豎向預(yù)應(yīng)力在箱梁腹板斜裂縫中的應(yīng)用

豎向預(yù)應(yīng)力在箱梁腹板斜裂縫中的應(yīng)用

隨著混凝土連續(xù)大口徑一座梁、連續(xù)剛結(jié)構(gòu)、連續(xù)中橋的廣泛應(yīng)用，其腹部板的撕裂現(xiàn)象日益嚴(yán)重，尤其是在靠近現(xiàn)柱斷面和中室內(nèi)板的斜槽段上。另外,為了節(jié)約造價、簡便施工,減少彎起索、下彎索的做法也很普遍。這樣一來,把限制腹板主拉應(yīng)力的任務(wù)相當(dāng)大地轉(zhuǎn)移給了豎向預(yù)應(yīng)力,而目前一般大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋梁高較矮,導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力束很短,難以建立有效預(yù)應(yīng)力。因此,尋求設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力的有效途徑以控制裂縫的出現(xiàn),便成為廣大橋梁工程師亟待解決的課題。1豎向預(yù)應(yīng)力筋對混凝土構(gòu)件的預(yù)壓力實踐表明,箱形截面整體性好,結(jié)構(gòu)剛度大,承受正、負(fù)彎矩和抗扭的能力強,是一種經(jīng)濟合理的截面形式。從受力角度來講,采用單箱單室薄壁截面,可以提高單位面積的慣性矩,同時也可以采用箱梁橋頂板橫向預(yù)應(yīng)力配筋與腹板內(nèi)豎向預(yù)應(yīng)力配筋來解決長懸臂箱梁橋的受力問題,以適應(yīng)箱形截面目前總的發(fā)展趨勢。隨著箱形截面預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的大量應(yīng)用,在一部分橋梁上出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性的腹板斜裂縫,豎向預(yù)應(yīng)力不足是引起這一現(xiàn)象的重要因素。在對一些橋梁的實際調(diào)查中,常有豎向預(yù)應(yīng)力筋永存預(yù)應(yīng)力不到位的情況,甚至在施工完成以后,有的豎向預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)無預(yù)應(yīng)力。同時,由于箱梁橋高度有限,對施工要求較高,稍有不慎,豎向預(yù)應(yīng)力可能會損失過半。這對箱體的受力是極為不利的,因為豎向預(yù)應(yīng)力對箱梁橋截面主拉應(yīng)力的貢獻是相當(dāng)大的。在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中,由于預(yù)壓應(yīng)力的存在,各混凝土微分體除了承受使用荷載所引起的剪應(yīng)力和法向應(yīng)力外,還承受預(yù)應(yīng)力所引起的法向應(yīng)力。當(dāng)僅有縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋時,法向預(yù)壓應(yīng)力的作用是水平的,即沿構(gòu)件的縱軸向;當(dāng)還有預(yù)應(yīng)力彎起鋼筋和豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋時,法向預(yù)壓應(yīng)力的作用方向是傾斜的,既有水平方向的預(yù)壓應(yīng)力,又有垂直方向的預(yù)壓應(yīng)力。不難理解,縱向和豎向預(yù)應(yīng)力共同作用下所產(chǎn)生的在傾斜面上的主拉應(yīng)力將比僅有使用荷載作用時小得多。由于腹板斜裂縫的出現(xiàn)取決于主拉應(yīng)力的大小,因此預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件斜截面的抗裂性也比普通鋼筋混凝土好,特別是在有預(yù)應(yīng)力彎起鋼筋或豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋時。2預(yù)應(yīng)力錨固端設(shè)置目前,豎向預(yù)應(yīng)力的設(shè)置主要采取箱梁腹板中配置精軋螺紋鋼筋YGM錨固體系的豎向預(yù)應(yīng)力,其中有Φ32和Φ25兩種。實際上豎向預(yù)應(yīng)力筋一般都很短,大跨徑變高度連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)一般在3～10m左右,而頂推法施工連續(xù)梁一般只有3m左右。鋼筋的張拉伸長量都較小。從錨固損失σL2=∑ΔLLEPσL2=∑ΔLLEΡ的計算式可以看出,在鋼筋特別短的情況下,錨固損失特別明顯,實際有效預(yù)應(yīng)力喪失殆盡。另外,在實際工程中,精軋螺紋鋼筋被拉斷的現(xiàn)象也時有發(fā)生,鋼筋拉斷的位置都在張拉端錨墊板下。