箱梁预应力瞬时损失的分析与控制

关键词：箱梁预应力线形设计

京石铁路客运专线设计最高运行速度350km/h、使用寿命100年, 设计方对箱梁的线形控制要求非常严格。对二期恒载1 6 0 k N/m~1 8 0 k N/m的3 2 m后张箱梁而言, 扣除梁体836.8t自重后预应力产生的上拱度为1 1.5 3 m m~1 1.6 4 m m, 终张拉30d上拱度最大为10.5mm, 静活载挠度最大为跨度的1/5278~1/5107, 因此对箱梁线形控制的最重要因素——施工中的预应力瞬时损失进行分析, 制订切实可行的控制措施将有效地提高箱梁质量[1,2,3,4,5,6]。

1 预应力瞬时损失的分析

1.1 预应力损失的分类

根据预应力损失的时效来分, 有瞬时损失和长期损失[1]。其中瞬时损失主要是管道摩阻σL1、锚具变形和力筋回缩σL2、台座与力筋间的温度差σL3、混凝土的弹性压缩σL4;长期损失主要是力筋的应力松弛σL5、梁体混凝土的收缩和徐变σL6。其中温度差损失是针对先张梁而言, 本文中仅讨论后张梁的预应力瞬时损失σL3, 即σL1、σL2、σL4。

1.2 管道摩阻损失的分析

后张梁每100孔要进行一次管道摩阻、锚口摩阻损失现场测试, 涿州制梁场的三次测试结果见表1, 设计方根据测试报告核算并调整了理论锚下控制应力, 从而防止计算预应力损失偏小带来结构安全隐患。

根据TB10002.3-2005, 管道摩阻损失按式1计算:

式中σL1为管道摩阻损失;σcon为锚下控制应力;θ为曲线包角;x为管道长度;µ为力筋与管道壁之间的摩擦系数;为k每m管道对其设计位置的偏差系数。

后张梁张拉时, 由于力筋与管道壁接触并沿管道滑动而产生摩擦阻力, 摩阻损失可分为弯道影响和管道走动影响两部分。显然, 曲线段比直线段的管道摩阻损失大得多。力筋过长或弯曲过多都会造成力筋的管道摩擦损失, 特别是弯曲多、弯曲半径小、弯曲角度较大的力筋, 在两端张拉时中段的有效预应力损失很大[2]。另外管道在锚口处也存在应力损失, 有力筋与锚圈口之间的摩擦、力筋在锚下垫板喇叭口处因弯折产生的摩擦[3]。

采用因素分析法对220孔箱梁的管道摩阻损失影响因素进行排查, 主要影响因素见表2。

1.3 锚具变形和力筋回缩损失的分析

由锚具变形和力筋回缩引起的应力损失按式2计算:

后张梁的管道空间曲线较复杂, 是由多段不同曲率的曲线组成的, 因此必须考虑管道壁的反向摩阻, 此时可按式3变形协调条件来分段计算:

式2, 式3中σL2为锚具变形和力缩损失;PE为力筋弹性模量;∆L2为锚具变形和力筋回缩值;L为力筋有效长度;fL为反向摩擦影响长度。

一般后张梁的力筋布置形式是“直线 (梁端) —圆曲线—直线 (跨中) ”, 以箱梁的N10力筋为例, 可用图1表示。

设0L为梁端力筋直线段长度, 反向摩擦影响终点位于圆曲线上, 由锚具变形和力筋回缩引起的梁端预应力损失按式4计算[4]:

对锚具变形和力筋回缩损失的影响因素进行排查, 主要影响因素见表3。

1.4 梁体混凝土弹性压缩损失的分析

梁体混凝土弹性压缩损失主要是由力筋分批张拉引起的。出于后张梁制梁工艺的要求, 为了避免出现早期裂纹要进行预张拉, 为了加快制梁台座利用率而移梁要进行初张拉, 最后在满足弹模、龄期、时间的要求下才进行终张拉, 先张拉的力筋相对后张拉的力筋会对梁体混凝土产生正应力。混凝土弹性压缩损失可按式5计算:

式中Pn为力筋弹性模量与混凝土弹性模量之比;Z为后张拉力筋根数;∆σC为先张拉力筋合力相对单根后张拉力筋产生的混凝土正应力, 一般取跨度1/4处应力。

对于一个混凝土受压构件来说, 在长度、压力、截面积一定的情况下, 构件的压缩变形与其弹性模量成反比, 即混凝土弹性模量越大, 梁体的压缩量就越小, ∆σC越小。由此可见, 梁体混凝土的弹性压缩损失主要取决于梁体混凝土及力筋的弹性模量、张拉顺序和张拉吨位。一般情况下, 只要终张拉时梁体的弹性模量满足设计要求, 实测弹性压缩损失往往小于设计值。

对梁体混凝土弹性压缩损失的影响因素进行排查, 主要影响因素见表4。

2 预应力瞬时损失的控制措施

2.1 管道摩阻损失的控制措施

针对表2中管道、力筋、混凝土三个方面的原因分析, 结合9600余次张拉数据的统计分析、质量问题总结, 制订了四个方面的相应控制措施。

2.1.1 正确计算伸长值

预应力施工“双控”以应力控制为主, 以伸长值作为校核, 实际伸长值与理论伸长值的差值控制在6%以内, 否则要暂停张拉查明原因。因此, 控制管道损失的前提是要正确计算伸长值, 包括理论伸长值和实际伸长值的计算。

