力，且沿縱向拉應(yīng)力的范圍逐漸增大，但拉應(yīng)力峰值逐漸降低，從路徑S6結(jié)果可以看出，混凝土橫向應(yīng)力沿中空管軸向的應(yīng)力分布規(guī)律為“壓應(yīng)力—拉應(yīng)力”，最大壓應(yīng)力約2.2 MPa，出現(xiàn)在錨墊板下方，最大拉應(yīng)力約為0.5 MPa，最大拉應(yīng)力截面位置距端部約為0.3倍截面高度，從路徑S7結(jié)果可以看出，混凝土橫向應(yīng)力沿兩中空管軸線中間的應(yīng)力分布為“拉應(yīng)力—壓應(yīng)力—拉應(yīng)力”，最大拉應(yīng)力約為1.2 MPa，出現(xiàn)在端截面，最大壓應(yīng)力約為1.1 MPa，最大壓應(yīng)力截面位置距端部約為0.3倍截面高度，另外從S6，S7的結(jié)果可以看出，約1倍截面高度以后，混凝土的橫向應(yīng)力分布基本為0，見圖7。

5 結(jié)語

通過對(duì)自平衡與應(yīng)力中空管進(jìn)行試驗(yàn)研究和有限元模擬，得到以下結(jié)論：

1)自平衡預(yù)應(yīng)力中空管在鎖定工藝和應(yīng)力松弛的影響下，會(huì)產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力損失，通過1.08倍設(shè)計(jì)張拉力的超張拉值，可以保證中空管的應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)和施工要求。

2)自平衡預(yù)應(yīng)力中空管的傳遞長(zhǎng)度可參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相應(yīng)規(guī)定的計(jì)算結(jié)果。

3)自平衡預(yù)應(yīng)力中空管作用于混凝土構(gòu)件后，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件端部縱向及橫向應(yīng)力分布不均勻，影響范圍約為1倍截面高度。

4)單根中空管作用下，橫向及橫向應(yīng)力最值均出現(xiàn)在中空管軸線截面上，縱向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在距端截面約0.5倍截面高度處，橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)在距端截面約0.3倍截面高度處，兩根中空管之間也會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力作用，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在端截面上。

[1] 邢 軍.短預(yù)應(yīng)力錨束低回縮量控制技術(shù)研究[D.長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2013.

[2] GB 50010—2011，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 楊寶棟.預(yù)應(yīng)力混凝土錨下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與試驗(yàn)研究[D.柳州：廣西科技大學(xué),2013.

[4] 張文獻(xiàn),朱 紅,金叔陽,等.預(yù)應(yīng)力錨下混凝土局部承壓橫向應(yīng)力的分布規(guī)律[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,29(8):1187-1191.