預應力鋼束斷絲影響分析及其處治措施

摘要：為研究掛籃施工時連續剛構橋預應力鋼束斷絲的合理對策，文章以廣西在建某連續剛構橋為工程背景，建立其T構有限元模型，對預應力鋼束斷絲前后的應力、位移進行影響分析，并對應力進行現場監測。結果表明：有限元分析結果與現場監測結果吻合，預應力鋼束斷絲對懸臂狀態下頂板壓應力的儲備削弱量達1.0 MPa，對懸臂狀態下豎向位移向下的下撓量最大影響值達-9.7 mm。對此，提出了張拉備用束與超張拉后續預應力束的處治措施，實際處治效果良好，消除了斷絲的影響。

關鍵詞：連續剛構橋；預應力鋼束斷絲；影響分析；監測；處治措施

中圖分類號：U441+.5 A 37 123 3

0 引言

采用掛籃施工法的預應力混凝土連續剛構橋，其預應力施工工序（后張法）為：波紋管安裝→混凝土澆筑、養護→預應力穿束→預應力張拉、壓漿。在規范［1］中對后張預應力有斷絲限制：每束（單根）鋼絞線內斷絲控制數為1絲且每個斷面斷絲之和不超過該斷面鋼絲總數的1%。文獻［2-7］對鋼絞線斷絲問題提出了對策：施工中要加強材料的檢驗；滑絲、斷絲若不超過規范允許數量，可不予處理；更換新的預應力鋼束和錨具對其重新張拉等。上述主要是從工藝上提出預防措施及處理對策，未從結構的位移、力學性能對其進行分析，無法找到鋼束斷絲的最佳對策。

本文針對某預應力混凝土連續剛構橋在施工過程中鋼束斷絲的問題（某一梁段的波紋管破損后被泥漿堵塞導致無法穿束，對頂板鉆孔開倉，因操作不當導致其他梁段鋼束斷絲），利用有限元軟件進行分析，并進行現場監測，研究鋼束斷絲對頂板壓應力的儲備削弱及梁體下撓的影響，提出張拉備用束與超張拉后續預應力束的處治措施，用以指導該橋的施工。

1 工況概況

1.1 橋梁概述

廣西某在建連續剛構橋（65 m+120 m+65 m）采用掛籃施工法，箱梁澆筑（C50混凝土）分段長度依次為：13 m（0#梁段）+4×3.5 m（1～4#梁段）+4×4.0 m（5～8#梁段）+5×4.5 m（9～13#梁段），邊、中跨合龍段長均為2.0 m，邊跨現澆段長3.84 m，箱梁頂寬12.24 m，底寬6.5 m。箱梁根部高7.0 m，跨中高3 m，箱梁根部底板厚150 cm，跨中底板厚32 cm，其高度及底板厚度均按2次拋物線變化。上部結構按全預應力混凝土構件設計，采用三向預應力體系，縱向預應力的單根鋼絞線直徑為15.2 mm，公稱面積為139 mm2，彈性模量Ep=1.95×105 MPa，標準強度fpk=1 860 MPa，錨下張拉控制應力σcon=0.75 fpk。其頂板鋼束編號為T0～T14（其中T0～T12分別為0#～12#梁段頂板鋼束、T13～T14為13#梁段頂板鋼束）、TY（備用束），腹板鋼束編號為F0～F12（分別為0#～12#梁段腹板鋼束）。頂、腹板的預應力分布如圖1所示。

1.2 鋼束斷絲概述

某一波紋管破損后被泥漿堵塞導致該梁段無法穿預應力鋼束，故對頂板進行鉆孔開倉，因操作不當致使其他梁段的鋼束被鉆斷。對全橋的鋼束斷絲進行統計，其結果見表1。

2 有限元分析與現場監測

2.1 有限元模型

采用Midas Civil有限元軟件建立平面桿系模型，如圖2所示。模型共包括88個節點、84個梁單元。邊界條件為：墩梁固結采用彈性連接中的剛性連接，墩底采用固結連接。考慮了懸臂澆筑的施工全過程（掛籃行走、混凝土澆筑、縱向預應力張拉），未考慮橫向與豎向預應力。

