预应力混凝土弧形箱梁预应力损失的质量控制*

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

1 工程概况

在现有的桥梁中，预应力混凝土桥梁已占较大比重，预应力损失的研究对于桥梁的整体性能的影响更加突出。

在预应力施工及运营过程中，由于各种原因导致的预应力损失能达到20%～30%，曲线段的预应力损失则更加严重。

此次研究背景是昆山市中环快速化改造工程的张家港大桥左幅I辅道第4联，左幅（I幅）位于R=683.875 m，Ls=81.4 m的平曲线上，桥梁宽度20 m，主桥孔跨38.85 m＋65 m＋38.85 m，使用挂篮法施工。

桥梁的上部箱梁采用C50混凝土，设置纵向预应力束，根据位置及功能的不同，分别设置腹板束、顶板束和底板束。

主桥箱梁腹板束及顶板束根据块件的划分在每个节段锚固，两端张拉；合拢束布置在合拢段附近范围内，在箱梁顶底板设置齿块两端张拉。横梁均设置横向预应力束，单端或两端张拉。

主桥以及引桥箱梁悬臂长度分别为4.0 m及3.8 m，主桥有悬臂过渡段，在箱梁顶板设置横向预应力，3 股一束，间距50 cm，一端锚固，一端张拉，交替布置。根据图纸要求，纵向预应力钢束采用按GB/T5 224—2003标准生产的钢绞线（Ep=1.95×105MPa，fpk=1 860 MPa），锚下张拉控制应力为0.75fpk=1 395 MPa；箱梁横向预应力钢束采用按GB/T 5224—2003标准生产的低松弛270级钢绞线，弹性模量Ep=1.95×105MPa，抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，张拉控制应力为0.7fpk=1 302 MPa；竖向预应力钢筋为抗拉强度标准值不小于785 MPa的精轧螺纹粗钢筋，张拉时以张拉力为主要控制，锚下张拉力控制在为540 kN。

由于仪器选择的局限性，本次研究对施工过程中预应力损失的测量方法采用间接测量的压应变法，将应变计直接埋入混凝土中，对混凝土的应变反应比较灵敏，可以很好地测量混凝土的应变情况。

通过以前测试经验和对国内元件及仪器综合分析比较，混凝土内部埋入式钢弦计决定选用ZX215 型混凝土钢弦式应变传感器。本次研究中的应变数据来自第三方对张家港大桥的监控报告[1-4]。

2 预应力损失的组成

对于后张法预应力混凝土构件的预应力损失，设计规范规定应考虑以下因素：预应力钢筋与管道间之间的摩擦引起的应力损失δl1，主要因素是管道是否清理干净、管道是否有弧度；锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失δl2；混凝土的弹性压缩引起的应力损失δl3；预应力钢筋的应力松弛引起的应力损失δl4；混凝土收缩和徐变引起的应力损失δl5。

目前有关预应力损失的计算方法大体上可分为3 类：预应力总损失估算法；分项预应力损失计算法；精确估算法。

本次研究使用分项预应力损失计算法，由之前研究经验得出，预应力总损失中管道摩擦、管道局部偏差和锚具回缩所引起的损失占到的比例为70%～80%，混凝土收缩、徐变损失和由于预应力筋松弛引起的损失各占大概10%，这就是常规预应力混凝土构件中的预应力损失情况。而本次研究的对象位于平曲线上，所以此次曲线段预应力损失研究的重点为预应力筋和管道间的摩擦损失。

3 预应力损失的原因分析

1）预应力钢筋与管道间摩擦引起的应力损失[5-8]。后张法张拉预应力钢筋时，由于管道弯曲、管道尺寸成形偏差、孔壁粗糙、预应力筋表面粗糙等原因，使预应力筋与孔壁之间产生摩擦阻力，使远离张拉端的预应力筋的预拉应力逐渐减小。在任意两个截面之间预应力筋的应力差值，就是此截面间由摩擦引起的预应力损失值。从张拉端至计算截面的摩擦损失值，以δl1表示。

2）锚具变形和钢筋内缩引起的应力损失。预应力钢筋张拉后锚固时，对于纵向腹板束中17 孔张拉端锚具将受到最大3 320 kN拉力，这样大的应力一方面使锚具本身及锚具下垫板压密产生变形；另一方面混凝土结构的接缝缝隙在压力的作用下也将压密变形。这些变形导致预应力钢筋向内回缩，产生预应力损失，其值随钢筋为直线或曲线形面而有所不同。以上因素造成的预应力损失以δl2表示。

3）混凝土弹性压缩所引起的应力损失。预应力混凝土构件受到预压力后，会立即产生弹性压缩应变，此时已与混凝土构件共同作用的预应力筋，会产生与相应位置处混凝土一样的压缩应变，因而产生预应力损失，这种应力损失称为混凝土弹性压缩损失δl3。由于本段施工中挂篮每块是分批张拉、锚固的，预应力筋将引起混凝土的弹性压缩，并造成先张拉预应力筋的应力损失。但在之前的研究中发现这种损失对于预应力筋总损失可以忽略不计。

4）预应力筋松弛引起的应力损失。由于本工程中有δcon=0.75fpk和δcon=0.7fpk两种情况，且都符合δcon≥0.5fpk，因此需要考虑预应力筋松弛引起的损失。挂篮施工处的纵向、横向钢绞线以及竖向精轧螺纹粗钢筋在锚固后，在持久不变的应力作用下，会产生随荷载持续时间延长而增加的徐变；当把预应力筋张拉到一定的应力值后，其长度固定不变，则预应力筋中的应力将会随时间的延长而降低，一般把预应力筋的这种现象称为松弛或应力松弛。

