混凝土現澆箱梁超長單端張拉法預應力損失分析

彭閔敏，王洪杰，刁 宇，宋發達

(水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

預應力技術經過多年的發展，已普遍應用于建筑結構、橋梁工程、索塔和樓蓋結構等土木工程中。特別是在橋梁工程中，預應力結構以其剛度高、堅固耐用、抗裂性好等優點得到了越來越廣泛的應用。隨著施工技術的不斷發展，橋體跨度不斷增大，預應力構件的長度要求也越高，超長張拉技術會面臨著預應力折損問題。預應力損失過多，預制構件達不到有效應力設計值，可能給構件甚至結構帶來嚴重的危害。所以在預應力構件制作過程中，不能忽視預應力折損帶來的不良影響，需要通過計算來明確影響量來保證足夠的安全儲備。

有效預應力的影響因素有混凝土的收縮徐變、鋼絞線的張拉順序、錨圈口摩阻損失以及溫度變化等。學者們采用試驗和數值仿真手段開展了系列研究，例如徐學斌等[1]采用數值模擬的方法，分析研究了同步張拉順序和預應力批次改變對連續剛構橋預應力損失的影響。對于超長預應力張拉時預應力筋內力的研究，李正軍等[2]研究了超長預應力鋼絞線預應力在溫度變化作用下的影響，研究表明溫度變化作用影響明顯，溫差為11.7 ℃時預應力變化率為11.8%。陳成文等[3]通過實驗對超長預應力束的初應力、錨圈口摩阻損失、錨固回縮損失、有效預應力、持荷時間及超張拉荷載進行了測試，并與理論公式計算結果對比，得到了準確的有效預應力。彭元誠等[4]通過數值模擬方法，分析了通常布索方式與交叉錨固布索方式對預應力的不同影響，研究表明，新型布索方式可以明顯地控制結構撓度、結構拉應力及預應力損失，有效防止混凝土的開裂。方志等[5]基于某大跨預應力混凝土連續箱梁橋腹板豎向預應力的現場長期測試結果，對箱梁豎向預應力的各種損失進行了分析，結果表明，實測豎向預應力總損失可達其初始張拉應力的45%，錨具變形、鋼筋回縮及接縫壓縮等引起的損失占其總損失的53%。魏永兵等[6]對某橋豎向預應力損失進行測試，結果表明，采用了二次張拉工藝之后，有效預應力提高7.6%，錨固損失率僅為1.56%和1.28%。但在張拉方式對比研究上，還鮮見報道，僅見許大壘等[7]通過理論公式，分別計算了一端和兩端張拉的不同張拉方式下鋼束的有效應力減小和伸長量，通過對比分析，發現一端張拉的應力損失大于兩端張拉，且伸長量小于兩端張拉。但目前對超長梁預應力筋張拉方式和張拉次序造成的預應力損失影響還鮮有報道，因此結合成都市火車北站擴能改造配套市政工程主線橋項目，對其超長預應力單端張拉過程中的預應力張拉技術及質量控制開展研究。

1 預應力損失影響因素

1)混凝土收縮徐變。

混凝土的收縮是在初凝時體積變小，主要由于混凝土體內所含水分的變化、水泥活性以及外界環境等物理化學因素引起。混凝土徐變是由于荷載隨時間變化而引起的變形，主要由骨料結合面的裂縫持續發展、混凝土在重力作用下的變形及外部環境等因素引起。

2)鋼絞線自身影響。

不同的鋼絞線力學特性存在差異，因此在預應力施加過程中出現的預應力損失也不同。鋼束在被拉長過程中，施加的力越大，應力損失反而越多。另外，預應力損失也受荷載持續時間的影響，持荷時間越長鋼絞線的塑性變形越小，預應力折損減小。

3)施工過程的影響。

在施工過程中，施工單位往往將錨下的控制張拉力作為施工控制張拉力，而不考慮錨環口處的摩擦損失，導致預應力較低。同時，張拉后錨固過程引起的損失，施工張拉預應力張拉控制精度、張拉力與伸長量雙控協調等方面也均會引起預應力損失。

