淺析先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁

1、淺析先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁摘要：通過(guò)吳江市中山北路跨蘇州繞城高速公路大橋跨徑為24米先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁的施工，為保證梁體安裝就位后底面平整度，對(duì)空心板的反拱度進(jìn)行了理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量，分析了反拱度理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)測(cè)量值之間產(chǎn)生差異的因素，為空心板梁施工中的反拱度控制提供科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：反拱度；控制應(yīng)力；有效應(yīng)力；測(cè)量方法；放張強(qiáng)度；彈性模量；齡期；先張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件因其工藝和力學(xué)特點(diǎn)，不可避免的將產(chǎn)生向上的反拱度，反拱值的大小既是反映預(yù)應(yīng)力施加是否合理、超限或不足的指標(biāo)，也是可間接反映梁體混凝土施工質(zhì)量控制好壞的指標(biāo)，但如果反拱值偏差過(guò)大可導(dǎo)致下列情況的出現(xiàn)：首先會(huì)使同一跨板

2、梁之間在梁底平面上產(chǎn)生高差錯(cuò)臺(tái)，影響橋梁外形美觀，其次會(huì)直接影響橋面鋪裝層的厚度，橋面鋪裝層厚度不足會(huì)降低橋梁的安全性能和耐久性，嚴(yán)重的會(huì)因此修改設(shè)計(jì)，調(diào)整橋面高程時(shí)，既增加結(jié)構(gòu)的自重，又造成浪費(fèi)，有鑒于此，先張法預(yù)應(yīng)力構(gòu)件施工時(shí)對(duì)反拱度進(jìn)行有效的控制是有重大的現(xiàn)實(shí)意義的。先張法預(yù)應(yīng)力構(gòu)件生產(chǎn)工藝過(guò)程及反拱度產(chǎn)生的原因簡(jiǎn)析如下：先張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件一般是在專門的長(zhǎng)線臺(tái)座上進(jìn)行施工的，在澆筑梁體混凝土前將鋼絞線臨時(shí)固定在臺(tái)座上進(jìn)行張拉，然后綁扎鋼筋并立模澆筑混凝土，待梁體混凝土達(dá)到一定的齡期和強(qiáng)度（兩者之積即所謂的混凝土成熟度），放松并切斷鋼絞線，通過(guò)鋼絞線與混凝土之間的粘結(jié)力，使混凝土獲得有

3、效的預(yù)加力Ny，在預(yù)加力Ny及預(yù)加力產(chǎn)生的偏心彎矩My=Nyey(ey為下緣鋼絞線中心到梁體截面換算中性軸的距離，所謂偏心距)作用下，構(gòu)件的下緣各點(diǎn)均受壓，上緣各點(diǎn)均受拉，從而產(chǎn)生向上的反拱度f(wàn)my，它是在偏心預(yù)加力Ny作用下引起的。下面通過(guò)吳江市中山北路跨蘇州繞城高速公路大橋24米先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁的施工時(shí)，對(duì)構(gòu)件反拱度理論值計(jì)算所作的算例，來(lái)說(shuō)明先張法預(yù)應(yīng)力構(gòu)件理論反拱度的計(jì)算方法及過(guò)程。一、算例基本資料：中板梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑為L(zhǎng)=23.96m，計(jì)算跨徑為L(zhǎng)0=23.452m，底寬為B=99cm，梁高為h=110cm，中板底部s15.20mm鋼絞線共17根，鋼絞線中心到梁底距離為4.5c

4、m，底部20mm螺紋鋼2根，鋼筋中心到梁底距離為4.5cm，頂部16mm螺紋鋼4根，鋼筋中心到頂面距離為3cm，鋼絞線彈性模量Ey=1.95105MPa，C50砼彈性模量Eh=3.5104MPa，螺紋鋼彈性模量Eg=2.0105MPa，螺紋鋼與砼彈性模量之比ng=5.714, 鋼絞線與砼彈性模量之比ny=5.571,設(shè)計(jì)每根鋼絞線的張拉力為187.46KN，設(shè)計(jì)規(guī)定空心板梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%時(shí)方可放松鋼絞線。整橋由蘇州市市政工程設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)。跨徑為L(zhǎng)=23.96m中板斷面尺寸如下圖：中板理論反拱度計(jì)算過(guò)程如下：截面基本參數(shù)計(jì)算后可得：（1）、換算截面積Ah=5114.3c