5）混凝土的收缩和徐变引起的应力损失。本工程中I辅道第4联使用的是C50混凝土，由于混凝土是一种复合材料，它随着时间的推移会发生错综复杂的物理和化学变化，徐变与收缩是混凝土材料的固有特性。在预应力作用下，由于混凝土的收缩与徐变使构件的长度缩短，预应力筋也随之缩短，将造成预应力损失。

4 实测结果与分析

4.1 施工过程中监控测点布置

主梁应力监测截面及测点横断面布置如图1所示。由于实际施工中受结构自重、挂篮和支架刚度、施工荷载等复杂因素的影响，可根据结构的实际状况，对某些截面进行适当的调整。

图1 应力测点布置

A1～A4截面主要监测主墩附近截面箱梁顶面和底面的正应力情况；B1、B2截面主要监测边跨跨中箱梁顶面和底面的最大正应力，以判断桥梁实际内力是否与设计相符；Z2截面主要监测中跨附近截面腹板的应力及横向应力，以考察预应力是否张拉到位；Z1截面主要为加强中跨合拢段的监测而设，主要监测中跨合拢段预应力张拉后主跨跨中附近截面的应力情况。

4.2 实测结果与理论值比较

悬浇阶段主要对悬臂根部A1～A4截面的正应力进行监测，由监测数据看出，实测值和理论值的发展趋势基本相同。张拉阶段应力实测值与理论值较为接近，且基本损失率大致为20%～30%，符合理论经验。本研究为施工过程减小预应力损失提供了依据，尤其是短期预应力损失与弹性变形损失，为施工过程中采用分阶段（即预张拉、初张拉、终张拉）和超张拉的手段来减小预应力损失提供了可靠的数据。

5 减少预应力损失的措施

1）减少δl1的措施：采用两端张拉。对于纵向对称的预应力筋，预应力损失最大的位置一般在跨中截面，若采用两端张拉，则理论计算中结果减小；采用超张拉工艺。张拉端的应力增大，则传到跨中截面的预应力也增大。当张拉端的应力恢复到控制应力时，由于受到反向摩擦力的影响，预应力筋的回松力并没有传到跨中截面，这样跨中截面仍保持较大的超拉应力；并且在预应力表面涂上润滑剂。

2）减少δl2的措施：选择锚具变形、预应力筋回缩量小即强度和刚度比较大的锚具、夹具；尽量减少垫板的块数。

3）减少δl3的措施：由于在预应力总损失中可忽略不计，则该处不予研究。

4）减少δl4的措施：采用超张拉的方法。

5）减少δl5的措施：采用早强高等级混凝土，以减少水泥用量；采用级配良好的骨料及掺加高效减水剂，减少水灰比；振捣密实，加强养护。

6 预应力结构施工质量控制

6.1 前期准备阶段的质量控制

1）预应力钢绞线的选择。钢绞线预应力筋是由多根钢丝在绞线机上成螺旋形绞合，经消除应力回火处理而成，具有承载力大、柔韧性好、施工方便等特点。在选择预应力钢绞线上，必须考虑多方面因素，包括钢绞线的松散性、断裂荷载、伸长率、屈服荷载以及非常重要的几何参数，最终保证质量。

2）预应力锚具的选择。锚具是构件中为保持预应力筋的拉力并将其传递到混凝土上所用的永久性锚固装置。在选择时必须注意其质量，宜选择锚力变化多、吨位大、穿索方便、应力损失小、重复张拉和链接较方便的锚具，在品种规格上也要严格控制。

6.2 施工过程中的质量控制

1）预应力张拉设备的质量控制。在施加预应力之前必须对张拉设备进行仔细的核查。千斤顶及配套的油泵和油压表一起核查，核查时千斤顶的活塞运行方向要与实际张拉作业的状态相一致，为保证张拉设备的可靠，配用预应力千斤顶的额定张拉值应比预应力控制张拉力大30%以上。当千斤顶使用超过半年或在使用过程中出现不正常现象，必须再次进行校核。

2）张拉作业的质量控制。在预应力混凝土的施工过程中，按照规范和要求，预应力钢绞线采用张拉力和伸长量双控张拉措施进行，因此，除了千斤顶的压力表上的读数控制外，也必须保证实测的钢绞线伸长量的误差范围不超出理论计算值的6%。

3）预应力孔道压浆质量控制。预应力孔道压浆有保护预应力筋不被锈蚀和保证预应力筋与结构共同工作的重要作用。在实际操作过程中，预应力的孔道压浆经常会出现不饱满、不密实的问题，漏浆和漏灌现象也很普遍，如果不及时解决会给结构的整体安全带来很大隐患。因此，这要求技术部门尽快改进压浆工艺，提高留孔质量，完善浆体配置；另一方面施工单位也要加强对孔道压浆工序的重视，保证整个工序的质量。

7 结语

预应力技术之所以得到快速的推广应用是因其用途广泛，但预应力张拉施工工艺相对较复杂，施工工艺专业性要求高，预应力在结构施工及使用中会产生损失，并且其影响因素也比较复杂。为了有效地发挥预应力构件的优点，应能合理地控制预应力损失，并通过不断地总结施工经验，进一步提高施工工艺，这样才能使其更好地服务于建设工程。