大悬臂箱梁横向预应力损失测定研究

郑建民(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

大悬臂箱梁横向预应力损失测定研究

郑建民
(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

详细介绍了大悬臂箱梁横向预应力损失的测试方法及试验内容，并以珠海某大悬臂混凝土箱梁桥的一联为实际工程依托，准确的测定横向预应力筋的实际应力损失，为确定大悬臂箱梁横向预应力的设计和施工相关参数提供依据。

大悬臂箱梁；后张法；摩阻损失；锚固回缩损失；试验研究

近年来，随着城市交通的发展，普通箱梁桥已难以满足交通和景观需求，大悬臂箱形截面被越来越多的应用于预应力混凝土连续梁桥结构。大悬臂混凝土箱梁的悬臂较长，为避免箱梁顶板纵向开裂，也为提高桥梁的整体性，往往会在顶板布置横向预应力钢筋。而预应力筋的应力损失将直接关系到结构的耐久性和使用寿命，损失过大将会造成结构局部预压应力不足，引起结构过早开裂，达不到预压的效果，甚至影响结构的安全性；反之将会使得结构中的混凝土承受过高的持续压应力，产生过大的反拱度，对结构安全性和使用性能产生不利的影响，同时也造成材料的浪费[1]。准确测定预应力损失对结构物的安全性能和使用性能具有重要意义，可以防止因设计计算不准确而给结构带来安全隐患；为张拉控制力和钢绞线引伸量等参数的确定提供依据；试验测定参数与设计规范建议值的对比还可用来检验预应力施工质量，对测定参数进行数理统计分析还可为设计规范的的参数修正提供合理建议。

1 工程概况

珠海某大悬臂混凝土箱梁桥采用大挑臂展翅现浇箱梁，单箱三室箱型截面，跨径为40 m左右，顶宽33.5 m，底宽17.5 m，梁高2.5 m，边肋斜度为1∶2。每隔3.9 m设置一道0.25 m宽的横隔板，以加大悬臂尺寸。两侧大悬臂挑梁各长约7 m。箱梁标准截面如图1所示。

图1 箱梁跨中标准截面(单位：cm)

箱梁采用C55高强度混凝土制作。纵、横双向预应力群锚体系，塑料波纹管制孔，扁形波纹管仅在纵向支点处悬臂板使用，其它部位均采用圆形波纹管。设计采用的孔道摩擦系数μ=0.17，孔道偏差系数k=0.0015/m。

本文选取试验联为4×40 m大悬臂箱梁结构中第一跨端横梁、中横梁及第二跨跨中隔板位置的顶板横向预应力筋作为试验对象进行测定(表1)。

2 孔道摩阻损失

2.1 试验方法

为克服以往孔道摩阻损失测定试验中数据不准确的问题，本文采用压力传感器代替传统的千斤顶、油压表读数测量预应力筋的拉力值。

在试验预应力筋的主动端和被动段分别安装压力传感器。由于传感器位于锚具和梁体间，可以及时补偿张拉过程中各种压缩变形等因素的影响，因此两端传感器读数之差即为孔道摩阻损失。具体试验方案如图2所示。

表1 顶板横向预应力筋参数

图2 孔道摩阻试验方案

2.2 数据处理

根据《公路预规》[2]计算预应力损失σl1的方法：

σl1=σcon[1-e-(μθ+kx)]

(1)

式中：σcon为张拉端预应力筋锚下张拉控制应力；θ 为从张拉端至计算截面的孔道弯角之和(rad)；x为从张拉端至计算截面的孔道沿构件纵轴投影长度(m)；μ为预应力筋与孔道壁的摩擦系数；k为孔道每1 m局部偏差对摩擦的影响系数。

因此计算截面的预应力筋拉力Px：

Px=(σcon-σl1)A=σconAe-(μθ+kx)=Pke-(μθ+kx)

(2)

式中：Pk为张拉端预应力筋拉力；A为预应力筋截面积。

令M=Px/Pk=e-(μθ+kx)，则有-lnM=μθ+kx。

再令Y=-lnM，由此，对于同一片梁体不同孔道可得一系列方程式：

(3)

由于测试误差的存在，上列方程式的右边不等于零，

假定：

(4)

根据最小二乘法原理，则有：

(μθ1+kx1-Y1)2+…+(μθn+kxn-Yn)2=

(5)

(6)

解方程组即可得μ、k。

根据不同形状、不同长度的预应力筋测定结果，通过最小二乘法统计得出预应力筋与管道壁的摩擦系数μ和孔道偏差影响系数k。

2.3 设计计算值

根据《公路预规》[4]计算预应力损失σl1方法估算横向预应力筋的孔道摩阻损失，其计算值见表2。

表2 孔道摩阻损失设计计算值

2.4 测定结果

根据试验方案完成孔道摩阻损失测定试验，得到各级荷载下主动端和被动端实测压力值，测试结果见表3。

表3 孔道摩阻损失测定

将上述3种规格的预应力筋利用最小二乘法求解孔道摩擦系数μ和孔道偏差系数k，测定结果统计汇总见表4。

由此可以求解得到：预应力筋与孔道壁的摩擦系数μ=0.2187；孔道偏差影响系数k=0.0020/m。

2.5 结果分析

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将试验测定的孔道摩阻损失结果与设计计算值对比分析，如表5、表6所示。

