預應力混凝土弧形箱梁預應力損失的質量控制*

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

在現有的橋梁中，預應力混凝土橋梁已占較大比重，預應力損失的研究對于橋梁的整體性能的影響更加突出。

在預應力施工及運營過程中，由于各種原因導致的預應力損失能達到20%～30%，曲線段的預應力損失則更加嚴重。

此次研究背景是昆山市中環快速化改造工程的張家港大橋左幅I輔道第4聯，左幅（I幅）位于R=683.875 m，Ls=81.4 m的平曲線上，橋梁寬度20 m，主橋孔跨38.85 m＋65 m＋38.85 m，使用掛籃法施工。

橋梁的上部箱梁采用C50混凝土，設置縱向預應力束，根據位置及功能的不同，分別設置腹板束、頂板束和底板束。

主橋箱梁腹板束及頂板束根據塊件的劃分在每個節段錨固，兩端張拉；合攏束布置在合攏段附近范圍內，在箱梁頂底板設置齒塊兩端張拉。橫梁均設置橫向預應力束，單端或兩端張拉。

主橋以及引橋箱梁懸臂長度分別為4.0 m及3.8 m，主橋有懸臂過渡段，在箱梁頂板設置橫向預應力，3 股一束，間距50 cm，一端錨固，一端張拉，交替布置。根據圖紙要求，縱向預應力鋼束采用按GB/T5 224—2003標準生產的鋼絞線（Ep=1.95×105MPa，fpk=1 860 MPa），錨下張拉控制應力為0.75fpk=1 395 MPa；箱梁橫向預應力鋼束采用按GB/T 5224—2003標準生產的低松弛270級鋼絞線，彈性模量Ep=1.95×105MPa，抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，張拉控制應力為0.7fpk=1 302 MPa；豎向預應力鋼筋為抗拉強度標準值不小于785 MPa的精軋螺紋粗鋼筋，張拉時以張拉力為主要控制，錨下張拉力控制在為540 kN。

由于儀器選擇的局限性，本次研究對施工過程中預應力損失的測量方法采用間接測量的壓應變法，將應變計直接埋入混凝土中，對混凝土的應變反應比較靈敏，可以很好地測量混凝土的應變情況。

通過以前測試經驗和對國內元件及儀器綜合分析比較，混凝土內部埋入式鋼弦計決定選用ZX215 型混凝土鋼弦式應變傳感器。本次研究中的應變數據來自第三方對張家港大橋的監控報告[1-4]。

2 預應力損失的組成

對于后張法預應力混凝土構件的預應力損失，設計規范規定應考慮以下因素：預應力鋼筋與管道間之間的摩擦引起的應力損失δl1，主要因素是管道是否清理干凈、管道是否有弧度；錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的應力損失δl2；混凝土的彈性壓縮引起的應力損失δl3；預應力鋼筋的應力松弛引起的應力損失δl4；混凝土收縮和徐變引起的應力損失δl5。

目前有關預應力損失的計算方法大體上可分為3 類：預應力總損失估算法；分項預應力損失計算法；精確估算法。

本次研究使用分項預應力損失計算法，由之前研究經驗得出，預應力總損失中管道摩擦、管道局部偏差和錨具回縮所引起的損失占到的比例為70%～80%，混凝土收縮、徐變損失和由于預應力筋松弛引起的損失各占大概10%，這就是常規預應力混凝土構件中的預應力損失情況。而本次研究的對象位于平曲線上，所以此次曲線段預應力損失研究的重點為預應力筋和管道間的摩擦損失。

3 預應力損失的原因分析

1）預應力鋼筋與管道間摩擦引起的應力損失[5-8]。后張法張拉預應力鋼筋時，由于管道彎曲、管道尺寸成形偏差、孔壁粗糙、預應力筋表面粗糙等原因，使預應力筋與孔壁之間產生摩擦阻力，使遠離張拉端的預應力筋的預拉應力逐漸減小。在任意兩個截面之間預應力筋的應力差值，就是此截面間由摩擦引起的預應力損失值。從張拉端至計算截面的摩擦損失值，以δl1表示。

2）錨具變形和鋼筋內縮引起的應力損失。預應力鋼筋張拉后錨固時，對于縱向腹板束中17 孔張拉端錨具將受到最大3 320 kN拉力，這樣大的應力一方面使錨具本身及錨具下墊板壓密產生變形；另一方面混凝土結構的接縫縫隙在壓力的作用下也將壓密變形。這些變形導致預應力鋼筋向內回縮，產生預應力損失，其值隨鋼筋為直線或曲線形面而有所不同。以上因素造成的預應力損失以δl2表示。

3）混凝土彈性壓縮所引起的應力損失。預應力混凝土構件受到預壓力后，會立即產生彈性壓縮應變，此時已與混凝土構件共同作用的預應力筋，會產生與相應位置處混凝土一樣的壓縮應變，因而產生預應力損失，這種應力損失稱為混凝土彈性壓縮損失δl3。由于本段施工中掛籃每塊是分批張拉、錨固的，預應力筋將引起混凝土的彈性壓縮，并造成先張拉預應力筋的應力損失。但在之前的研究中發現這種損失對于預應力筋總損失可以忽略不計。

4）預應力筋松弛引起的應力損失。由于本工程中有δcon=0.75fpk和δcon=0.7fpk兩種情況，且都符合δcon≥0.5fpk，因此需要考慮預應力筋松弛引起的損失。掛籃施工處的縱向、橫向鋼絞線以及豎向精軋螺紋粗鋼筋在錨固后，在持久不變的應力作用下，會產生隨荷載持續時間延長而增加的徐變；當把預應力筋張拉到一定的應力值后，其長度固定不變，則預應力筋中的應力將會隨時間的延長而降低，一般把預應力筋的這種現象稱為松弛或應力松弛。