在计算理论伸长值的过程中, 需要注意两点:伸长值和力筋长度要分段计算, 可采用定位网坐标或CAD三维绘图求长近似计算, 如果仅按设计图纸给出的伸长值, 或按图纸上所标示的曲线包角计算的话, 计算结果有1 m m~3 m m的偏差。曲线包角可理解为张拉端到计算截面管道各部分的转角绝对值之和, 要分清正负角度及曲线角度的概念;要考虑力筋的弹性模量对理论伸长值的影响。每批不大于60t的力筋都必须进行力学性能试验, 并将其弹性模量的比值反映到理论伸长值中。

假设其理论伸长值∆L0, 实测力筋弹模与设计力筋弹模之比K1, 实测管道摩阻系数与设计管道摩阻系数之比K2, 参照图2实际伸长值∆L可按式6计算。

式中∆a即两端力筋的伸长量之和, ∆b是两端力筋锚固后工具锚夹片的回缩量之和。两端伸长量相差不得超过10%, 否则说明两端张拉不同步。

2.1.2 准确定位管道

定位网片采用点焊加工, 网眼尺寸误差小于等于3mm, 按加工精度的高低分类依次有:整体加工, 即每孔梁的68道定位网提前在胎具上焊成整体, 整体放置即可;分体加工后焊接, 即分成底板、两侧腹板三部分, 在卡具上再焊成整体;分块加工后拼装, 即分成2m左右一块, 依使用部分不同分别拼装焊接。

管道定位的精度要求是距跨中4m范围内偏差小于等于4mm, 其余部位小于等于6mm。定位网安装的要求是“联结牢固、管道平顺、定位准确、绑扎牢固”, 管道定位注意的事项有:绑扎区场坪要重视地面标高控制, 做好排水设施, 防止地表下沉导致变形过大。胎卡具上的标高、间距定位要准确, 每生产10孔梁要进行一次校核;定位网的检测使用水准仪结合尺杆定位, 对N9、N10等较高位置管道使用水准仪抄高, 对低位置管道使用带刻度的尺杆配合水平尺抄高。

2.1.3 采取机械穿束

力筋下料后要保持整洁、顺直存放, 用20#匝丝每隔1m~1.5m一道绑扎编束。

穿束前先清理管道, 遇死弯凿开后要用铁皮包裹隔开再行修复。

穿束采用机械牵引、人工配合。钢束头原有处理方法是焊接后直接穿钢丝绳, 弊病较多;现场研究后改用自制穿束牵引器 (图3) , 利用锥体受力将力筋锚固, 效果较好。

2.1.4 保证混凝土工序工艺稳定

搅拌站的自动计量系统要坚持“三检”, 混凝土要搅拌均匀以保持塌落度的稳定。

混凝土灌注入模时下料要均匀, 每次振捣按混凝土所灌注的部位使用插入式振动器和相应区段上的附着式振动器, 振动棒不得碰撞橡胶抽拔棒、不得长时间停留。

混凝土灌注过程中, 指定专人检查模板、钢筋、预埋件的设置情况, 发现松动则及时拧紧, 以防模板上浮或移位造成管道偏移。

拔管在混凝土浇筑后4h~6h内自下而上进行。同时拔棒不超过3根, 拔出速度均匀, 拔出后及时清污、避免重压;每个月要检测其直径, 减少达3mm的应予以更换。

2.2 锚具变形和力筋回缩损失的控制措施

针对表2锚具变形和力筋受损两个方面的原因分析, 制订了对应控制措施如下。

避免同一孔箱梁使用不同厂家产品。同一孔箱梁所使用的工作锚、限位板和工具锚必须为同一厂家的产品, 否则锚具变形引起的应力损失非常大;弹性模量不同的力筋不得用于同一孔梁;当同一孔梁使用弹性模量相同、批次不同的力筋时, 采取两侧对称穿束。比如, 直径15.2mm的力筋对应的限位板槽深为8mm, 厂家建议力筋直径增加0.1mm槽深增加0.4mm, 即直径15.3mm的力筋一定要配套使用8.4mm的限位板。

切实执行张拉工器具使用前检验程序。千斤顶、油压表配套使用, 千斤顶标定有效期不超过一个月, 校正系数不大于1.05;油压表标定有效期不超过一周。工作夹片与工具夹片分开存放, 使用前必须检查其无裂痕、无损伤。

冬季施工搞好保温措施。北方地区冬季张拉时顶压不稳, 张拉时间长、不同步率大。建议经常清理油箱、泵体、管路, 改用46#低温液压油;未工作期间将油泵、千斤顶和油压表放置室内, 工作时油泵下用电炉加热到50℃左右。

2.3 梁体混凝土弹性压缩损失的控制措施

及时准确进行弹性模量检测。要避免因弹性模量试验时间长, 抽检试件数量少不具有代表性;并且每批进场的力筋要及时外委送检, 考虑弹性压缩损失时要计入弹模比。

定期检修模板防止梁体高厚比超标。施工中发现每套侧模制梁1 5孔时即有下沉, 导致了腹板加厚, 处理方法是在侧模下增加支撑。另外, 防止内模的整体上浮也很重要。端模的螺栓数量要足, 以便内模上浮力能传递到底模和侧模;对上浮力大的内模, 必要时在桥面上增加与侧模相连的横梁以压住内模;同时加强箱内定位销的检查, 以防内模松动下沉。

严格执行张拉设计工艺, 不得擅自改动张拉顺序, 并且按张拉前“三控”、张拉中“三控”和“三同心、两同步”进行控制。张拉时可由专人指挥, 加载时每隔0.5MPa或1.0MPa读数, 伸长值测量人员按编号报数, 尽可能保持两端、两侧同步。