由表5、表6可以看出孔道摩阻损失的试验测定值均大于设计计算值，特别是5-φs15.2钢绞线的孔道摩阻损失超过设计计算值的30 %，试验测定的孔道摩擦系数μ和孔道偏差系数k均较设计取值偏大约30 %。这表明管道成孔质量还有待提高，施工时要采取加强孔道测量定位、加密定位钢筋，混凝土浇筑时做好管道保护工作等措施。

3 锚圈口摩阻损失

张拉时锚具与预应力筋间发生摩擦及锚具本身的变形引起的预应力损失称为锚圈口摩阻损失。在桥梁预应力张拉过程中，要求对锚圈口摩阻损失进行现场测定，并根据测定结果来调整张拉力。

表4 孔道摩阻测定结果统计汇总

表5 孔道摩阻损失的测定值与设计计算值对比

表6 μ、k的试验测定值与设计取值对比

3.1 试验方法

试验时在预应力筋的张拉端安装2个压力传感器，1个安置在工作锚锚具内侧，1个在工作锚锚具外侧，两者的压力差值即为锚圈口摩阻损失。具体试验方案如图3所示。

图3 锚圈口摩阻损失试验方案

3.2 测定结果及分析

根据试验方案完成锚圈口摩阻损失试验，得到各级荷载下工作锚内外侧实测压力值，测试结果见表7。

试验测定的锚圈口摩阻损失百分比为5.57 %，小于规范[3]要求的锚圈口摩阻损失不宜大于6 %的限值，这说明横向预应力筋的锚圈口摩阻损失符合规范要求。

4 锚固回缩损失

在锚固预应力筋时，钢筋端头拉力从千斤顶传给锚具，不可避免地要引起钢筋少量的回缩，承压的锚垫板也可能被压进梁端混凝土，这些原因引起钢束缩短，从而引起预应力损失，称为锚固回缩损失。

4.1 试验方法

试验时在预应力钢束张拉端的工作锚具与锚垫板之间安装压力传感器，张拉至设计值后，测试传感器锚固前和锚固后的压力值，两者的差值即为锚固回缩损失。具体试验方案如图4所示。

表7 锚圈口摩阻损失试验测定

图4 锚固回缩损失测试方案

4.2 设计计算值

根据《公路预规》[2]计算预应力损失σl2方法估算横向预应力筋的锚固回缩损失，其计算值见表8。

4.3 测定结果及分析

根据试验方案完成锚固回缩损失试验，得到各级荷载下锚固前后实测压力值，测定结果见表9。

表8 锚固回缩引起的预应力损失设计计算值

表9 锚固回缩损失试验测定

将锚固回缩损失的试验测定值与根据规范设计设计值相对比，其对值分析见表10。

表10 锚固回缩损失的试验测定值与设计计算值对比

从表10可以看出锚固回缩损失的试验测定值与设计计算值有所偏差，偏差幅度较小。通过分析，这主要是由于测力传感器端面受力不均或支撑不足引起的。

5 结束语

大悬臂混凝土箱梁线条轻盈美观，施工便利，越来越广泛的应用于城市桥梁中，然悬臂长度较大，空间性能复杂，横向效应明显。横向预应力作为这种结构的生命线，但我国至今还缺乏精确的计算横向预应力损失的方法，现有的预应力张拉工艺及锚固体系也很难保证其有效预应力满足设计要求，因此建议对重要或有条件的大悬臂混凝土箱梁结构的横向预应力筋宜进行预应力损失的测定，获得较为真实可靠的有效预应力数据，确保预应力能按设计要求施加给结构上。

本文试验测定的孔道摩阻损失较设计取值大，这表明管道成孔质量还有待提高。施工时要采取加强孔道测量定位、加密定位钢筋，混凝土浇筑时做好管道保护工作等措施，在施工过程中要严格按照规范和设计要求进行施工，确保预应力管道的成孔质量符合相应要求，减小预应力的摩阻损失。锚圈口的摩阻损失和锚固回缩损失的试验测定与规范设计较为接近，符合相应要求。

[1] 成强, 魏莉莉.预应力损失估算及控制措施[J].建筑技术开发,2003,30(7):20-23.

[2] JTG D62-2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3] TB/T 3193-2008 铁路工程预应力筋用夹片式锚具、夹具和连接器技术条件[S].

郑建民(1984～)男，大学本科，工程师，从事公路市政特殊结构桥梁设计研究。

U448.21+4

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[定稿日期]2016-07-28