現澆箱梁張拉方式影響預應力損失分析

萬陽

摘要 為研究現澆箱梁張拉方式對預應力損失的影響，文章采用橋梁博士分別建立4×30 m現澆箱梁直線及曲線有限元模型，從主梁變形、截面應力及有效預應力值三個方面，反映單端張拉與兩端張拉施工方式對預應力損失的影響。結果表明：采用兩端張拉方式，中跨變形值較邊跨低，約為邊跨變形的30%；采用單端張拉方式，主梁變形最大值出現在遠離張拉端的邊跨跨中，直線段及曲線段變形量分別是采用兩端張拉方式時的3.7倍和3.6倍。采用兩端張拉方式，預應力損失最大值出現在中跨跨中位置，對于聯長120 m的直線箱梁，損失約為20%，對于聯長120 m、半徑為120 m的曲線箱梁，損失量約為25%；采用單端張拉方式，預應力損失最大值出現在遠離張拉端的梁端，損失量約為50%，有效預應力儲備不足，4#墩墩頂及第4跨跨中底緣容易出現拉應力，應給予重視。

關鍵詞 現澆箱梁；兩端張拉；單端張拉；預應力損失

中圖分類號 U442文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0102-03

0 引言

現澆箱梁因采用整體現澆施工方式，其整體性、抗彎、抗剪、抗扭性能較強[1]，且異形適應能力較為突出，外觀及主梁較T梁結構優勢明顯，被廣泛應用于對凈空及外觀要求較高的市政橋梁及小半徑匝道上。但其預應力鋼筋與管道之間的摩擦、錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮、預應力鋼筋與臺座之間的溫差、混凝土彈性壓縮以及預應力混凝土的收縮和徐變等因素會造成預應力損失[2-4]，且由于施工組織及操作空間限制，導致一端受阻，只能采用單端張拉的情況。該文研究在直線及小半徑曲線上，不同張拉方式對現澆箱梁預應力損失影響具有一定的理論意義及現實需求。

1 橋梁方案概況及分析計算模型

1.1 橋梁方案概況

該文采用常見的一聯4×30 m預應力混凝土現澆箱梁作為研究對象，并分為橋梁平面在直線及半徑為120 m曲線上兩類，在其他條件一致的情況下，分別采用單端張拉及兩端張拉的施工方式進行模擬，對變形、應力及有效預應力驗算。通過4個模型結果，對比分析橋梁在直線及小半徑曲線上，上述兩種張拉方式對預應力損失的影響。

橋梁上部結構為整體現澆預應力混凝土箱梁，橋面寬度10.5 m，單箱雙室結構，梁高1.8 m，材料為C50混凝土；下部結構為常規柱式墩，樁基礎，采用滿堂支架現場整體澆筑施工。預應力采用13束φ15.20的預應力鋼絞線，抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，張拉控制應力為0.75fpk=1 395 MPa，預應力鋼筋通長布置，編號為F1-1～6、F2-1～6、F3-1～6、F4-1～6，鋼筋張拉順序為F2→F3→F1→F4，上部結構斷面及預應力鋼筋跨中橫向布置見圖1。

1.2 結構驗算模型模擬及參數選取

該文采用橋梁博士V4.4對上述4種工況采用兩單元模型進行模擬，力求結果趨近于實際，驗算不考慮下部結構影響，采用梁單元模型，共計88個節點、82個單元，橋梁有限元模型見圖2～3。

預應力損失計算參數如下：①設計采用預埋塑料波紋管，預應力鋼筋與管道的摩擦系數μ取0.2，管道每1 m局部偏差對摩擦的影響系數為κ=0.001 5；②張拉端錨具變形值取6 mm；③預應力鋼筋采用低松弛鋼筋，松弛系數ξ取0.3；其余均按照規范計算。4種情況下施工階段模擬如表1。

2 張拉方式對預應力損失影響分析

該文從成橋階段主梁變形、應力以及有效預應力值變化情況，分析兩種張拉方式對預應力損失的影響。

2.1 成橋階段主梁變形分析

在兩種張拉方式下，由于預應力損失存在差異，對成橋階段主梁變形產生一定的影響，變形最值及對應的位置見圖4。

由圖4可知，由于連續墩墩頂處負彎矩影響，中跨變形值小于邊跨。半徑=120 m曲線橋梁及直線橋梁，在兩端張拉的施工方式工況下，其主梁變形趨勢基本一致，變形量差異最大出現在中跨跨中位置，直線段變形為?2.9 mm，曲線段變形為?3.2 mm，最大增加百分比為10%；在單端張拉的施工方式工況下，變形量差值與距張拉端距離成正相關趨勢，變形量差異最大出現在距張拉端較遠的邊跨跨中位置，直線段變形為?10.8 mm，曲線段變形為?11.6 mm，最大增加百分比為7%。橋梁平面線形一致的情況下，單端張拉與兩端張拉相比，變形量差值與左梁端距離呈正相關趨勢，變形量差異最大出現在距張拉端較遠的邊跨跨中位置，直線段變形分別為?10.8 mm和?2.9 mm，最大增加百分比為272%；曲線段變形為?11.6 mm和?3.2 mm，最大增加百分比為263%。

