預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋跨結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失的影響因素分析

邢曉東，牟雨龍，張康榮，郭迎旗

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048）

引言

我國預(yù)應(yīng)力橋梁建設(shè)已經(jīng)大范圍應(yīng)用于大跨橋梁中，其超強(qiáng)的撓度控制力能夠使橋跨結(jié)構(gòu)跨中部位的撓度值降到最小，因此可以施作跨度更大的橋梁結(jié)構(gòu)。在實(shí)際工程中，涌現(xiàn)出多種預(yù)應(yīng)力張拉施工措施，無論在簡支梁還是連續(xù)梁中都得到廣泛應(yīng)用。在這個基礎(chǔ)上，對于橋跨結(jié)構(gòu)施加的預(yù)應(yīng)力大小逐漸成為一項(xiàng)重要技術(shù)內(nèi)容，因?yàn)閷τ诓煌h(huán)境下不同受荷情況的橋梁，需要匹配大小不同的預(yù)應(yīng)力，以抵消在橋跨施工完成后形成的自重荷載及其他橋面荷載所產(chǎn)生的撓度，使得橋梁在水平面上剛好水平。這種技術(shù)要求對工程難度和計算高度都提出了更高要求，然而近些年來，在大型大跨度橋梁檢測過程中發(fā)現(xiàn)，許多橋跨均出現(xiàn)不同程度的變形問題，有的跨中撓度已經(jīng)超過撓度允許值，不得不采用后期加固的方式進(jìn)行變形控制。究其原因還是在預(yù)應(yīng)力施加后，出現(xiàn)了不斷損失的現(xiàn)象。隨著橋跨預(yù)應(yīng)力不斷損失，原來設(shè)計的預(yù)應(yīng)力值開始失去抵抗橋跨荷載帶來的豎向應(yīng)力，從而不斷出現(xiàn)撓度擴(kuò)大。預(yù)應(yīng)力損失問題已成為橋梁工程中一個亟待解決的重要技術(shù)問題。

1 工程概況

臺城河特大橋中心樁號K0+743.5，主橋跨徑組合為70 m +120 m +70 m；南引橋橋跨組合為3×25 m+(35+45+35) m+(10×23.7+6×25) m，其中第二聯(lián)上跨S274，采用35 m+45 m+35 m 等截面現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，其余采用先簡支后橋面連續(xù)小箱梁。現(xiàn)澆段為3#～6#橋墩，橋墩采用方柱墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。所需預(yù)應(yīng)力張拉材料使用鋼絞線進(jìn)行，箱梁斷面結(jié)構(gòu)及澆筑分倉情況見圖1。預(yù)應(yīng)力鋼絞線需滿足箱梁混凝土強(qiáng)度、彈性模量達(dá)到設(shè)計規(guī)定時進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉施工。

圖1 箱梁斷面結(jié)構(gòu)及分倉澆筑

為保證預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉順利，并將施加的預(yù)應(yīng)力準(zhǔn)確傳遞至整根梁段，每根孔道需要做摩阻測試，同時時刻關(guān)注壓力表讀數(shù)和張拉時鋼絞線情況，張拉結(jié)束禁止用電弧進(jìn)行切割，需要保證預(yù)應(yīng)力全部傳入梁體中，不能有松勁現(xiàn)象。此外，對于封端混凝土及時進(jìn)行施工，鋼絞線外露時間不宜過長，否則容易發(fā)生銹蝕，同樣影響預(yù)應(yīng)力傳遞。

2 預(yù)應(yīng)力控制分析

2.1 預(yù)應(yīng)力張拉理論計算 在各項(xiàng)準(zhǔn)備工作整理好的基礎(chǔ)上，開始進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的計算。對于本工程箱梁的鋼絞線張拉，需結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際和設(shè)計規(guī)范規(guī)定進(jìn)行，其平均張拉力為

其中，pp為鋼鉸線的平均張拉力，N；P 為預(yù)應(yīng)力筋張拉端的張拉力，N；x 為從張拉端至計算截面的孔道長度，m；θ 為從張拉端至計算截面曲線孔道部分切線的夾角之和，rad；k 為孔道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù)；μ 為預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁的摩擦系數(shù)。

