大跨徑預應力混凝土梁橋腹板斜裂縫成因分析

大跨徑預應力混凝土梁橋腹板斜裂縫成因分析

1變截面箱梁設計107號線的官渡黃河大橋全長7177米，主橋全長2455米，橋段為3（75）25m。箱梁設計為三向預應力體系,主梁除布置縱向預應力外,在橋面板內設有橫向預應力束,腹板內設有豎向預應力束。豎向預應力采用二次張拉低回縮鋼絞線豎向預應力錨固體系。2新型預應力錨固系統(tǒng)二次張拉低回縮鋼絞線豎向預應力錨固體系是針對中短預應力束錨固系統(tǒng)在張拉放張后,產生的回縮對預應力系統(tǒng)永存預應力損失過大的工況專門研究開發(fā)的一種新型鋼絞線低回縮高效率的預應力錨固系統(tǒng),是目前中短束預應力筋有效永存預應力損失最小的錨具品種之一。3錨杯及墊板張拉安裝張拉端低回縮錨具,第1次張拉鋼絞線至設計張拉力;2～14h后,再將錨具的錨杯連同預應力筋整體張拉至設計張拉力,錨杯下端面離開墊板5～13mm,持荷2min,向墊板側擰扭支承螺母,直到消除錨杯與墊板之間間隙。達到克服第一次張拉產生的錨具放張回縮,降低豎向預應力損失,提高永存預應力的目的。4研究的基本分析為研究豎向預應力二次張拉預應力損失情況,根據(jù)本橋特點選擇典型的中跨1號節(jié)段、次中跨4號節(jié)段進行研究分析。根據(jù)設計規(guī)范,預應力混凝土構件在正常使用極限狀態(tài)計算中,對于后張法構件應考慮5項預應力損失:(1)預應力鋼筋與管道壁之間的摩擦損失σ4.1由于預測鋼筋和管道壁之間的摩擦損失，后張法構件張拉時,預應力鋼筋與管道壁之間摩擦引起的預應力損失,按照下式計算:式中:σ4.2預應力錨固體系錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的預應力損失按照式(2)計算:式中:Δl為張拉錨具變形。鋼筋回縮和接縫壓縮值(mm);l為張拉端至錨固端之間的距離(mm)。根據(jù)二次張拉豎向預應力鋼絞線錨固體系:張拉錨固時因錨具變形、縫隙壓密等引起的總回縮量不得大于1mm,可采取超張拉或反復張拉的措施。本計算從安全角度出發(fā),取Δl=1mm。4.3預應力損失的計算后張法預應力混凝土構件,采用分批張拉時,先張拉的鋼筋由于張拉后批的鋼筋所引起的混凝土彈性壓縮的預應力損失,可按式(3)計算:式中:ΣΔσ由于混凝土彈性壓縮而產生變形非常小,故計算過程中不予考慮。4.4鋼筋松弛系數(shù)對于預應力鋼絲和鋼絞線,其松弛損失可以通過式(4)計算:式中:ψ為張拉系數(shù),一次張拉取值1.0,采用超張拉取值0.9;為鋼筋松弛系數(shù),I級松弛(普通松弛)取值1.0,II級松弛(低松弛)取值0.3;σ本錨固體系下采用超張拉,鋼筋類型為低松弛鋼筋,計算預應力鋼筋松弛損失,其中σ4.5混凝土收縮損失由混凝土收縮、徐變引起的預應力損失,按照式(5)計算:4.6鋼筋回縮回縮引起的損失各類型損失量及匯總值如表1和圖1–3所示。預應力損失計算,考慮了管道偏差、錨具變形及鋼筋回縮、鋼筋松弛、收縮徐變等因素引起的損失。由以上數(shù)據(jù)可知,鋼筋松弛引起的預應力損失最大,其次是混凝土的收縮徐變效應,這兩項接近于損失占比的70%。此外,錨具變形、鋼筋回縮等引起的損失相對較小?？偟念A應力損失率在13%～15%之間。5預應力錨固短束二次張拉的效果為了更好地掌握新型豎向預應力錨固體系作用下,預應力的損失特性和混凝土箱梁的受力特性,對中跨1號節(jié)段開展了豎向預應力錨固短束的試驗研究。試驗按照“內腹板3根→邊腹板3根→中腹板3根”的張拉順序開展作業(yè),在張拉每個腹板預應力鋼束時,張拉每根鋼束完成后采用測力環(huán)對有效錨固預應力進行測試,例如張拉第二根后需要對第1根進行測試,并在所有3根預應力張拉完成后每持荷30min進行全面測試,并進行二次張拉,對二次張拉前和張拉后的數(shù)據(jù)進行同步跟蹤測試,以全面掌握預應力鋼束的有效錨固預應力。