2.2 成橋階段主梁應力分析

兩種張拉施工方式下，成橋階段主梁頂、底面應力見圖5～6。

由圖5可知，在成橋之后，采用相同的張拉方式，直線段與曲線段橋梁頂板頂緣的應力曲線基本一致。由于負彎矩的影響，頂緣應力最值均出現在墩頂處，且由于有效預應力的損失，不同張拉方式頂緣應力值差異量最大出現在距張拉端較遠的4#墩墩頂處，直線段兩端張拉的情況下應力為2.43 MPa，單端張拉應力值為?1.62 MPa；半徑=120 m曲線段兩端張拉的情況下應力為2.04 MPa，單端張拉應力值為?1.87 MPa。在單端張拉的情況下，由于預應力損失嚴重，有效預應力儲備不足，4#墩墩頂處出現了拉應力。

由圖6可知，在成橋之后，采用相同的張拉方式，直線段與半徑=120 m曲線段橋梁底板底緣的應力曲線基本一致。由于有效預應力的損失，兩種張拉方式底緣應力值差異量最大出現在遠離張拉端的邊跨跨中墩處，直線橋梁兩端張拉的情況下應力為3.62 MPa，單端張拉應力值為?0.39 MPa；曲線段兩端張拉的情況下應力為3.6 MPa，單端張拉應力值為?0.63 MPa。

底緣應力曲線與頂緣應力曲線呈現出相同的趨勢，在單端張拉的情況下，遠離張拉端的第5跨跨中底緣出現拉應力，設計及施工中應給予重視。

2.3 主梁有效預應力分析

在兩種預應力張拉方式下，主梁各預應力鋼筋在成橋階段的有效預應力值將發生變化，同編號的

預應力鋼筋有效預應力圖形相近，以中腹板位置F1～F4預應力鋼筋為例，分析預應力損失情況，見圖7～10。

由圖7～10可知，模型提取的有效預應力值與變形及主梁應力相印證，符合變形及應力的曲線走勢。采用兩端張拉的施工方式，鋼筋有效預應力最大值在距梁端18 m位置處，最小值在一聯的中間位置，損失約為20%。其有效預應力值沿中間位置對稱分布，因張拉端存在錨具回縮變形等瞬時預應力損失，在張拉端附近的有效預應力值均有所降低。采用單端張拉的施工方式在聯長中間位置以左與兩端張拉方式的有效預應力值一致，過了聯長中間位置后，有效預應力值快速降低，且在墩頂處由于預應力鋼筋豎向曲線出現反彎點，有效預應力下降速度較其他段快。單端張拉最遠端有效預應力不到50%，預應力損失嚴重，設計及施工中應給予重視。圖7～9與圖10比較可知，預應力鋼筋F4的有效預應力損失量均小于F1～F3，僅為F1～F3損失量的57%，分析原因主要因為預應力鋼筋F4豎向彎起角度較小，且曲線半徑較大，說明預應力鋼筋豎向曲線彎折對預應力損失有一定的影響。

3 結論

針對常用的直線段及半徑=120 m曲線段橋梁，建立空間有限元模型，提取不同張拉方式下主梁的變形、應力及有效預應力值，進行對比和驗證分析，結果表明：

（1）中跨有效預應力較邊跨低，但由于結構為連續結構，負彎矩的影響，導致兩端張拉方式下中跨變形值較邊跨低，約為邊跨的30%；采用單端張拉方式下，第5跨距張拉端較遠，預應力損失嚴重，直線段及曲線段跨中變形量較采用兩端張拉方式增加百分比分別為272%和263%。

（2）單端張拉方式預應力損失嚴重，有效預應力儲備不足，4#墩墩頂處及第5跨跨中底緣均出現拉應力，設計及施工中應給予重視，選擇合理的施工方式，確保結構安全。

（3）有效預應力曲線與變形及應力相互印證，采用兩端張拉方式預應力損失最大出現在一聯的中間位置，直線段損失約為20%，半徑為120 m的曲線箱梁損失量約為25%。采用單端張拉方式預應力損失最大出現在遠離張拉端的梁端，損失量約為50%。

（4）綜合以上，半徑=120 m曲線橋梁對預應力損失影響較小；推薦采用兩端張拉的施工方式，若條件限制，只能采用單端張拉時，應盡量減少聯長，控制在100 m以內，并重點注意主梁頂底緣應力是否滿足要求。

參考文獻

[1]劉世明， 劉永健， 耿東升， 等. 現澆箱梁預應力鋼筋張拉方式影響分析[J]. 公路交通科技， 2013（3）： 83-89.

[2]李雙一， 王艷琴， 張一玉. 淺談后張法預應力施工過程中的應力損失分析及控制[J]. 遼寧交通科技， 2015（9）： 52-56.

[3]公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范： JTG 3362—2018[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2018.

[4]朱琛. 預應力高性能混凝土橋的預應力損失比較[J]. 世界橋梁， 2018（3）： 23-27.