由式(1)能夠得到現(xiàn)澆連續(xù)箱梁的鋼絞線預(yù)應(yīng)力張拉平均張拉力大小。利用這個數(shù)值來進(jìn)行理論推算，可以很好地指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)際施工情況，便于隨時掌握預(yù)應(yīng)力張拉值，以進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

由于實(shí)際張拉工程都需要采用雙控進(jìn)行[1]，即應(yīng)力控制和伸長量控制。故在鋼絞線張拉力的計算基礎(chǔ)上，還需對張拉后的鋼絞線的伸長值做準(zhǔn)確把控，過長過短都不能達(dá)到理想效果。利用材料力學(xué)原理：

式中，pp為鋼鉸線的平均張拉力，N；L 為鋼鉸線的長度，mm；Ap為鋼鉸線的截面積，mm2；Ep為鋼鉸線的彈性模量，N/mm2。

通過式（2）可以直接計算出鋼絞線的理論伸長值ΔL，再根據(jù)實(shí)際伸長情況，予以對比得出符合工程特性的伸長值要求。實(shí)際伸長值往往由兩部分構(gòu)成，這是理論值無法計算到的部分，即初始應(yīng)力作用下的伸長值和相鄰材料作用影響下的疊加伸長值，這二者共同構(gòu)成實(shí)際伸長情況。伸長量的計算過程是準(zhǔn)確把握預(yù)應(yīng)力施加的逐步動態(tài)過程，通過伸長情況與應(yīng)力增量情況能夠不斷反映出材料特性，對后期預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)損失提供有效數(shù)據(jù)支持。大量工程預(yù)應(yīng)力張拉實(shí)際已經(jīng)證實(shí)：如果沒有對張拉力的一個定量把握和對鋼絞線伸長值的判斷，張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線將是危險的[2]，預(yù)應(yīng)力張拉完畢后的結(jié)構(gòu)本身就已經(jīng)開始做預(yù)應(yīng)力損失的逐步遞增態(tài)勢。基于該認(rèn)識，作為預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆連續(xù)箱梁的預(yù)應(yīng)力損失的源頭即是張拉前的應(yīng)力變形控制。

2.2 鋼絞線孔道壓漿摩阻分析 在完成預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉以后，迅速進(jìn)行孔道壓漿工藝。這步工作的主要目的是盡快完成鋼絞線的預(yù)應(yīng)力傳遞，使鋼絞線與箱梁結(jié)構(gòu)本體連成一體。這個過程中會出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的損失，因?yàn)樵趬簼{封孔時，其二者接觸的摩阻力是一個變量，即摩阻Fμ不是常量，而是關(guān)于孔道夾角θ 的函數(shù)。基于這樣的認(rèn)識，現(xiàn)行橋梁規(guī)范有關(guān)孔道壓漿的計算公式就存在不足，因?yàn)樵谝?guī)范公式中將孔道壓漿摩阻作為定值取用，而事實(shí)上該值是變量。根據(jù)國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)推導(dǎo)出的結(jié)果，壓漿與預(yù)應(yīng)力鋼絞線之間的摩阻的接觸應(yīng)力大致有：二次曲線、余弦函數(shù)及指數(shù)函數(shù)等關(guān)系[3]，其推導(dǎo)出的摩阻Fμ是一條二次曲線，其數(shù)學(xué)描述為

式中，T 為張拉力，N；p（θ）為壓漿與預(yù)應(yīng)力鋼絞線的接觸應(yīng)力；R 為孔道接觸面曲率半徑；α 為接觸角。

基于式(3)，可以明確壓漿摩阻與張拉力、接觸應(yīng)力以及接觸角和曲率半徑均有關(guān)系，這些條件不同，則會直接影響壓漿摩阻力的變化。而孔道摩阻力的變化，會抵消掉一部分已經(jīng)施加的預(yù)應(yīng)力。因此在施工工藝完成時，就會出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力已經(jīng)丟失的情況。根據(jù)這個公式，假設(shè)在不同的孔道夾角θ 中，實(shí)際摩阻與規(guī)范計算摩阻的對比結(jié)果見表1。