5、m2；（2）、換算截面中性軸到梁底的距離y=51.5cm；（3）、截面換算慣性矩Ih=7906303.3cm4；（4）、空心板梁計(jì)算截面剛度0.85EhIh；由于先張法空心板梁預(yù)應(yīng)力靠鋼絞線與混凝土之間的粘結(jié)力來(lái)傳遞，對(duì)于C50混凝土而言，端部預(yù)應(yīng)力束傳遞長(zhǎng)度 。根據(jù)“24m板梁中板配筋圖”知，梁體內(nèi)鋼絞線可根據(jù)有效長(zhǎng)度分為6種類型，每種類型鋼絞線有效長(zhǎng)度如下表所示：編 號(hào)123456有效長(zhǎng)度(cm)239621801980177015601350根 數(shù)542222下面根據(jù)鋼絞線的編號(hào)情況，按材料力學(xué)中共軛梁法進(jìn)行計(jì)算跨中撓度得：編號(hào)1鋼絞線引起的跨中反拱度可按下式計(jì)算：預(yù)加應(yīng)力對(duì)梁體的偏心彎

6、矩空心板計(jì)算截面剛度a值的計(jì)算 相應(yīng)由1號(hào)束預(yù)加力在跨中截面產(chǎn)生的向上撓度為。編號(hào)為2、3、4、5、6鋼絞線引起的跨中截面向上反拱度同理計(jì)算分別為， ， ， ， 。由空心板梁自身恒載產(chǎn)生的下?lián)隙劝聪率接?jì)算得荷載自重集度 ，方向向下。由上可知，空心板梁鋼絞線剛放張時(shí)跨中截面理論上拱度為，方向向上。中板按存梁期30d、60d、90d時(shí)跨中截面理論向上反拱度驗(yàn)算過(guò)程如下：A、梁內(nèi)鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算：（1）、預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力松弛損失 的計(jì)算：根據(jù)橋規(guī)（JTG D62）規(guī)定，預(yù)應(yīng)力鋼筋由鋼筋應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失終值可按下式進(jìn)行計(jì)算：對(duì)于鋼絞線：式中：超張拉系數(shù)，一次張拉時(shí)，取=1.0，鋼筋松弛系數(shù)

7、，級(jí)低松弛鋼絞線，取=0.3， 傳力錨固時(shí)的鋼筋應(yīng)力，取 = ， 預(yù)應(yīng)力筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取 =1860MPa。將上述參數(shù)代入公式得 （終極值）。鋼筋松弛損失是隨著時(shí)間的變化而逐步變化的，最終才趨于穩(wěn)定的，中間階段松弛應(yīng)力損失值與終極松弛應(yīng)力損失值的比值關(guān)系如下表：持續(xù)時(shí)間(d)2102030406090比值0.50.610.740.871.001.001.00松弛損失中間值(MPa)2328.134.040.0464646（2）、混凝土彈性壓縮損失 的計(jì)算：預(yù)應(yīng)力筋預(yù)加力 鋼絞線放松時(shí)，鋼絞線重心處混凝土受到的壓應(yīng)力按下式計(jì)算：（3）、混凝土收縮和徐變損失 根據(jù)橋規(guī)（JTG D62）規(guī)定，

8、由混凝土收縮、徐變引起的構(gòu)件受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力損失終值按下式計(jì)算：式中： ， 空心板梁自重在跨中截面處產(chǎn)生的彎矩按下式計(jì)算：因構(gòu)件自重彎矩影響因素，鋼絞線重心處混凝土受到的壓應(yīng)力按下式計(jì)算：中板理論厚度計(jì)算:理論厚度 ，式中Ac=4938cm2，u為板梁與大氣接觸的周邊長(zhǎng)度，u=658.3cm，則得理論厚度h=15.0cm20cm。查表得： 構(gòu)件受拉區(qū)全部縱向鋼筋的配筋率 截面回轉(zhuǎn)半徑 將上述數(shù)值代入公式計(jì)算得： （終極值）混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失隨時(shí)間變化的比值關(guān)系如下表： 持續(xù)時(shí)間(d)2102030406090比值0.330.370.400.430.50.6預(yù)應(yīng)力損失中間值(MP

9、a)37.141.645.048.456.367.5中板在存梁期30d、60d、90d時(shí)預(yù)應(yīng)力損失值及引起的相應(yīng)下?lián)隙戎祬R總?cè)缦卤恚捍媪簳r(shí)間(天)預(yù)應(yīng)力總損失值(MPa)跨中下?lián)现礷sy(mm)30-167.8-5.160-185.1-5.690-196.3-5.9中板在存梁期30d、60d、90d時(shí)，由于混凝土收縮徐變作用將引起跨中反拱度繼續(xù)向上增長(zhǎng)，根據(jù)橋規(guī)（JTG D62）規(guī)定：考慮混凝土收縮徐變因素后的跨中反拱度f(wàn)c按下式計(jì)算：式中： 為徐變系數(shù)，可按下式并結(jié)合查表計(jì)算得存梁期30d，徐變系數(shù) ；存梁期60d，徐變系數(shù) ；存梁期90d，徐變系數(shù) ；則相應(yīng)各存梁期下梁體跨中起拱理論值計(jì)算