這是由于錨墊板平面與預(yù)應(yīng)力鋼筋軸線不垂直,或張拉時千斤頂?shù)睦瓧U與鋼筋不在同一直線,造成預(yù)應(yīng)力筋截面偏心受拉。由于拉力不均勻,拉力的一端大于鋼筋的極限應(yīng)力,鋼筋一旦拉斷,無法補救,危害更大。關(guān)于豎向精軋螺紋鋼筋預(yù)應(yīng)力損失大的問題,有人提出采用其他預(yù)應(yīng)力錨固體系代替。比如采用Φs7平行刻痕鋼絲,鐓頭錨體系,即錨固端用鋼絲穿過錨墊板,直接鐓頭;張拉端采用A型鐓頭錨具。由于張拉伸長量小,錨杯長度可以減短,故可以降低成本。這主要是利用平行鋼絲比精軋螺紋鋼筋強度高,預(yù)應(yīng)力噸位任意選擇,壓漿后與水泥漿粘結(jié)握裹效果好,鐓頭錨預(yù)應(yīng)力損失小的優(yōu)點。另外,在設(shè)計方面也有人提出了以下2種豎向預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置的新方法:(1)采用整體錨墊板(圖1)優(yōu)點:采用整體錨墊板使預(yù)應(yīng)力可通過多點連續(xù)傳遞,減少應(yīng)力空白區(qū),減少預(yù)應(yīng)力損失,提高腹板縱向整體性和抗剪能力。缺點:由于混凝土受壓時的剛度一般要大于錨墊板的剛度,要想充分發(fā)揮此方法的優(yōu)勢,勢必錨墊板要加厚以增加其剛度。若不如此,預(yù)應(yīng)力損失將很大,使豎向預(yù)應(yīng)力難以建立,且錨墊板的使用會增加費用。(2)采用環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋方法1:將2根豎向力筋連在一起,在梁頂面張拉,錯位布置(圖2(a))。方法2:利用橫向預(yù)應(yīng)力筋間隔在梁底下張拉(圖2(b))。優(yōu)點:通過加長預(yù)應(yīng)力長度,可增加預(yù)應(yīng)力筋的伸長量和保存有效預(yù)應(yīng)力,有效發(fā)揮豎向預(yù)應(yīng)力筋的作用,減少剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力。缺點:由于預(yù)應(yīng)力筋的曲折布置,可導(dǎo)致額外的預(yù)應(yīng)力損失,且鋼筋定位困難,施工復(fù)雜。另一方面,由于存在彎角,現(xiàn)行規(guī)范預(yù)應(yīng)力損失公式也難以適用,難以精確計算有效預(yù)應(yīng)力。3預(yù)應(yīng)力損失的比較國際工程界從上世紀(jì)80年代后期開始將碳纖維增強塑料(CFRP)作為鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼材的替代材料加以研究,并陸續(xù)將其作為PC橋梁的張拉材料等?？紤]到橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)心的材料性能,可以發(fā)現(xiàn),CFRP材料與鋼材相比,具有抗拉強度高、彈性模量低、疲勞性能優(yōu)良、重量輕、抗腐蝕性能好、熱膨脹系數(shù)低等諸多優(yōu)點。但也有缺點,主要是延性差,材料破壞是脆性破壞,剪切強度低。因此把CFRP棒材作為豎向預(yù)應(yīng)力筋正是利用其優(yōu)點。下面通過簡化模型計算CFRP棒材和精軋螺紋鋼分別作為豎向預(yù)應(yīng)力筋時的預(yù)應(yīng)力損失百分率,以此說明CFRP棒材能夠建立比較有效的豎向預(yù)應(yīng)力。工程中一般把豎向預(yù)應(yīng)力加在大跨徑箱梁腹板上,當(dāng)然腹板上還有縱向預(yù)應(yīng)力甚至橫向預(yù)應(yīng)力。為了簡化問題,不考慮它們之間的耦合影響,這里只研究2種材料在相同條件下(相同張拉力)豎向預(yù)應(yīng)力的損失情況。按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTGD62-2004)中有關(guān)鋼筋預(yù)應(yīng)力損失的公式進行估算,分別計算出2種材料在腹板高度為1～10m(每隔0.5m比較1次)時的預(yù)應(yīng)力損失百分率。計算結(jié)果見圖3,模型選用參數(shù)如表1所示。根據(jù)圖3可以得出結(jié)論:(1)在相近的張拉控制力下(鋼筋的張拉力是542.9kN,CFRP的張拉力是543.5kN),可看出鋼筋的預(yù)應(yīng)力損失百分率比CFRP的預(yù)應(yīng)力百分率損失高出3倍,而且這是在CFRP的控制張拉應(yīng)力的系數(shù)(僅為0.5,而精軋螺紋鋼是0.9)選取非常保守的情況下得到的。假如CFRP的張拉技術(shù)更趨于成熟,材料的性能更加穩(wěn)定,此系數(shù)勢必還將有所提高。而從預(yù)應(yīng)力損失的計算步驟中可以看出,CFRP控制張拉應(yīng)力的提高將顯著地縮減預(yù)應(yīng)力損失百分率。(2)隨著腹板高度的逐步遞增,鋼筋的預(yù)應(yīng)力損失百分率減少較快,也就是說當(dāng)腹板高度達到一定值,鋼筋的預(yù)應(yīng)力損失也不大,此時用CFRP代替鋼筋顯得不夠經(jīng)濟。