箱外體內(nèi)預(yù)應(yīng)力加固施工控制研究

黃藝庭

（漳州市公路事業(yè)發(fā)展中心直屬分中心，福建 漳州）

1 工程概況

某大橋于2013 年通車，主橋采用（38+3×60+38）m 預(yù)應(yīng)力砼變截面連續(xù)箱梁，半幅橋?qū)?5 m。設(shè)計荷載為公路-I 級（JTGD60-2004）。該橋左幅多跨箱梁底板跨中存在橫向裂縫，第2 跨、第3 跨跨中豎向剛度與交工驗收時存在明顯下降。為保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，通過箱外腹板加厚，同時新增體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的方式對左幅第一聯(lián)第1～5 跨進(jìn)行整體預(yù)應(yīng)力加固。加固預(yù)應(yīng)力布置方式如下：左幅第一聯(lián)箱外腹板采用C50 無收縮自密實砼外包加厚25～50 cm，預(yù)應(yīng)力鋼束采用4 根高強度低松弛15Φs15.2 體內(nèi)鋼束加固，每側(cè)腹板布置2 根。

2 預(yù)應(yīng)力張拉參數(shù)

2.1 預(yù)應(yīng)力材料

預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用高強低松弛鋼絞線，直徑為Φs15.24 mm，截面面積Ag=140 mm2，設(shè)計彈模Eg=1.95×105Mpa（實測彈模Eg=1.89x105Mpa），標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度fpk=1 860 Mpa。預(yù)應(yīng)力管道采用金屬波紋管成孔。

2.2 張拉參數(shù)

鋼束錨下控制應(yīng)力σcon=0.75fpk=1 395 Mpa，單根鋼絞線張拉力為Nk=195.3 kN；鋼絞線規(guī)格為15Φs15.2 mm，15 束合計錨下張拉控制力Pk=σconA=2 929.5 kN。預(yù)應(yīng)力張拉同時記錄張拉力與伸長量，施工以張拉力控制為主，伸長量控制為輔，鋼束由于連接器限制均采用單端張拉。張拉程序采用0→10%σcon→20%σcon→50%σcon→σcon[1]。

3 預(yù)應(yīng)力損失計算

3.1 預(yù)應(yīng)力損失計算內(nèi)容

針對本項目后張法體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束，張拉過程中產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失組合主要為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件需考慮各類預(yù)應(yīng)力損失統(tǒng)計如下[2]：

（1） 預(yù)應(yīng)力筋與管道壁之間的摩擦σl1；

（2） 錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮σl2；

（3） 混凝土的彈性壓縮σl4。

通過試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算σl1、σl2、σl4實測損失值，并與設(shè)計預(yù)應(yīng)力損失值進(jìn)行比對，設(shè)計預(yù)應(yīng)力損失值依據(jù)《混規(guī)》6.2 節(jié)的規(guī)定計算。

3.2 測試方法與主要監(jiān)測儀器

本文通過壓力傳感器監(jiān)測張拉過程中箱梁第三跨左、右腹板T1、T2 束錨下張拉控制應(yīng)力，計算實際預(yù)應(yīng)力損失[3]。主要監(jiān)測設(shè)備為：

（1） 壓力傳感器，采用量程3 000 kN、靈敏度1kN 的振弦式傳感器；

（2） 應(yīng)變計，采用基康表面式振弦式應(yīng)變計。

3.3 預(yù)應(yīng)力筋與管道壁之間的摩擦損失σl1

后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，管道線形位置與設(shè)計偏差、鋼束和管道內(nèi)壁接觸都會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失與設(shè)計值不符。根據(jù)規(guī)范，管道摩阻引起的預(yù)應(yīng)力損失設(shè)計值按下式計算：

設(shè)主動端壓力傳感器測試值為P1，被動端為P2，管道長度為x，θ 為管道全長的曲線包角，考慮式（1）兩邊同乘預(yù)應(yīng)力鋼絞線的有效面積，并對兩邊同時取對數(shù)，則可得下式：

令y=-ln（P2/P1），對不同的管道進(jìn)行測量，則可得下式：

由于測試必然存在系統(tǒng)誤差，等號右邊必不為0，假設(shè)該系統(tǒng)誤差為△Fi，可令式（3）為：

測試的第三跨首批張拉預(yù)應(yīng)力管道數(shù)目為2 根，代入實測測試值主動端P1、被動端P2以及xi、θi，解式（6）與式（7）聯(lián)立的方程組，即可求得實測的偏差影響系數(shù)k 值及管道摩擦系數(shù)μ 值。

管道摩阻測試采用分級加載，根據(jù)實際施工張拉控制程序進(jìn)行，從0→10%σcon→20%σcon→50%σcon→σcon，分4 級讀取測試值，T1 管道、T2 管道分左、右腹板各測試2 次。

經(jīng)分級測試后，第三跨T1、T2 束張拉過程10%σcon、20%σcon、50%σcon、100%σcon四個張拉階段主、被動端荷載值進(jìn)行統(tǒng)計，每個管道分別測試兩次，相應(yīng)二元線性回歸方程函數(shù)見圖1～圖4[4]。