表1 壓漿摩阻實(shí)際與規(guī)范對比值

表1 結(jié)果顯示，實(shí)際摩阻值大于規(guī)范計算值，驗(yàn)證了規(guī)范方式計算的孔道壓漿產(chǎn)生的摩阻比實(shí)際偏小。并且隨著夾角的增大，二者的差距逐漸增大；同時在夾角越大時，規(guī)范計算結(jié)果與實(shí)際值相差也越大，用規(guī)范計算的結(jié)果不能指導(dǎo)實(shí)際施工。此外，規(guī)范值與實(shí)際摩阻值在任一夾角情況下都不相等。這說明做孔道壓漿的摩阻力分析，規(guī)范給出的計算值過于保守，在實(shí)際工程中將給預(yù)應(yīng)力損失帶來較大的影響，不能直接套用。

3 預(yù)應(yīng)力損失影響因素

3.1 摩阻力 對于預(yù)應(yīng)力損失的判斷至關(guān)重要，通過上述分析不難發(fā)現(xiàn)，從預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉完成后的孔道壓漿開始，預(yù)應(yīng)力就面臨損失的風(fēng)險。而在大量實(shí)際工程中，預(yù)應(yīng)力的孔道壓漿摩阻力的計算基于規(guī)范值進(jìn)行控制[4]，這就加大了預(yù)應(yīng)力損失的速率和數(shù)量。壓漿摩阻的存在是預(yù)應(yīng)力損失的首要影響因素。

3.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力松弛 應(yīng)力松弛是金屬材料在受到預(yù)先施加的力作用后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生錯位，而使原有的預(yù)應(yīng)力減少的一種現(xiàn)象。在材料原理上表征為其彈性變形轉(zhuǎn)化為一部分塑性變形。它是一種長期微觀上的反應(yīng)，無法從施工本身予以控制。對于橋梁大跨結(jié)構(gòu)，動輒百年的大型工程，松弛效應(yīng)對預(yù)應(yīng)力造成的損失也是不可忽視的。

在既有的研究中，對于混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力認(rèn)識主要依據(jù)是Bazant[5]提出的用老化系數(shù)來考慮的齡期調(diào)整有效模量法進(jìn)行應(yīng)力松弛的表征，即

式中，χ（t，t0）即是老化系數(shù)，其取值范圍為0.5<χ（t，t0）<1；E（t）則是考慮隨時間變化的齡期調(diào)整有效模量；σc為鋼絞線的預(yù)應(yīng)力；τ 為混凝土的加載齡期，時間為天；φ（t，t0）為混凝土徐變系數(shù)。

通過式(4)考慮的應(yīng)力松弛，從某種意義上講也僅是單獨(dú)考慮了預(yù)應(yīng)力鋼絞線的因素。實(shí)際現(xiàn)澆連續(xù)箱梁在施工完成進(jìn)入服役階段，會經(jīng)歷各種結(jié)構(gòu)耐久度的考驗(yàn)，并會因結(jié)構(gòu)混凝土自身的材料性能變化帶來鋼絞線的材料性質(zhì)變化，這體現(xiàn)于橋跨結(jié)構(gòu)的收縮徐變效應(yīng)，混凝土徐變導(dǎo)致鋼絞線的預(yù)應(yīng)力被消耗，出現(xiàn)除式(4)自身預(yù)應(yīng)力累計外，還有混凝土徐變效應(yīng)帶來的疊加預(yù)應(yīng)力累計。這些應(yīng)力累計都會抵消掉原有的預(yù)應(yīng)力鋼絞線的設(shè)計預(yù)應(yīng)力值。因此，作為預(yù)應(yīng)力損失的一個重要源頭，鋼絞線的應(yīng)力松弛需要在材料中注意復(fù)合考慮[6]。作為大跨橋梁，可在預(yù)應(yīng)力鋼絞線中加入活性成分，延長材料本身的應(yīng)力保有壽命，從而盡最大可能延緩應(yīng)力松弛的到來，為工程質(zhì)量帶來保證。

