預應力現澆連續箱梁橋跨結構預應力損失的影響因素分析

邢曉東，牟雨龍，張康榮，郭迎旗

（中電建路橋集團有限公司，北京 100048）

引言

我國預應力橋梁建設已經大范圍應用于大跨橋梁中，其超強的撓度控制力能夠使橋跨結構跨中部位的撓度值降到最小，因此可以施作跨度更大的橋梁結構。在實際工程中，涌現出多種預應力張拉施工措施，無論在簡支梁還是連續梁中都得到廣泛應用。在這個基礎上，對于橋跨結構施加的預應力大小逐漸成為一項重要技術內容，因為對于不同環境下不同受荷情況的橋梁，需要匹配大小不同的預應力，以抵消在橋跨施工完成后形成的自重荷載及其他橋面荷載所產生的撓度，使得橋梁在水平面上剛好水平。這種技術要求對工程難度和計算高度都提出了更高要求，然而近些年來，在大型大跨度橋梁檢測過程中發現，許多橋跨均出現不同程度的變形問題，有的跨中撓度已經超過撓度允許值，不得不采用后期加固的方式進行變形控制。究其原因還是在預應力施加后，出現了不斷損失的現象。隨著橋跨預應力不斷損失，原來設計的預應力值開始失去抵抗橋跨荷載帶來的豎向應力，從而不斷出現撓度擴大。預應力損失問題已成為橋梁工程中一個亟待解決的重要技術問題。

1 工程概況

臺城河特大橋中心樁號K0+743.5，主橋跨徑組合為70 m +120 m +70 m；南引橋橋跨組合為3×25 m+(35+45+35) m+(10×23.7+6×25) m，其中第二聯上跨S274，采用35 m+45 m+35 m 等截面現澆連續箱梁，其余采用先簡支后橋面連續小箱梁。現澆段為3#～6#橋墩，橋墩采用方柱墩，基礎為鉆孔灌注樁基礎。所需預應力張拉材料使用鋼絞線進行，箱梁斷面結構及澆筑分倉情況見圖1。預應力鋼絞線需滿足箱梁混凝土強度、彈性模量達到設計規定時進行預應力張拉施工。

圖1 箱梁斷面結構及分倉澆筑

為保證預應力鋼絞線的張拉順利，并將施加的預應力準確傳遞至整根梁段，每根孔道需要做摩阻測試，同時時刻關注壓力表讀數和張拉時鋼絞線情況，張拉結束禁止用電弧進行切割，需要保證預應力全部傳入梁體中，不能有松勁現象。此外，對于封端混凝土及時進行施工，鋼絞線外露時間不宜過長，否則容易發生銹蝕，同樣影響預應力傳遞。

2 預應力控制分析

2.1 預應力張拉理論計算 在各項準備工作整理好的基礎上，開始進行預應力的計算。對于本工程箱梁的鋼絞線張拉，需結合現場實際和設計規范規定進行，其平均張拉力為

其中，pp為鋼鉸線的平均張拉力，N；P 為預應力筋張拉端的張拉力，N；x 為從張拉端至計算截面的孔道長度，m；θ 為從張拉端至計算截面曲線孔道部分切線的夾角之和，rad；k 為孔道每米局部偏差對摩擦的影響系數；μ 為預應力筋與孔道壁的摩擦系數。

由式(1)能夠得到現澆連續箱梁的鋼絞線預應力張拉平均張拉力大小。利用這個數值來進行理論推算，可以很好地指導現場實際施工情況，便于隨時掌握預應力張拉值，以進行動態調整。

由于實際張拉工程都需要采用雙控進行[1]，即應力控制和伸長量控制。故在鋼絞線張拉力的計算基礎上，還需對張拉后的鋼絞線的伸長值做準確把控，過長過短都不能達到理想效果。利用材料力學原理：