10、結(jié)果如下表： 板梁類型階段中板放張后1h時(shí)起拱值(mm)19.8存梁30d時(shí)起拱值(mm)22.6存梁60d時(shí)起拱值(mm)24.1存梁90d時(shí)起拱值(mm)25.6二、梁體跨中反拱度的測(cè)量方法：1)在臺(tái)座上測(cè)量時(shí)，應(yīng)在空心板切割斷鋼絞線1小時(shí)后用楔形塞尺觀測(cè)。2)在已出坑堆放的空心板用水準(zhǔn)儀和卷尺檢測(cè)，具體方法如下：利用水準(zhǔn)儀觀測(cè)空心板的兩端和中間三點(diǎn)標(biāo)高，分別記為a，b，c，然后按公式 計(jì)算得空心板跨中反拱度，方法見(jiàn)附圖：三、引起理論反拱度與實(shí)測(cè)反拱度差異的有關(guān)因素分析：同一跨徑的先張法空心板梁，鋼絞線放松后反拱度也可能不一樣，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算值有時(shí)也不一致，而且往往有時(shí)實(shí)測(cè)值要偏大

11、一些，究其原因主要由以下幾個(gè)方面。與張拉時(shí)控制預(yù)加力有關(guān)為保證預(yù)應(yīng)力施工時(shí)，所施加到鋼絞線上的張拉控制應(yīng)力符合設(shè)計(jì)規(guī)定的要求，預(yù)應(yīng)力筋張拉作業(yè)應(yīng)做到規(guī)范化施工，張拉工藝最好采取整張整放工藝，以保證各束鋼絞線內(nèi)建立的張拉力均勻一致?？紤]張拉初期，在臺(tái)座上布置的鋼絞線松緊彎曲程度不一致，必須嚴(yán)格執(zhí)行初應(yīng)力調(diào)整程序，以保證多根鋼絞線整體張拉施工時(shí)，調(diào)整后的每根鋼絞線應(yīng)力大致一致。張拉施工過(guò)程中必須嚴(yán)格做到“張拉力和伸長(zhǎng)值”雙控制，千斤頂、油表和油泵的計(jì)量精度應(yīng)符合計(jì)量規(guī)范要求，并按規(guī)定的校驗(yàn)周期進(jìn)行校驗(yàn)，嚴(yán)格按確定的張拉力和油壓表回歸關(guān)系施加張拉力，實(shí)際伸長(zhǎng)值與理論伸長(zhǎng)值偏差必須控制在6%范圍之內(nèi)。

12、另外在張拉到控制應(yīng)力后，必須保證有足夠的持荷時(shí)間，一般不得少于2min，以盡量減少后期預(yù)應(yīng)力鋼絞線的松弛應(yīng)力損失。另外施工前應(yīng)對(duì)所用鋼絞線的彈性模量和截面積進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果按下列公式對(duì)理論伸長(zhǎng)量進(jìn)行修正。修正公式如下： 與預(yù)應(yīng)力筋定位、失效工藝、成孔工藝有關(guān)顯而易見(jiàn)，預(yù)應(yīng)力筋的定位措施可靠以否將直接影響預(yù)應(yīng)力筋的偏心距大小變化，預(yù)應(yīng)力筋最好采用剛度比較大的定位鋼板鉆孔固定，鉆孔直徑比鋼絞線外徑大24mm即可。根據(jù)先張法簡(jiǎn)支梁運(yùn)營(yíng)階段承載能力特點(diǎn)以及為防止施工階段支點(diǎn)截面上緣拉應(yīng)力過(guò)大引起砼開(kāi)裂，鋼絞線端部一定范圍內(nèi)均有一定長(zhǎng)度采取套塑料管進(jìn)行失效隔離處理，塑料管必須采用硬質(zhì)PVC管且壁

13、厚不小于3mm，兩端必須采取膠帶嚴(yán)格封閉，防止水泥漿滲入管內(nèi)與鋼絞線粘結(jié)，如失效隔離措施不好，相當(dāng)于增加鋼絞線的有效粘結(jié)長(zhǎng)度，顯然將會(huì)引起梁體反拱度的增加。曾有人做過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)：用壁厚較薄的軟質(zhì)PVC塑料管對(duì)一根鋼絞線全部失效，待砼凝結(jié)硬化后，采用一臺(tái)5T的卷?yè)P(yáng)機(jī)抽拉仍無(wú)法將鋼絞線從塑料管內(nèi)拉出。由于先張法空心板梁長(zhǎng)線臺(tái)座法施工的工藝特點(diǎn)，梁端間操作空間較小，一般也70100cm長(zhǎng)，為成孔施工方便，一般對(duì)中小跨徑的先張法板梁均采取充氣橡膠膠囊的成孔方式，但橡膠芯模成孔最大的缺點(diǎn)是易變形、易上浮以及氣壓難以恒定，以上這些缺點(diǎn)都將會(huì)引起成型后梁體自重、截面特性參數(shù)的變化，從而也將影響反拱度大小