主梁C50混凝土彈性模量E＝3.45×104 MPa、橋墩C40混凝土彈性模量E＝3.25×104 MPa；預應力彈性模量E＝1.95×105 MPa、錨固回縮量Δ＝0.006、孔道偏差系數k＝0.0015、管道摩阻系數＝0.25、松弛率為0.3。某鋼束的斷絲通過對預應力荷載的鋼束特性值中的鋼束面積參數進行調整。

圖2 T構有限元模型圖

2.2 計算結果

在結構自重、掛籃荷載的共同作用及未斷絲的縱向預應力、已斷絲的縱向預應力（該文中斷絲狀態指表1統計的所有鋼束斷絲后的狀態，即該橋實際發生斷絲的狀態）單獨作用下，T構在懸臂狀態下的箱梁頂板和底板應力，以及梁體豎向位移分布情況分別如表2、表3所示。

由表2、表3分析可知：

（1）因鋼束的斷絲減小了T構各梁段頂板壓應力的儲備，最大減值（第9#、11#、12#梁段）達1.0 MPa，可見鋼束的斷絲對頂板壓應力的儲備影響較大；而鋼束斷絲增大了T構各梁段底板壓應力的儲備，最大增值為0.3 MPa，影響較小。

（2）因鋼束的斷絲使T構梁體產生了向下的豎向位移，最大影響值（第12#梁段）達-9.7 mm。

2.3 現場應力監測

為實測T構關鍵截面的應力狀況，選用BJK-北京基康振弦式應變計對T構的邊跨方向第0#梁段（T構根部）、中跨方向第7#梁段（T構1/4截面）的混凝土應變進行測試。在距離各梁段懸臂端10cm截面縱橋向布置了6個應變計，其中頂板、底板各布置3個傳感器。應變計布置見圖3。

圖3 關鍵截面混凝土應變計布置示意圖

測試T構頂板、底板鋼束斷絲后關鍵截面的混凝土應變，將實測的應變換算為應力。實測結果與計算結果對比如表4所示。

表4的實測結果表明：有限元計算結果與現場實測結果吻合良好，說明該有限元模型模擬T構具有較好的準確性。

3 鋼束斷絲處治措施

因預應力鋼束的兩個錨固端都已澆筑在混凝土內，無法替換已斷絲鋼束。結合前述分析可知：預應力鋼束斷絲須采取一定的措施改善梁體的受力狀況，避免因梁體向下的豎向位移過大引起橋梁無法正常合龍，也避免因頂板壓應力的儲備不足引起后期運營階段橋梁的開裂與下撓。對此，提出兩種處治措施：（1）張拉備用束；（2）超張拉后續預應力。

3.1 張拉備用束

在12#預應力張拉之后，啟動備用束（已斷絲狀態），將備用束張拉500 kN，換算成張拉力為297.62 MPa。T構的頂板、底板應力與梁體豎向位移的變化情況如圖4～6所示。

3.2 超張拉后續預應力束

將第13#梁段的T13、T14預應力鋼束張拉值分別由原設計的1 395 MPa增加至1 413.6 MPa（即δcon=0.75 fpk=0.75×1 860=1 395 MPa，增至δcon’=0.76 fpk=0.76×1 860=1 413.6 MPa）。T構的頂板、底板應力與梁體豎向位移的變化情況如圖7～9所示。

由圖7～9可知：

（1）分別采取以上兩種處治措施，對T構因鋼束斷絲引起頂板壓應力的儲備被削弱、梁體下撓都有一定的改進效果，對底板應力影響較小。

（2）對比兩種處治措施，超張拉后續預應力能顯著增大頂板壓應力的儲備，避免橋梁發生下撓，消除斷絲的影響，實現未斷絲的效果；另一方面，保留了備用鋼束以備未來之需。

4 結語

（1）預應力混凝土連續剛構橋在施工過程若斷絲較多，將會導致頂板壓應力的儲備被削弱，并出現梁體下撓，影響橋梁的合龍精度、結構的受力性能及耐久性。

（2）采取張拉備用束、超張拉后續預應力束對T構因鋼束斷絲引起頂板壓應力的儲備被削弱、梁體下撓情況都有一定的改進效果。

（3）適當超張拉后續預應力束能顯著增大頂板壓應力的儲備，避免橋梁發生下撓，消除斷絲的影響，實現未斷絲的效果。

參考文獻

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收稿日期：2023-01-26