如果要求腹板需要較大的預(yù)加應(yīng)力時,顯然可以通過縮小鋼筋束的布置間距來達到所需的預(yù)加力以限制腹板裂縫的擴展,可這樣一來,間距過窄勢必增加施工難度,減慢施工進度,相應(yīng)地增加經(jīng)濟成本。但此時如果使用CFRP,其高強性能就得以充分體現(xiàn),能夠達到要求的預(yù)加應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力束的間隔也可相應(yīng)拉大,既可加快施工進度,又可縮小施工規(guī)模,獲得較好的經(jīng)濟效益?？梢奀FRP力筋取代精軋螺紋鋼作為豎向預(yù)應(yīng)力束是可行的,并且能夠建立有效的豎向預(yù)應(yīng)力。4特殊加固設(shè)備和施工技術(shù)4.1我國錨固結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展現(xiàn)狀高強鋼筋的錨具中,除了錨固高強鋼絲束的鋼質(zhì)錐形錨具是摩擦型的錨具外,螺絲端桿錨具、夾片式等錨具均是利用了高強鋼材橫向抗剪強度高的特性來進行錨固。而CFRP力筋的抗剪強度較低,特別是在應(yīng)力集中處易發(fā)生由部分纖維絲斷裂導(dǎo)致的CFRP力筋的整體斷裂。因此,如何保證錨固處的CFRP力筋均勻受力且不被剪壞是CFRP力筋錨具設(shè)計的關(guān)鍵。日本、美國等國家CFRP的應(yīng)用要早于我國,其開發(fā)的錨具類型主要有3種:夾片型,灌漿型和壓鑄管夾片型。應(yīng)用最多的是灌漿型錨具,另外還開發(fā)了非金屬灌漿型錨具。國內(nèi)東南大學(xué)在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國現(xiàn)有張拉設(shè)備,研發(fā)了杯口灌膠式錨具、套筒灌膠式錨具、粘砂夾片式錨具、帶膠擠壓式錨具、帶護套夾片式錨具等5種錨具;方志等人研究了用環(huán)氧鐵砂和普通混凝土作為粘結(jié)介質(zhì)的粘結(jié)式錨具對CFRP力筋的錨固性能,通過試驗研究,提出了有效錨固CFRP力筋的改進方法;張鵬等人針對南京莫科研院所研制的碳纖維塑料筋,研制了適用于碳纖維塑料筋的預(yù)應(yīng)力夾片式錨具和灌注式螺絲端桿錨具,并成功地應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力試驗中;高丹盈等人研究了纖維增強塑料筋錨桿的組成、生產(chǎn)工藝和這種錨桿的優(yōu)點及應(yīng)用,并對纖維增強塑料筋錨桿錨具的設(shè)計問題進行了研究。因為CFRP筋材是用樹脂材料將CFRP纖維絲膠合而成的,樹脂與樹脂之間具有粘結(jié)性能,通過界面膠結(jié)力、摩擦力以及表面凹凸產(chǎn)生的機械咬合力來傳遞剪力,從而建立預(yù)應(yīng)力。灌注式錨具可以較好地利用這些優(yōu)點,且能避開CFRP橫向抗剪強度低的缺點,因而具有較好優(yōu)勢,在目前也頗為流行。筆者提出的適用于CFRP豎向預(yù)應(yīng)力筋錨固的新型錨具也屬于灌注式錨具,是基于墩頭錨具并結(jié)合套管粘結(jié)技術(shù)提出的,適合CFRP的張拉及錨固。4.2灌注式套管頭錨的構(gòu)造錨固端:根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)并考慮到碳纖維的材料特性,錨固端可以在工廠預(yù)制成杯型的碳纖維棒或在施工現(xiàn)場穿束后澆筑一塊杯型的CFRP材料,然后外套杯型中空的鋼塊錨固。張拉端:把普通鐓頭錨具的一端改成中空套管,里面涂抹特殊樹脂。CFRP棒材直接插入套管中,套管尺寸可根據(jù)所需的粘結(jié)長度和CFRP的直徑確定,也就是說可以實現(xiàn)套管和CFRP棒材的100%粘結(jié)(即此處無預(yù)應(yīng)力損失或說預(yù)應(yīng)力損失小到可以忽略不計)。灌注式套管鐓頭錨具體構(gòu)造見圖4。施工步驟:從腹板底部穿束→實現(xiàn)套管與光圓端CFRP的粘結(jié)→與千斤頂連接進行張拉→擰入螺帽錨固,在壓漿孔中注入環(huán)氧樹脂封錨。4.3預(yù)應(yīng)力值與實際值的對比(1)豎向預(yù)應(yīng)力筋束比較短,其錨頭的損失占主體,故采用有效的張拉設(shè)備、嚴(yán)格的張拉工藝是克服短束預(yù)應(yīng)力損失,縮小預(yù)應(yīng)力損失,縮小預(yù)應(yīng)力設(shè)計值與實際值差距的有效措施。(2)預(yù)埋鋼板尺寸要合理選用,這直接關(guān)系到預(yù)加力的有效傳遞以及控制混凝土的豎向壓應(yīng)力。如果設(shè)計過大則較為浪費,過小則預(yù)加力無法有效擴散傳遞,產(chǎn)生不必要的豎向壓應(yīng)力空白區(qū),同時可能導(dǎo)致混凝土豎向壓應(yīng)力遠大于設(shè)計值,這也是有害的。(3)環(huán)氧樹脂起保護CFRP棒材不受腐蝕和粘結(jié)混