3.3 結(jié)構(gòu)混凝土收縮徐變 上述節(jié)次已經(jīng)分析到橋跨結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失的一個重要因素是鋼絞線的應(yīng)力松弛，在這個基礎(chǔ)上并存的是結(jié)構(gòu)本身的收縮徐變問題[7]。混凝土收縮徐變會對結(jié)構(gòu)物內(nèi)部預(yù)設(shè)的預(yù)應(yīng)力造成影響，直接導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力的損失。

以臺城河特大橋連續(xù)箱梁為例，假設(shè)正常預(yù)應(yīng)力施加情況下沒有發(fā)生任何損失，以橋梁結(jié)構(gòu)正常服役3年計算，得出圖2 中橋跨預(yù)應(yīng)力隨服役時間變化的預(yù)應(yīng)力損失關(guān)系曲線。

通過圖2 進(jìn)行符合工程實(shí)際的推算，在考慮混凝土收縮徐變因素后，橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失量遠(yuǎn)大于常規(guī)計算值，并且高于98%的置信區(qū)間，這說明從混凝土結(jié)構(gòu)耐久性上來說，徐變帶來的預(yù)應(yīng)力損失的影響是必然的，比計算值高很多，并且考慮結(jié)構(gòu)正常受載服役前3 年，結(jié)構(gòu)承載能力的預(yù)應(yīng)力在前期趨于一致；而在第3 年開始明顯上升，在服役時間達(dá)到1 000 d 左右時，橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失將達(dá)到230 MPa 左右，對比計算值增量約為100 MPa。這個結(jié)果足夠說明混凝土徐變對預(yù)應(yīng)力損失的影響之大。

圖2 預(yù)應(yīng)力先交連續(xù)箱梁橋結(jié)構(gòu)混凝土徐變對預(yù)應(yīng)力損失變化

通過對臺城河特大橋連續(xù)箱梁橋跨預(yù)應(yīng)力損失的模擬推算可知，結(jié)構(gòu)混凝土徐變是不可避免的，這在本質(zhì)上是混凝土材料的固有特性，無法克服。但隨著服役時間的延長，這種徐變效應(yīng)呈現(xiàn)不斷遞增的趨勢，這個情況是可以加以控制的。在工程上來說，前期施工如能把握這個特點(diǎn)，就應(yīng)結(jié)合橋跨的跨度和施工荷載的疊加情況，采用加密配置預(yù)應(yīng)力筋或各種復(fù)合加筋材料進(jìn)行共同承載，以減少徐變效應(yīng)帶來的橋跨結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失。

4 結(jié)論

本文分析了預(yù)應(yīng)力連續(xù)現(xiàn)澆箱梁施工后橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生的預(yù)應(yīng)力損失的問題，著重分析了影響預(yù)應(yīng)力損失的幾大因素，得出以下結(jié)論。

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)橋梁的預(yù)應(yīng)力施加體系需要做好事前控制，從張拉結(jié)束開始，預(yù)應(yīng)力鋼絞線就已經(jīng)開始損失預(yù)應(yīng)力，這是由于孔道壓漿帶來的必然結(jié)果。

（2）由于鋼絞線與橋跨結(jié)構(gòu)物本體之間的摩擦角度并非固定值，因此按照摩擦角計算的接觸應(yīng)力是變量，規(guī)范計算時將其看作常數(shù)是不妥的，與實(shí)際工程相差較大。

（3）基于橋梁結(jié)構(gòu)長期服役的特征，發(fā)現(xiàn)鋼絞線應(yīng)力松弛效應(yīng)和混凝土收縮徐變特性是影響橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失的重要影響因素，在施工過程中可以作加布筋或復(fù)合加筋材料進(jìn)行有效控制，最大程度減少預(yù)應(yīng)力損失。