5）混凝土的收縮和徐變引起的應力損失。本工程中I輔道第4聯使用的是C50混凝土，由于混凝土是一種復合材料，它隨著時間的推移會發生錯綜復雜的物理和化學變化，徐變與收縮是混凝土材料的固有特性。在預應力作用下，由于混凝土的收縮與徐變使構件的長度縮短，預應力筋也隨之縮短，將造成預應力損失。

4 實測結果與分析

4.1 施工過程中監控測點布置

主梁應力監測截面及測點橫斷面布置如圖1所示。由于實際施工中受結構自重、掛籃和支架剛度、施工荷載等復雜因素的影響，可根據結構的實際狀況，對某些截面進行適當的調整。

圖1 應力測點布置

A1～A4截面主要監測主墩附近截面箱梁頂面和底面的正應力情況；B1、B2截面主要監測邊跨跨中箱梁頂面和底面的最大正應力，以判斷橋梁實際內力是否與設計相符；Z2截面主要監測中跨附近截面腹板的應力及橫向應力，以考察預應力是否張拉到位；Z1截面主要為加強中跨合攏段的監測而設，主要監測中跨合攏段預應力張拉后主跨跨中附近截面的應力情況。

4.2 實測結果與理論值比較

懸澆階段主要對懸臂根部A1～A4截面的正應力進行監測，由監測數據看出，實測值和理論值的發展趨勢基本相同。張拉階段應力實測值與理論值較為接近，且基本損失率大致為20%～30%，符合理論經驗。本研究為施工過程減小預應力損失提供了依據，尤其是短期預應力損失與彈性變形損失，為施工過程中采用分階段（即預張拉、初張拉、終張拉）和超張拉的手段來減小預應力損失提供了可靠的數據。

5 減少預應力損失的措施

1）減少δl1的措施：采用兩端張拉。對于縱向對稱的預應力筋，預應力損失最大的位置一般在跨中截面，若采用兩端張拉，則理論計算中結果減小；采用超張拉工藝。張拉端的應力增大，則傳到跨中截面的預應力也增大。當張拉端的應力恢復到控制應力時，由于受到反向摩擦力的影響，預應力筋的回松力并沒有傳到跨中截面，這樣跨中截面仍保持較大的超拉應力；并且在預應力表面涂上潤滑劑。

2）減少δl2的措施：選擇錨具變形、預應力筋回縮量小即強度和剛度比較大的錨具、夾具；盡量減少墊板的塊數。

3）減少δl3的措施：由于在預應力總損失中可忽略不計，則該處不予研究。

4）減少δl4的措施：采用超張拉的方法。

5）減少δl5的措施：采用早強高等級混凝土，以減少水泥用量；采用級配良好的骨料及摻加高效減水劑，減少水灰比；振搗密實，加強養護。

6 預應力結構施工質量控制

6.1 前期準備階段的質量控制

1）預應力鋼絞線的選擇。鋼絞線預應力筋是由多根鋼絲在絞線機上成螺旋形絞合，經消除應力回火處理而成，具有承載力大、柔韌性好、施工方便等特點。在選擇預應力鋼絞線上，必須考慮多方面因素，包括鋼絞線的松散性、斷裂荷載、伸長率、屈服荷載以及非常重要的幾何參數，最終保證質量。

2）預應力錨具的選擇。錨具是構件中為保持預應力筋的拉力并將其傳遞到混凝土上所用的永久性錨固裝置。在選擇時必須注意其質量，宜選擇錨力變化多、噸位大、穿索方便、應力損失小、重復張拉和鏈接較方便的錨具，在品種規格上也要嚴格控制。

6.2 施工過程中的質量控制

1）預應力張拉設備的質量控制。在施加預應力之前必須對張拉設備進行仔細的核查。千斤頂及配套的油泵和油壓表一起核查，核查時千斤頂的活塞運行方向要與實際張拉作業的狀態相一致，為保證張拉設備的可靠，配用預應力千斤頂的額定張拉值應比預應力控制張拉力大30%以上。當千斤頂使用超過半年或在使用過程中出現不正常現象，必須再次進行校核。

2）張拉作業的質量控制。在預應力混凝土的施工過程中，按照規范和要求，預應力鋼絞線采用張拉力和伸長量雙控張拉措施進行，因此，除了千斤頂的壓力表上的讀數控制外，也必須保證實測的鋼絞線伸長量的誤差范圍不超出理論計算值的6%。

3）預應力孔道壓漿質量控制。預應力孔道壓漿有保護預應力筋不被銹蝕和保證預應力筋與結構共同工作的重要作用。在實際操作過程中，預應力的孔道壓漿經常會出現不飽滿、不密實的問題，漏漿和漏灌現象也很普遍，如果不及時解決會給結構的整體安全帶來很大隱患。因此，這要求技術部門盡快改進壓漿工藝，提高留孔質量，完善漿體配置；另一方面施工單位也要加強對孔道壓漿工序的重視，保證整個工序的質量。

7 結語

預應力技術之所以得到快速的推廣應用是因其用途廣泛，但預應力張拉施工工藝相對較復雜，施工工藝專業性要求高，預應力在結構施工及使用中會產生損失，并且其影響因素也比較復雜。為了有效地發揮預應力構件的優點，應能合理地控制預應力損失，并通過不斷地總結施工經驗，進一步提高施工工藝，這樣才能使其更好地服務于建設工程。