預(yù)應(yīng)力張拉誤差對小箱梁力學(xué)性能影響的研究

黃遠(yuǎn)明, 唐 鵬

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 231603)

裝配式小箱梁由于其施工方便、質(zhì)量可靠、造價(jià)經(jīng)濟(jì),在橋梁工程中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。預(yù)應(yīng)力張拉作為小箱梁施工過程中的關(guān)鍵步驟,張拉質(zhì)量對小箱梁的力學(xué)性能有著決定性的影響[1-5]。而實(shí)際施工中預(yù)應(yīng)力張拉存在很多不確定的因素,如預(yù)應(yīng)力筋夾具的偏差、油表精度不夠等,都會造成預(yù)應(yīng)力張拉存在問題。此外,在多股預(yù)應(yīng)力束的復(fù)雜工程中,預(yù)應(yīng)力張拉的先后順序也會影響最終的張拉質(zhì)量,合理而又謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力的張拉工藝對保障預(yù)應(yīng)力小箱梁的性能尤為重要。

文章從理論的角度分析預(yù)應(yīng)力張拉誤差對小箱梁力學(xué)性能的影響,以及由此對小箱梁壽命的影響。

1 理論分析

裝配式小箱梁由混凝土和預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)成,預(yù)應(yīng)力筋在小箱梁內(nèi)呈曲線布置,加之箱形截面形狀不規(guī)則,分析起來較為繁瑣。文章將箱型截面等效為T型截面進(jìn)行考慮。為進(jìn)一步簡化問題表述,這里僅考慮第二類T型截面。

預(yù)應(yīng)力小箱梁的設(shè)計(jì)計(jì)算理論已較為成熟[6-7],圖1為預(yù)應(yīng)力小箱梁在跨中截面完成兩批預(yù)應(yīng)力損失后的計(jì)算簡圖,這里暫不考慮構(gòu)造鋼筋的影響,僅考慮混凝土和預(yù)應(yīng)力筋的平衡。按照此計(jì)算簡圖,可列出平衡方程:

(1)

圖1 預(yù)應(yīng)力小箱梁計(jì)算簡圖(完成預(yù)應(yīng)力損失)

其中,σp=σcon-σl為考慮張拉損失后預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力大小,σcon為張拉控制應(yīng)力,σl為考慮預(yù)應(yīng)力孔道摩擦、錨具變形、混凝土收縮徐變以及預(yù)應(yīng)力筋松弛等造成的應(yīng)力損失。

根據(jù)平截面假定以及混凝土處于彈性狀態(tài)可求得混凝土的應(yīng)力狀態(tài)。通過分析最下緣的混凝土壓應(yīng)力σpcII,其計(jì)算公式如式(2):

(2)

其中,An,In分別為扣除預(yù)應(yīng)力孔道后混凝土箱型截面的面積和慣性矩;e0為預(yù)應(yīng)力筋的偏心距。

由式(1)、式(2)可見,小箱梁截面的邊緣壓應(yīng)力由預(yù)應(yīng)力筋的張拉水平控制,即預(yù)應(yīng)力越大,截面邊緣的壓應(yīng)力越大。

圖2為開裂時(shí)的混凝土小箱梁的計(jì)算簡圖。此處認(rèn)為箱梁開裂時(shí)的邊緣應(yīng)力恰好達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度ft。此外,在整個(gè)過程中截面保持彈性受力狀態(tài),可以計(jì)算得到開裂所需要的彎矩為:

Mcr=(ft+σpcII)W0

(3)

其中,W0為考慮預(yù)應(yīng)力筋的等效截面的抗彎模量。

由式(3)可見,小箱梁截面的開裂彎矩隨著截面邊緣的壓應(yīng)力的增大而增大?？紤]到應(yīng)力張拉水平控制邊緣壓應(yīng)力,從而可得出,小箱梁截面的開裂彎矩隨著預(yù)應(yīng)力張拉水平的增大而增大。

圖2 預(yù)應(yīng)力小箱梁計(jì)算簡圖(開裂前)

圖3 預(yù)應(yīng)力小箱梁計(jì)算簡圖(開裂后)

∑N=0?αfcb1t1+αfcb2(x-t1)=fpAp

(4)

(5)

其中參數(shù)如圖3所示。

由于式(1)和式(2)中并未出現(xiàn)張拉控制應(yīng)力項(xiàng),因而張拉應(yīng)力水平并不會影響小箱梁的抗彎承載力。

從上述3個(gè)階段分析可見,預(yù)應(yīng)力的施加并不會增加截面的抗彎承載力,但預(yù)應(yīng)力會顯著改善截面的開裂狀況。因而,在小箱梁施工過程中,預(yù)應(yīng)力的張拉誤差并不會改變截面的最終承載力,但是張拉誤差的存在會對小箱梁的開裂情況產(chǎn)生重要的影響。