圖1 T1 管道第一次分級張拉回歸方程

圖2 T1 管道第二次分級張拉回歸方程

圖3 T2 管道第一次分級張拉回歸方程

圖4 T2 管道第一次分級張拉回歸方程

二元線性回歸方程實測回歸系數(shù)統(tǒng)計見表1。代入式（6）及式（7）進(jìn)行聯(lián)立求解，可得偏差影響系數(shù)k 值及管道摩擦系數(shù)μ 值實測值，解方程組得k=0.002 1，μ=0.18。

表1 管道摩阻測試計算參數(shù)統(tǒng)計

分析T1、T2 管道兩次張拉測試結(jié)果及μ、k 實測值，實測摩擦影響系數(shù)μ=0.18 相比原設(shè)計μ=0.25較小，偏差影響系數(shù)k=0.021 相比原設(shè)計k=0.001 5較大。主要是由于本次測試的預(yù)應(yīng)力筋管道曲線包角較小，管道總體較順直，管道彎曲造成的摩阻預(yù)應(yīng)力損失值較小。但由于預(yù)應(yīng)力管道長度60 m 相對較長，管道線形控制難度大，偏差影響系數(shù)略大于規(guī)范值。預(yù)應(yīng)力摩阻損失總體控制較好，基本與設(shè)計值相吻合。

《混規(guī)》（JTG 3362-2018）6.2.2 條可根據(jù)μ、k 實測值計算實際管道摩阻預(yù)應(yīng)力損失，計算式為：

經(jīng)計算，T1 及T2 管道摩阻引起的應(yīng)力損失以及整束拉力值損失見表2，損失值分別為張拉控制應(yīng)力σcon的1.8%和1.7%。

表2 管道摩阻預(yù)應(yīng)力損失σl1 實測值與設(shè)計值比對

3.4 錨具回縮、變形預(yù)應(yīng)力損失σl2

錨口回縮、變形造成的摩阻力損失通過制作順直光滑PVC 管道試件消除管道摩阻損失的影響后，對該試件采用設(shè)計張拉應(yīng)力進(jìn)行張拉，張拉過程中采用與管道摩阻損失相同方法進(jìn)行應(yīng)力損失的測試。本項目采用15 孔錨具型號為GQ15-15Y，錨板尺寸為φ175×65 mm，配套限位板的限位高度為11.0 mm。錨口回縮預(yù)應(yīng)力損失實測值（單端張拉）及與設(shè)計值比對見表3。

表3 錨口預(yù)應(yīng)力損失σl2 實測值與設(shè)計值比對

3.5 混凝土彈性壓縮預(yù)應(yīng)力損失σl4

混凝土彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失，按下式計算：

式中：△σpc——在預(yù)應(yīng)力鋼筋重心計算截面處，由后張拉預(yù)應(yīng)力束T2 對先張拉T1 束產(chǎn)生的混凝土法向應(yīng)力，實測法向應(yīng)力增加0.62 MPa；

αEP——預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性模量（1.95×105MPa），與混凝土彈性模量（C50：3.45×104MPa）的比值。

經(jīng)計算，混凝土彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失值見表4。

表4 混凝土彈性收縮預(yù)應(yīng)力損失σl4 實測值

4 預(yù)應(yīng)力張拉控制結(jié)果驗證

根據(jù)上述實測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失計算[5]，可得出T1 束累計預(yù)應(yīng)力損失σl1+σl2+σl4占總張拉控制應(yīng)力1.8%+0.25%+0.28%=2.3%，T2 束累計預(yù)應(yīng)力損失σl1+σl2占總張拉控制應(yīng)力1.7%+0.23%=1.9%。為補償預(yù)應(yīng)力張拉過程損失，同時便于施工過程控制，統(tǒng)一對T1、T2 束進(jìn)行2%的超張拉，扣除實測錨具回縮量5 mm，并考慮設(shè)計彈模Eg=1.95×105Mpa 與實測彈模Eg=1.89x105Mpa 的影響，進(jìn)行實際伸長量的修正[6]，最終實測伸長量數(shù)據(jù)如表5。

表5 實際伸長量與設(shè)計伸長量比對

5 結(jié)論

（1） 本文根據(jù)預(yù)應(yīng)力損失實測值σl1、σl2、σl4與設(shè)計值之間的偏差，得出結(jié)論：T1 束張拉預(yù)應(yīng)力相比設(shè)計值多損失2.3%，T2 束張拉預(yù)應(yīng)力相比設(shè)計值多損失1.9%。根據(jù)比對結(jié)果，對T1 束、T2 束進(jìn)行2%超張拉，T1 束、T2 束伸長量在超張拉后與設(shè)計值更吻合，證明本文試驗方法能合理且有效的減少張拉施工預(yù)應(yīng)力損失。

（2） 后張法預(yù)應(yīng)力施加前，有試驗條件的應(yīng)參考現(xiàn)場試驗結(jié)果，重新計算張拉過程預(yù)應(yīng)力損失實測值σl1、σl2、σl4，并根據(jù)實測結(jié)果調(diào)整各預(yù)應(yīng)力束張拉控制力。

（3） 根據(jù)理論計算，箱外體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束施工后將增加梁底壓應(yīng)力儲備0.9 MPa，根據(jù)施工后實測新增壓應(yīng)力值，新增梁底壓應(yīng)力均值0.92 MPa，本次箱外體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束施工基本達(dá)到了設(shè)計要求。第三跨跨中梁底新增壓應(yīng)力統(tǒng)計見表6。

表6 第三跨跨中梁底新增壓應(yīng)力統(tǒng)計