預(yù)應(yīng)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(xù)剛構(gòu)橋預(yù)應(yīng)力鋼束斷絲的合理對策，文章以廣西在建某連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，建立其T構(gòu)有限元模型，對預(yù)應(yīng)力鋼束斷絲前后的應(yīng)力、位移進(jìn)行影響分析，并對應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。結(jié)果表明：有限元分析結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果吻合，預(yù)應(yīng)力鋼束斷絲對懸臂狀態(tài)下頂板壓應(yīng)力的儲備削弱量達(dá)1.0 MPa，對懸臂狀態(tài)下豎向位移向下的下?lián)狭孔畲笥绊懼颠_(dá)-9.7 mm。對此，提出了張拉備用束與超張拉后續(xù)預(yù)應(yīng)力束的處治措施，實際處治效果良好，消除了斷絲的影響。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)橋；預(yù)應(yīng)力鋼束斷絲；影響分析；監(jiān)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(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，其預(yù)應(yīng)力施工工序（后張法）為：波紋管安裝→混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)→預(yù)應(yīng)力穿束→預(yù)應(yīng)力張拉、壓漿。在規(guī)范［1］中對后張預(yù)應(yīng)力有斷絲限制：每束（單根）鋼絞線內(nèi)斷絲控制數(shù)為1絲且每個斷面斷絲之和不超過該斷面鋼絲總數(shù)的1%。文獻(xiàn)［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(guī)范允許數(shù)量，可不予處理；更換新的預(yù)應(yīng)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(yù)防措施及處理對策，未從結(jié)構(gòu)的位移、力學(xué)性能對其進(jìn)行分析，無法找到鋼束斷絲的最佳對策。

本文針對某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)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(dǎo)致無法穿束，對頂板鉆孔開倉，因操作不當(dāng)導(dǎo)致其他梁段鋼束斷絲），利用有限元軟件進(jìn)行分析，并進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，研究鋼束斷絲對頂板壓應(yīng)力的儲備削弱及梁體下?lián)系挠绊?，提出張拉備用束與超張拉后續(xù)預(yù)應(yīng)力束的處治措施，用以指導(dǎo)該橋的施工。

1 工況概況

1.1 橋梁概述

廣西某在建連續(xù)剛構(gòu)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(xiàn)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(jié)構(gòu)按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計，采用三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向預(yù)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)強度fpk=1 860 MPa，錨下張拉控制應(yīng)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(yù)應(yīng)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(dǎo)致該梁段無法穿預(yù)應(yīng)力鋼束，故對頂板進(jìn)行鉆孔開倉，因操作不當(dāng)致使其他梁段的鋼束被鉆斷。對全橋的鋼束斷絲進(jìn)行統(tǒng)計，其結(jié)果見表1。

2 有限元分析與現(xiàn)場監(jiān)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(jié)點、84個梁單元。邊界條件為：墩梁固結(jié)采用彈性連接中的剛性連接，墩底采用固結(jié)連接?？紤]了懸臂澆筑的施工全過程（掛籃行走、混凝土澆筑、縱向預(yù)應(yīng)力張拉），未考慮橫向與豎向預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力彈性模量E＝1.95×105 MPa、錨固回縮量Δ＝0.006、孔道偏差系數(shù)k＝0.0015、管道摩阻系數(shù)＝0.25、松弛率為0.3。某鋼束的斷絲通過對預(yù)應(yīng)力荷載的鋼束特性值中的鋼束面積參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

圖2 T構(gòu)有限元模型圖

2.2 計算結(jié)果

在結(jié)構(gòu)自重、掛籃荷載的共同作用及未斷絲的縱向預(yù)應(yīng)力、已斷絲的縱向預(yù)應(yīng)力（該文中斷絲狀態(tài)指表1統(tǒng)計的所有鋼束斷絲后的狀態(tài)，即該橋?qū)嶋H發(fā)生斷絲的狀態(tài)）單獨作用下，T構(gòu)在懸臂狀態(tài)下的箱梁頂板和底板應(yīng)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(gòu)各梁段頂板壓應(yīng)力的儲備，最大減值（第9#、11#、12#梁段）達(dá)1.0 MPa，可見鋼束的斷絲對頂板壓應(yīng)力的儲備影響較大；而鋼束斷絲增大了T構(gòu)各梁段底板壓應(yīng)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(gòu)梁體產(chǎn)生了向下的豎向位移，最大影響值（第12#梁段）達(dá)-9.7 mm。

2.3 現(xiàn)場應(yīng)力監(jiān)測

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

圖3 關(guān)鍵截面混凝土應(yīng)變計布置示意圖

測試T構(gòu)頂板、底板鋼束斷絲后關(guān)鍵截面的混凝土應(yīng)變，將實測的應(yīng)變換算為應(yīng)力。實測結(jié)果與計算結(jié)果對比如表4所示。

表4的實測結(jié)果表明：有限元計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果吻合良好，說明該有限元模型模擬T構(gòu)具有較好的準(zhǔn)確性。

3 鋼束斷絲處治措施

因預(yù)應(yīng)力鋼束的兩個錨固端都已澆筑在混凝土內(nèi)，無法替換已斷絲鋼束。結(jié)合前述分析可知：預(yù)應(yīng)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(yīng)力的儲備不足引起后期運營階段橋梁的開裂與下?lián)?。對此，提出兩種處治措施：（1）張拉備用束；（2）超張拉后續(xù)預(yù)應(yīng)力。

3.1 張拉備用束

在12#預(yù)應(yīng)力張拉之后，啟動備用束（已斷絲狀態(tài)），將備用束張拉500 kN，換算成張拉力為297.62 MPa。T構(gòu)的頂板、底板應(yīng)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(xù)預(yù)應(yīng)力束

將第13#梁段的T13、T14預(yù)應(yīng)力鋼束張拉值分別由原設(shè)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(gòu)的頂板、底板應(yīng)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(gòu)因鋼束斷絲引起頂板壓應(yīng)力的儲備被削弱、梁體下?lián)隙加幸欢ǖ母倪M(jìn)效果，對底板應(yīng)力影響較小。

（2）對比兩種處治措施，超張拉后續(xù)預(yù)應(yīng)力能顯著增大頂板壓應(yīng)力的儲備，避免橋梁發(fā)生下?lián)希龜嘟z的影響，實現(xiàn)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(jié)語

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程若斷絲較多，將會導(dǎo)致頂板壓應(yīng)力的儲備被削弱，并出現(xiàn)梁體下?lián)?，影響橋梁的合龍精度、結(jié)構(gòu)的受力性能及耐久性。

（2）采取張拉備用束、超張拉后續(xù)預(yù)應(yīng)力束對T構(gòu)因鋼束斷絲引起頂板壓應(yīng)力的儲備被削弱、梁體下?lián)锨闆r都有一定的改進(jìn)效果。

（3）適當(dāng)超張拉后續(xù)預(yù)應(yīng)力束能顯著增大頂板壓應(yīng)力的儲備，避免橋梁發(fā)生下?lián)?，消除斷絲的影響，實現(xiàn)未斷絲的效果。

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收稿日期：2023-01-26