對于張拉不足的情況,在使用荷載下會使梁底提前出現(xiàn)裂縫;對于過張拉(與超張拉不同,這里指損失后的預(yù)應(yīng)力仍大于設(shè)計(jì)值)的情況,可能會在小箱梁的其他部位造成預(yù)料之外的裂縫。此外,由于橋梁結(jié)構(gòu)大都會暴露在外界環(huán)境中,由開裂造成的后續(xù)反應(yīng)如化學(xué)腐蝕等將會對小箱梁的力學(xué)性能產(chǎn)生極其嚴(yán)重的影響。因此,在實(shí)際施工中,預(yù)應(yīng)力的張拉誤差需要嚴(yán)格控制。

2 小箱梁張拉控制

小箱梁的張拉控制對小箱梁的力學(xué)性能起到?jīng)Q定性的作用,在實(shí)際工程中需要對預(yù)應(yīng)力筋的張拉進(jìn)行設(shè)計(jì),具體包括預(yù)應(yīng)力筋的張拉應(yīng)力計(jì)算、預(yù)應(yīng)力筋的張拉順序[8-9]。預(yù)應(yīng)力筋的張拉應(yīng)力計(jì)算應(yīng)當(dāng)考慮到孔道摩擦、混凝土徐變、預(yù)應(yīng)力筋松弛以及錨具的彈性變形等造成的預(yù)應(yīng)力損失。

圖4 張拉順序優(yōu)化流程

由于小箱梁的預(yù)應(yīng)力筋較多,不同的張拉順序會影響最終的張拉結(jié)果,因而需要在張拉前期進(jìn)行計(jì)算分析以確定合理的張拉順序。具體的計(jì)算分析可以借助有限元軟件如ANASYS, Midas來實(shí)現(xiàn)[10]。在張拉順序優(yōu)化時(shí),僅僅考慮單根預(yù)應(yīng)力筋的張拉應(yīng)力誤差對于整個(gè)小箱梁的力學(xué)性能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。一般而言,需要綜合考慮不同張拉順序造成的預(yù)應(yīng)力損失,頂?shù)装鍛?yīng)力以及跨中撓度的變化等目標(biāo)來對張拉順序進(jìn)行優(yōu)化。圖4給出了一般的張拉優(yōu)化順序流程,這個(gè)流程可以通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)。

除了在小箱梁施工前期進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算分析來控制張拉應(yīng)力,近些年隨著施工工藝的不斷發(fā)展,智能張拉系統(tǒng)在小箱梁的預(yù)應(yīng)力張拉控制上得到越來越廣泛的應(yīng)用,使得預(yù)應(yīng)力張拉得到了較好的控制[11-12]。圖5給出了智能張拉系統(tǒng)的示意圖,在整個(gè)張拉過程中,智能張拉系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制油泵運(yùn)行,系統(tǒng)通過傳感器(圖中所示的智能前端和伸長量測量傳感器)采集每臺千斤頂?shù)墓ぷ鲏毫σ约邦A(yù)應(yīng)力筋的伸長量,這些數(shù)據(jù)反饋到智能張拉系統(tǒng)進(jìn)行評估以實(shí)時(shí)調(diào)整張拉狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)了張拉過程的精確控制。整套系統(tǒng)具有精度高、效率高、智能監(jiān)控等特點(diǎn)。

圖5 預(yù)應(yīng)力小箱梁智能張拉系統(tǒng)

3 結(jié) 論

通過計(jì)算不同階段預(yù)應(yīng)力對小箱梁的力學(xué)性能的影響以及考察具體的施工過程,得到的結(jié)論如下:① 預(yù)應(yīng)力的張拉水平不會改變小箱梁的抗彎承載力,但會對小箱梁的使用性能如剛度、抗裂性產(chǎn)生影響。② 張拉不足的小箱梁在使用荷載下會在梁底提前出現(xiàn)裂縫,而過張拉的小箱梁則會出現(xiàn)預(yù)料之外的裂縫,這些裂縫的產(chǎn)生會加速小箱梁內(nèi)部的腐蝕,從而嚴(yán)重影響小箱梁的使用壽命。③ 張拉控制對小箱梁的使用壽命產(chǎn)生很大的影響,需要在施工階段慎重考慮預(yù)應(yīng)力筋的張拉順序優(yōu)化。④ 在施工中采取智能張拉控制系統(tǒng)有利于提高張拉控制的精度,可以保證小箱梁的力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求。