預應力混凝土連續剛構橋長曲線預應力束張拉控制方法研究

吳章旭，劉德龍，梁軍林，黃國森

(1.廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023；2.中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 064099)

0 引言

橋梁工程中，越來越多預應力混凝土連續剛構橋的設計跨徑不斷增大，但主跨跨中下撓和腹板開裂卻成為其主要病害且未能得到有效的解決。近些年來，大部分學者認為混凝土的收縮徐變、預應力損失過大、施工過程控制監管不到位等是造成病害的主要因素[1]。針對長曲線預應力摩阻損失計算的問題國內很多學者認為規范中曲線束摩阻損失計算公式中法向應力為均布應力與實際不符合，并提出了法向應力為非均勻分布并推導其應力分布函數[2-4]；同時部分學者通過現場試驗分析認為長曲線束張拉實際的預應力損失往往大于理論計算值[5-7]。

最新《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)中有關六項主要因素影響預應力損失[8]，其中占比最大的為預應力鋼筋與管道壁之間摩擦引起的預應力損失。雖說預應力束的施工有嚴格的工藝流程要求，但是現場實測長曲線預應力損失依然偏大。本文從施工過程控制的角度研究長曲線束的張拉控制方法，從而減少施工過程中造成較大的管道摩阻損失。

1 長曲線束張拉應力分析

圖1 25φs15.2 mm縱向鋼束的編束示意圖

通過曲線段時，鋼束外側的鋼絞線長度增大，采用長度增大系數表示。如腹板豎彎束圓心角為25°，當豎曲線半徑為8 000～15 000 mm時，25φs15.2 mm鋼束曲線外側鋼絞線增長0.30%～0.57%，張拉端伸長值相同時，外側鋼絞線的應力降低了相應比例。

所有鋼束需共同承擔荷載，外圍鋼束承擔應力比例減小部分將轉移由中心鋼絞線承擔。25φs15.2 mm鋼束中心鋼絞線有1根，第一層有6根，第二層有12根，第三層有6根。不同層位的鋼絞線應力分布如表1所示。

表1 縱向25φs15.2 mm鋼束中不同層位鋼絞線應力

應力分布為表1中每個曲線的應力系數的乘積。如25φs15.2 mm腹板下彎束由兩個半徑為10 000 mm的平曲線和1個半徑為15 000 mm的豎曲線組成，則中心鋼絞線的應力系數為：1.072 72×1.048 51=1.206 5，中心鋼絞線的應力較平均應力增大1.206 5倍。如果平均應力為抗拉強度的0.75，則中心鋼絞線的實際應力為抗拉強度的0.904 9倍，達到1 683 MPa。因此，中心鋼絞線容易被拉斷。

在曲線段，鋼束與波紋管接觸線的轉彎半徑最小，而外圍鋼絞線的轉彎半徑與接觸波紋管鋼絞線的轉彎半徑相差更大，從而造成彎道內側鋼絞線的應力更大，彎道外側的應力更小。采用S形曲線，使位于內側的鋼絞線在下一個轉彎時變成外側，同樣使外側的鋼絞線在下一個轉彎時變成內側，有利于緩解高程鋼絞線中的應力。不考慮彎曲造成的應力損失時，采用S形曲線對改善應力分布均勻性有利。

2 孔道安裝偏差控制

孔道安裝偏差對預應力分布及預應力損失有重要影響，主要由孔道偏差摩擦系數反映。孔道偏差摩擦系數隨孔道安裝偏差及孔道摩擦系數增大而線性增大。

影響孔道安裝偏差的主要因素是定位鋼筋的間距和定位準確性。金屬波紋管在均布荷載作用下的承載力是在彈性地基支承條件下測得的，其破壞條件是達到規定荷載時變形比符合要求，不發生脫扣、咬口破裂及其他變形破壞。在實際使用環境中，波紋管支承在鋼筋上，其承載能力低于彈性支承條件下的承載能力。

為了確定鋼筋支承間距，首先根據彈性地基梁位移公式研究破壞條件，然后再按簡支梁受均布荷載作用和允許最大變形量確定定位鋼筋的間距。波紋管安裝定位時，直線段架力鋼筋的間距應符合表2的要求。

表2 波紋管安裝鋼筋支架間距取值表(mm)