式中，pp為鋼鉸線的平均張拉力，N；L 為鋼鉸線的長度，mm；Ap為鋼鉸線的截面積，mm2；Ep為鋼鉸線的彈性模量，N/mm2。

通過式（2）可以直接計算出鋼絞線的理論伸長值ΔL，再根據實際伸長情況，予以對比得出符合工程特性的伸長值要求。實際伸長值往往由兩部分構成，這是理論值無法計算到的部分，即初始應力作用下的伸長值和相鄰材料作用影響下的疊加伸長值，這二者共同構成實際伸長情況。伸長量的計算過程是準確把握預應力施加的逐步動態過程，通過伸長情況與應力增量情況能夠不斷反映出材料特性，對后期預應力出現損失提供有效數據支持。大量工程預應力張拉實際已經證實：如果沒有對張拉力的一個定量把握和對鋼絞線伸長值的判斷，張拉預應力鋼絞線將是危險的[2]，預應力張拉完畢后的結構本身就已經開始做預應力損失的逐步遞增態勢。基于該認識，作為預應力現澆連續箱梁的預應力損失的源頭即是張拉前的應力變形控制。

2.2 鋼絞線孔道壓漿摩阻分析 在完成預應力鋼絞線的張拉以后，迅速進行孔道壓漿工藝。這步工作的主要目的是盡快完成鋼絞線的預應力傳遞，使鋼絞線與箱梁結構本體連成一體。這個過程中會出現預應力的損失，因為在壓漿封孔時，其二者接觸的摩阻力是一個變量，即摩阻Fμ不是常量，而是關于孔道夾角θ 的函數。基于這樣的認識，現行橋梁規范有關孔道壓漿的計算公式就存在不足，因為在規范公式中將孔道壓漿摩阻作為定值取用，而事實上該值是變量。根據國內學者已經推導出的結果，壓漿與預應力鋼絞線之間的摩阻的接觸應力大致有：二次曲線、余弦函數及指數函數等關系[3]，其推導出的摩阻Fμ是一條二次曲線，其數學描述為

式中，T 為張拉力，N；p（θ）為壓漿與預應力鋼絞線的接觸應力；R 為孔道接觸面曲率半徑；α 為接觸角。

基于式(3)，可以明確壓漿摩阻與張拉力、接觸應力以及接觸角和曲率半徑均有關系，這些條件不同，則會直接影響壓漿摩阻力的變化。而孔道摩阻力的變化，會抵消掉一部分已經施加的預應力。因此在施工工藝完成時，就會出現預應力已經丟失的情況。根據這個公式，假設在不同的孔道夾角θ 中，實際摩阻與規范計算摩阻的對比結果見表1。

表1 壓漿摩阻實際與規范對比值

表1 結果顯示，實際摩阻值大于規范計算值，驗證了規范方式計算的孔道壓漿產生的摩阻比實際偏小。并且隨著夾角的增大，二者的差距逐漸增大；同時在夾角越大時，規范計算結果與實際值相差也越大，用規范計算的結果不能指導實際施工。此外，規范值與實際摩阻值在任一夾角情況下都不相等。這說明做孔道壓漿的摩阻力分析，規范給出的計算值過于保守，在實際工程中將給預應力損失帶來較大的影響，不能直接套用。

3 預應力損失影響因素

3.1 摩阻力 對于預應力損失的判斷至關重要，通過上述分析不難發現，從預應力鋼絞線張拉完成后的孔道壓漿開始，預應力就面臨損失的風險。而在大量實際工程中，預應力的孔道壓漿摩阻力的計算基于規范值進行控制[4]，這就加大了預應力損失的速率和數量。壓漿摩阻的存在是預應力損失的首要影響因素。

3.2 預應力鋼絞線應力松弛 應力松弛是金屬材料在受到預先施加的力作用后，內部結構發生錯位，而使原有的預應力減少的一種現象。在材料原理上表征為其彈性變形轉化為一部分塑性變形。它是一種長期微觀上的反應，無法從施工本身予以控制。對于橋梁大跨結構，動輒百年的大型工程，松弛效應對預應力造成的損失也是不可忽視的。