14、的變化，因此控制膠囊變形、變位、氣壓恒定至關(guān)重要?？招哪z囊芯模使用前應(yīng)認(rèn)真做好氣密性檢查，膠囊放置時(shí)一定要采用8mm以上直徑的定位筋（間距不超過(guò)40cm）固定可靠，必要采取與模板相連接型鋼壓桿加壓固定，混凝土澆筑過(guò)程中應(yīng)保證充氣壓力穩(wěn)定，并做到分步澆筑，即先澆筑底板砼，放置芯模后再澆筑腹板和頂板砼，避免一次性澆筑混凝土?xí)r造成膠囊上浮?；炷寥肽r(shí)應(yīng)對(duì)稱均勻，以免壓力過(guò)大造成膠囊擠壓變形，或使膠囊下沉造成成孔位置偏差，振搗混凝土?xí)r一定要注意兩側(cè)左右對(duì)稱平衡作業(yè)。充氣膠囊的充氣壓力應(yīng)根據(jù)混凝土側(cè)向壓力及膠囊的內(nèi)徑而定，一般不應(yīng)超出下表值充氣膠囊的充氣壓力表直徑(cm)812152025304050

15、62.5708090氣壓(Kpa)12010080705045403128272625與放張時(shí)混凝土的強(qiáng)度和齡期有關(guān)由于混凝土的強(qiáng)度隨著齡期的增加而提高，其彈性模量雖然同樣伴隨著混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)而增加，但大量的試驗(yàn)表明，兩者的增長(zhǎng)速度不是同比例線性增長(zhǎng)的，目前各項(xiàng)目的施工工期都十分緊張，為加快施工進(jìn)度，往往在混凝土中摻入早強(qiáng)型高效減水劑，以使混凝土早強(qiáng)，從而能盡早放張，加快模具周轉(zhuǎn)使用速度，但正如前面所說(shuō)，加入早強(qiáng)型外加劑后，混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)與彈性模量的增長(zhǎng)就不一定同步，如果在齡期較短時(shí)剪斷鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力，就會(huì)直接影響混凝土的反拱度，同時(shí)后期的預(yù)應(yīng)力損失也將會(huì)偏大。為避免放張過(guò)早帶來(lái)的較嚴(yán)重

16、的質(zhì)量后果，在施工時(shí)應(yīng)采取同步養(yǎng)生混凝土試件的方法，在強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值的90%且混凝土養(yǎng)生齡期達(dá)到57天后方可放松鋼絞線，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)日平均氣溫20時(shí)，齡期不得小于7天，當(dāng)日平均氣溫20時(shí)，齡期不得小于5天，經(jīng)廠內(nèi)預(yù)制的大量板梁反拱度控制情況看，上述放張齡期比較符合蘇州地區(qū)實(shí)際情況。與混凝土的收縮、徐變有關(guān)在先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁中，由于混凝土長(zhǎng)期承受預(yù)壓應(yīng)力，因此會(huì)產(chǎn)生徐變、收縮變形，從而使梁體長(zhǎng)度縮短，梁體反拱度持續(xù)不斷上漲，但最終將趨于穩(wěn)定。通過(guò)前述反拱度理論計(jì)算過(guò)程，可以看出，反拱度隨著徐變的增加而增大，而且由于徐變的影響能使板梁的反拱度增加12倍左右，經(jīng)有關(guān)資料表明，混凝

17、土在兩周內(nèi)完成最終徐變的25%，3個(gè)月內(nèi)完成最終徐變的50%，一年內(nèi)完成最終徐變的75%，幾年后最終趨于穩(wěn)定。眾所周知，徐變與混凝土的強(qiáng)度關(guān)系密切，在混凝土一定配合比的范圍內(nèi)，徐變與加荷時(shí)混凝土的實(shí)際強(qiáng)度成反比，因?yàn)榛炷恋膹?qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而增加，而加荷時(shí)混凝土的齡期將會(huì)對(duì)徐變收縮產(chǎn)生影響，加荷齡期愈短，徐變愈大，齡期愈長(zhǎng)，徐變愈小。因此反拱度與強(qiáng)度成反比，它隨著強(qiáng)度的增加而減小。在施工過(guò)程中影響混凝土強(qiáng)度的主要因素有：材料質(zhì)量的波動(dòng)；水灰比；配合比誤差；混凝土拌和、澆注、振搗密實(shí)程度；溫度；養(yǎng)護(hù)條件等；影響混凝土收縮、徐變的主要因素有：配合比；水泥品種；集料種類；混凝土拌和、澆注、振搗工藝；養(yǎng)護(hù)條件；加荷齡