曲線段架力鋼筋的間距尚需加密。波紋管在搬運時，應單根搬運，并且不能在地上拖拉。采用吊架起吊時，注意吊架支點間距，防止波紋管在搬運過程中折斷。

3 預應力筋編束與穿束控制

每根鋼絞線由7根鋼絲捻成，每束鋼絞線由若干根鋼絞線經過編束而成。在張拉過程中，每根鋼絲、鋼絞線和鋼束不同部位的應力和應變響應不同，會對預應力值及伸長值分布有顯著影響。

單根鋼絞線的應力分布出現上述現象的主要原因是在鋼絞線捻制過程中外層鋼絲與中心鋼絲有纏繞，使外層鋼絲長度增加，在相同軸向產生變形時，外層鋼絲的應變較內層鋼絲的小，從而外層鋼絲的應力較低。根據這個原理，如果一束鋼絞線中的鋼絞線之間有纏繞，不同鋼絞線的長度不同，兩端張拉時每根鋼絞線的應變和應力也不同，纏繞程度越大，長度差異也越大，從而應力和應變差異也越大。為了提高鋼束中應力分布的均勻性，防止鋼絞線拉斷，應采取措施防止纏繞，使鋼絞線束相互平行。預應力編束與穿束流程如圖2所示。

圖2 預應力編束與穿束流程圖

4 溫度場引起的預應力損失控制

溫度變形引起的預應力損失包括溫度均勻變化引起的損失和溫度梯度引起的損失。其中，溫度均勻變化引起的預應力損失與施工環境溫度、張拉時機、混凝土水化熱溫升及當地的氣候條件有關；而溫度梯度引起的預應力損失占張拉預應力的0.2%，可不考慮。

圖3 溫度均勻變化引起的預應力損失曲線圖

由圖3可知，施工溫度越高，溫度收縮引起的預應力損失越大。當施工溫度為30 ℃時，3 d張拉預應力、溫度收縮引起的預應力損失為8.0%。相同溫度條件下，張拉預應力的時間越遲，溫度收縮引起的預應力損失越小。如施工溫度為20 ℃時，3 d和10 d張拉預應力，溫度收縮損失由5.6%下降到3.0%。因此，選擇在較低溫度下施工，推遲張拉曲線束預應力時間，對減少預應力損失十分有利。

5 預應力筋松弛引起的損失控制

利用預應力筋的松弛規律，在經濟、合理范圍內確定預應力張拉持荷時間。不同持荷時間對預應力松弛損失影響如后頁圖4所示。

由圖4可知，隨著持荷時間的增加，松弛損失增大，當持荷時間>3 min時，松弛損失變化較平緩。工程中在張拉預應力達到控制應力后，持荷一定時間使松弛完成一定比例，從而可減少錨固后的松弛損失。精軋螺紋鋼

張拉持荷時間對松弛損失影響較大，持荷效果較好，而高強低松弛度鋼絞線增加持荷時間對減少松弛損失效果不明顯。

圖4 持荷時間對預應力松弛損失的影響曲線圖

鋼束中不同鋼絞線的應力分布各不相同，所以預應力松弛損失及損失速率也不同。曲線段與波紋管接觸的鋼絞線應力最大，頂部的鋼絞線應力最小，從而與波紋管接觸的鋼絞線應力松弛損失最大，使預應力分布的均勻性發生變化。鋼束中不同部位鋼絞線應力相差最大為18%，孔道中上下鋼絞線的應力松弛損失相差39.6%，超張拉不能解決應力差異造成的松弛損失差異。為控制孔道內的應力松弛損失，施工中應控制孔內鋼絞線纏繞，慎用超張拉工藝，防止斷絲。

6 結語

通過對長曲線束預應力張拉控制方法的研究取得以下結論與建議：

(1)加強預應力管道定位的準確性，選擇合適的鋼筋間距并適當加密，可以減少施工中的不確定因素對管道偏差摩阻系數的增長影響。

(2)嚴格控制預應力筋編束與穿束的施工流程，預應力筋兩端對應相同的錨具孔眼編號，避免穿束過程中預應力筋的相互纏繞與扭轉。

(3)均勻溫度場的變化對預應力損失影響較大，選擇在較低溫度下施工，推遲張拉預應力時間，對減少預應力損失十分有利。

(4)保證預應力束初張與終張拉時間能有效減少預應力松弛，對于長曲線預應力束建議持荷>10 min，同時慎用超張拉工藝防止斷絲。