各豎向預應力在張拉工序中的有效預應力儲備情況,可以得到以下重要結論。(1)同一側腹板的3個豎向預應力張拉過程中,第1根張拉后有效預應力在1160～1296MPa不等,主要是張拉過程中有調整,因此存在變化;第2根和第3根張拉后有效預應力儲備顯著降低,這是因為3根預應力距離很近,后續(xù)預應力張拉一方面會引起前面預應力鋼束的錨固回縮,同時也會引起混凝土的壓縮,導致預應力損失較多。這說明目前如果沒有二次張拉工藝,豎向預應力鋼束的永存預應力很低。(2)不同側腹板的預應力張拉對其他側腹板的錨固預應力影響很小,基本在5MPa以內,可以忽略。也就是說其他腹板位置的預應力張拉并不引起本腹板位置的豎向預應力損失,說明不同張拉順序對于預應力損失的影響很小。(3)二次張拉后有效預應力儲備均達到1220～1250MPa,說明二次張拉具有非常顯著的效果,相對于二次張拉前永存預應力提高了220～270MPa,這主要是二次張拉消除了錨具回縮引起的預應力損失。(4)二次張拉完成后,隨著預應力管道壓漿和后續(xù)多達30d的連續(xù)觀測,可以看到預應力損失量很少,在20～40MPa左右,這部分預應力損失主要是混凝土收縮徐變和摩擦損失引起,根據(jù)理論計算收縮徐變和摩擦損失在60MPa左右,考慮到本橋采用的是C55聚丙烯纖維混凝土,材料性能較好,因此實際的收縮徐變損失要低于理論計算結果,驗證了理論與試驗分析的準確性。根據(jù)試驗分析的永存預應力在1200MPa左右,相對于1380MPa的張拉控制應力預應力損失180MPa,13%的損失率。根據(jù)章節(jié)3的理論分析結果,可知理論上1號塊的豎向預應力損失209MPa,相當于15.2%的損失率,根據(jù)前述結論理論計算對于混凝土收縮徐變引起的損失估計偏大一些,約20MPa。因此,理論分析和試驗獲得了較好的結果驗證,綜合說明本工程提出的豎向短束二次張拉預應力體系具有很好的效果。對次中跨4號節(jié)段開展了豎向預應力錨固短束的試驗研究。表1是理論與試驗下豎向預應力鋼束的預應力損失對比,根據(jù)試驗分析的永存預應力在1260MPa左右,相對于1380MPa的張拉控制應力預應力損失120MPa,8.6%的損失率。根據(jù)章節(jié)4的理論分析結果,可知理論上4號塊的豎向預應力損失189MPa,相當于13.7%的損失率,根據(jù)前述結論理論計算對于混凝土收縮徐變引起的損失估計偏大一些,約56MPa。因此,理論分析和試驗獲得了較好的結果驗證,綜合說明本工程提出的豎向短束二次張拉預應力體系具有很好的效果。6預應力損失應力國道107改線官渡黃河大橋主橋為預應力混凝土變截面連續(xù)箱梁,采用懸臂澆筑的施工方法。根據(jù)該類橋型容易出現(xiàn)的運營期間腹板斜裂縫問題,結合本橋特點通過理論研究、實際檢驗分析了豎向預應力鋼絞線錨固系統(tǒng)的預應力損失特點。主要結論如下。(1)理論研究顯示:新型錨固系統(tǒng)鋼筋松弛引起的預應力損失最大,達到近90MPa;其次是混凝土的收縮徐變效應,達到近60MPa;鋼筋松弛和混凝土收縮徐變這兩項接近于損失占比的70%;錨具變形、鋼筋回縮等引起的損失相對較小;總的預應力損失率在13%～15%之間。(2)分批張拉產生的混凝土彈性壓縮量很低,造成的鋼絞線預應力損失均在5MPa以內,且不同的分批張拉工藝所產生的預應力損失影響很低,施工中僅需要根據(jù)施工便易性進行分批張拉操作。(3)針對2個節(jié)段豎向預應力短束錨固性能開展了試驗研究,試驗結果表明:二次張拉工藝顯著地提高了永存預應力220～270MPa,對于豎向預應力短束具有很好的效果;從不同腹板開始張拉的張拉順序對于預應力鋼束的永存預應力影響很小,在5MPa以內,這與數(shù)值分析結果相同;張拉完成超過30d的連續(xù)觀測發(fā)現(xiàn)預應力損失在40MPa左右,這部分主要是混凝土收