4)其他因素影響。

溫度梯度應力一般會出現在多箱、多室的箱梁中，使梁體變形增大，進而引起預應力損失。通常梁中的鋼絞線將設置一個曲折點，鋼束有曲折部分和直線部分。鋼絞線在張拉時會出現法向應力，波紋管與鋼絞線之間產生摩阻力，進而使得預應力損失。因此，當采用鋼絞線的伸長量作為張拉力的控制值時，有必要分段計算鋼絞線與管道之間的摩擦力，減小預應力損失。若錨具質量不合格，則在預應力施加過程中會出現過大變形、滑移甚至損壞等情況，導致預應力構件中鋼筋放松，從而損失預應力。因此，在選擇錨具時，必須根據設計采用正規廠家生產的錨具，以保證每批構件的穩定性，從而準確控制錨具變形引起的預應力損失。

2 工程概況

成都市火車北站擴能改造配套市政工程主線橋全長277.3 m，為單向單車道。梁段為現澆箱梁，三跨跨徑為28.5 m×3。箱梁預應力采用17φs15.2鋼絞線進行后張法張拉，其中第三聯F1鋼束長度8 633.7 cm，F2鋼束長度為8 609.9 cm，F3鋼束長度為8 597.1 cm。橋梁采用C50混凝土進行澆筑，主梁截面采用單箱單室箱梁截面，橫截面如圖1所示，鋼絞線平彎大樣如圖2所示。鋼束數量見表1。

表1 鋼束數量表

3 預應力損失數值分析

采取midas Civil創建30 m單跨梁數學分析模型，如圖3(a)所示，對預應力折損進行分析。預應力鋼絞線按實際圖紙布置，分析模型如圖3(b)所示，模型除各種施工階段荷載外，還考慮了收縮徐變、系統溫差對主梁的影響，本文只分析縱向預應力損失影響。

3.1 長度及張拉設置影響

預應力折損程度也受時間的影響，在預應力施加瞬間造成的折損為瞬間折損，構件制作完成后，長時間后的折損為長期折損。此外，還需關注不同張拉方式、張拉順序造成的不同結果。首先不考慮張拉次序的影響，采用同步張拉鋼束，僅考慮張拉方式的影響，分別采用雙端張拉和單端張拉(張拉末端)兩種情況，采用兩種不同張拉方式時，鋼束的內力分布如圖4所示。

如圖4所示，單端張拉方式的鋼束有效應力與雙端張拉方式的鋼束幾乎一樣，但考慮時間長短，長時間折損后的有效應力要略小于考慮瞬間折損的有效應力。為了闡明張拉設置方式對預應力鋼束內力的影響，提出張拉設置內力系數η，為單端張拉內力與雙端張拉內力的比值。

(1)

其中，Ts為單端張拉內力;Td為雙端張拉內力。將數據代入式(1)，內力系數計算成果如圖5所示。從30 m的單 跨模型的內力系數η分布可以看出，無論是短期的預應力瞬時損失后的內力，還是考慮了長期損失后的預應力鋼束內力，單端張拉和雙端張拉的有效應力基本一致，內力分布系數基本保持在1.0左右，因此可知，張拉方式的變化對于30 m左右的單跨張拉的影響較小。

建立全橋85 m模型，共3跨，每跨跨長均為28.5 m，依據圖紙坐標布置了12根預應力鋼束，如圖6所示。進一步分析下張拉設置方法對超長現澆箱梁的有效應力的影響。

鋼束的有效應力如圖7所示。通過與單跨梁對比，鋼束的長度變長，張拉方式不同，鋼束的有效應力有明顯差別，且越接近固端，有效應力差別越明顯，雙端張拉方式的有效應力比單端大，即應力損失較小。且相對于僅考慮瞬時折損，考慮所有折損后的有效應力明顯降低。