在既有的研究中，對于混凝土結構的預應力認識主要依據是Bazant[5]提出的用老化系數來考慮的齡期調整有效模量法進行應力松弛的表征，即

式中，χ（t，t0）即是老化系數，其取值范圍為0.5<χ（t，t0）<1；E（t）則是考慮隨時間變化的齡期調整有效模量；σc為鋼絞線的預應力；τ 為混凝土的加載齡期，時間為天；φ（t，t0）為混凝土徐變系數。

通過式(4)考慮的應力松弛，從某種意義上講也僅是單獨考慮了預應力鋼絞線的因素。實際現澆連續箱梁在施工完成進入服役階段，會經歷各種結構耐久度的考驗，并會因結構混凝土自身的材料性能變化帶來鋼絞線的材料性質變化，這體現于橋跨結構的收縮徐變效應，混凝土徐變導致鋼絞線的預應力被消耗，出現除式(4)自身預應力累計外，還有混凝土徐變效應帶來的疊加預應力累計。這些應力累計都會抵消掉原有的預應力鋼絞線的設計預應力值。因此，作為預應力損失的一個重要源頭，鋼絞線的應力松弛需要在材料中注意復合考慮[6]。作為大跨橋梁，可在預應力鋼絞線中加入活性成分，延長材料本身的應力保有壽命，從而盡最大可能延緩應力松弛的到來，為工程質量帶來保證。

3.3 結構混凝土收縮徐變 上述節次已經分析到橋跨結構預應力損失的一個重要因素是鋼絞線的應力松弛，在這個基礎上并存的是結構本身的收縮徐變問題[7]。混凝土收縮徐變會對結構物內部預設的預應力造成影響，直接導致預應力的損失。

以臺城河特大橋連續箱梁為例，假設正常預應力施加情況下沒有發生任何損失，以橋梁結構正常服役3年計算，得出圖2 中橋跨預應力隨服役時間變化的預應力損失關系曲線。

通過圖2 進行符合工程實際的推算，在考慮混凝土收縮徐變因素后，橋梁結構的預應力損失量遠大于常規計算值，并且高于98%的置信區間，這說明從混凝土結構耐久性上來說，徐變帶來的預應力損失的影響是必然的，比計算值高很多，并且考慮結構正常受載服役前3 年，結構承載能力的預應力在前期趨于一致；而在第3 年開始明顯上升，在服役時間達到1 000 d 左右時，橋梁結構的預應力損失將達到230 MPa 左右，對比計算值增量約為100 MPa。這個結果足夠說明混凝土徐變對預應力損失的影響之大。

圖2 預應力先交連續箱梁橋結構混凝土徐變對預應力損失變化

通過對臺城河特大橋連續箱梁橋跨預應力損失的模擬推算可知，結構混凝土徐變是不可避免的，這在本質上是混凝土材料的固有特性，無法克服。但隨著服役時間的延長，這種徐變效應呈現不斷遞增的趨勢，這個情況是可以加以控制的。在工程上來說，前期施工如能把握這個特點，就應結合橋跨的跨度和施工荷載的疊加情況，采用加密配置預應力筋或各種復合加筋材料進行共同承載，以減少徐變效應帶來的橋跨結構預應力損失。

4 結論

本文分析了預應力連續現澆箱梁施工后橋梁結構發生的預應力損失的問題，著重分析了影響預應力損失的幾大因素，得出以下結論。

（1）預應力混凝土現澆連續橋梁的預應力施加體系需要做好事前控制，從張拉結束開始，預應力鋼絞線就已經開始損失預應力，這是由于孔道壓漿帶來的必然結果。

（2）由于鋼絞線與橋跨結構物本體之間的摩擦角度并非固定值，因此按照摩擦角計算的接觸應力是變量，規范計算時將其看作常數是不妥的，與實際工程相差較大。

（3）基于橋梁結構長期服役的特征，發現鋼絞線應力松弛效應和混凝土收縮徐變特性是影響橋梁結構預應力損失的重要影響因素，在施工過程中可以作加布筋或復合加筋材料進行有效控制，最大程度減少預應力損失。