將圖7中的不同拉伸方式的有效預應力分布代入到式(1)中計算，得到全橋預應力鋼束的內力系數分布，如圖8所示。與30 m模型相比，預應力鋼束內力分布隨著張拉方式不同，表現出明確的區別。從中點處區分，中點-張拉端，雙端張拉與單端張拉的內力仍保持較好的一致性。但固定端-中點出現明顯的分歧，越接近固定端，區別越明顯，瞬時損失的對比三組預應力鋼束，F3的η為0.89，F2的η為0.83，F1的η為0.77；在長期預應力損失條件下，對比F1,F2和F3的內力系數，F3的η為0.90，F2的η為0.85，F1的η為0.80，因此F1組預應力鋼束瞬時損失的差別最大，其原因在于F1組預應力鋼束平彎轉角更大，預應力損失也就越多。

3.2 張拉次序影響

一般情況下，鋼筋束的張拉順序是根據以下因素計算確定的：

1)張拉時避免構件截面出現過大的偏心應力狀態，以免在混凝土邊緣產生拉應力。

2)盡量減小梁體產生過大的上拱度，防止梁體開裂或變形嚴重。

3)盡量控制預應力損失。因此要考慮不同的張拉次序，考察鋼絞線內力分布情況，張拉次序工況如表2所示。

表2 張拉次序工況

將預應力鋼束的沿徑向分布的內力繪制成圖9，從圖9可以看出，兩種工況下，F1和F2預應力鋼束的有效預應力基本一致，F3略有區別，以中心點為分界點，固定端-中點段，工況一中F3預應力鋼束有效預應力中略大。中心點-張拉端段，工況二中F3預應力鋼束有效預應力中略大。然而，與各工況下的有效預應力值相比，F1仍然具有最大的預應力損失和最小的有效預應力。

4 預應力張拉控制技術

4.1 施工現場實際狀態數據測試

對于長度較大的且張拉方式為一端張拉鋼束的預應力施工，保證預應力達到要求的關鍵在于有先進的施工工藝和嚴謹的施工組織與管理。在施工過程中，通過采取質量控制方法，開展項目現場實測及數據分析工作，進而提高預應力工程質量。

4.2 智能張拉控制

采用智能自動張拉設備以應力為調控指標，將伸長量偏差作為校準參數，精準地控制張拉力和加載速率，同時生成數據與現場實際測量數據進行對比，提高施工質量并降低控制難度，明確理論依據并使控制數據能夠更好地與智能控制設備相結合。

采用的主要儀器為智能張拉設備，相較于傳統張拉設備，主要優勢有：

1)張拉力，分級百分比等數據系統錄入，避免現場反復校對中出現錯誤。

2)壓力上升均為智能程序勻速完成，避免人工手動升壓、降壓速度過快，造成張拉力陡增或雙端張拉升壓節奏不一致。

3)穩壓期間張拉力損失，由系統自動補償拉力，補償精準。

4)自動采集伸長數據，計算實際伸長值，精確可靠，避免人工現場計算誤差。

5)智能自動張拉設備相比傳統手動式張拉設備，穩定性更強，張拉值更接近理論值，并保證數據的準確性。

6)二次張拉低縮短鋼絞線垂直預應力錨固體系能顯著削減一次張拉放張造成的預應力喪失。

7)摩阻系數測定，準確的摩阻系數有效地減小伸長值計算與實際之間差異，避免鋼絞線超張拉等情況的發生。

5 結論

1)研究結果說明，預應力構件及預應力鋼束長度越長，一端張拉與雙端張拉的預應力折損差異越明顯。當模型長度為30 m時，單端張拉和雙端張拉兩種施工方式導致的預應力損失差別不大，有效預應力基本保持一致。當模型長度大于80 m時，單端張拉的預應力損失大于雙端張拉，最小內力系數達到0.77；因此，在實際張拉過程中，應對較長梁段單端張拉預應力的張拉控制應力進行適當調整，以確保結構有效預應力達到設計值。

2)在預應力施加過程中，鋼束的有效應力會隨著張拉次序的不同而改變。因此，為了避免過多的應力損失，需進行分析計算得到合理的張拉次序。