预制拼装连续梁体外预应力索力测定与评估

周家刚

（江苏苏通大桥有限责任公司，江苏 南通 226001）

预制拼装连续梁体外预应力索力测定与评估

周家刚

（江苏苏通大桥有限责任公司，江苏 南通 226001）

针对预制拼装连续梁体外预应力不足，易导致混凝土开裂甚至影响结构安全的情况，研究了体外预应力索尚存拉力测定方法与分析，并通过有限元模拟分析，探讨了实际体外索索力下预制拼装连续梁桥结构应力状态，为此类桥梁的管理与养护工作提供了技术支持。

连续梁桥；体外预应力索；索力；预应力损失；应力状态

0　引言

我国桥梁养护规范中对体外预应力束的检测鲜有涉及，但由于体外预应力束的预应力大小直接影响连续梁结构的承载能力和使用安全，因而是该类连续梁桥的监测重点。体外预应力连续梁的设计以设计荷载和理论索力为假定，而在桥梁的运营阶段，实际交通荷载可能与设计荷载有所差异，但如果体外预应力束的索力达不到设计值，则将引起连续梁承载能力不足，导致混凝土开裂甚至影响结构安全。对体外预应力束连续梁桥，必须定期对预应力索尚存拉力进行测定，并在此基础上结合结构分析，把握结构的应力状态，评估超载对结构的影响，进而指导桥梁的管理与养护工作。

1　工程背景

苏通大桥引桥、辅桥采用国内首次应用的75 m跨预制拼装连续梁桥体外预应力技术，其中，引桥跨径布置为50 m+9×75 m和10×75 m，辅桥跨径布置为5×75 m。连续箱梁采用单箱单室斜腹板断面，上下行分幅布置。箱梁为双向预应力混凝土结构，除布置纵向预应力束外，在桥面板内设置了横向预应力束。纵向预应力采用体内、体外相结合的方式布置。全桥共50跨采用体外预应力束，每片箱梁横向有6根体外预应力束，共计300根体外索。箱梁典型断面布置如图1所示。

图1　典型的75 m箱梁断面布置示意图

针对预制拼装连续梁体外预应力不足易导致混凝土开裂甚至影响结构安全的情况，研究了体外预应力索尚存拉力的测定方法与分析，并通过有限元模拟分析，探讨了实际体外索索力下预制拼装连续梁桥结构应力状态，评估了超载对此类桥梁结构安全的影响，为此类桥梁的管理与养护工作提供了技术支持。

2　体外索尚存拉力测定与分析

2.1测试概况

体外预应力束沿纵向布置主要形式如图2所示，主要由单跨张拉体外预应力束和两跨张拉体外预应力体外束组成。横向布置为6根（编号为1～6，见图1），沿横截面中心线对称布置。体外预应力钢束均为25Φj15.24无黏结环氧低松弛钢绞线［1］。钢绞线单根面积Ay=140 mm2，单根直径为15.24 mm，标准强度Ry=1 860 MPa，弹性模量Ey=1.95×105MPa，锚下张拉控制应力为0.66 Ry。

图2　体外预应力束纵向布置示意图

试验利用环境随机振动法进行索力测试。预应力钢束的振动响应信号由着附于其上的高灵敏度加速度传感器拾取，并通过滤波放大器后输入信号分析仪进行分析处理。索力计算时，利用测试分析得到的各根预应力钢束的自振频率、测试段钢束长、单位索长质量以及钢束两端的约束条件等来确定每一根预应力束索力，现场测试图参见图3。

图3　体外预应力束测试现场

2.2测试结果分析

共测试分析了60根（共占总数20%）体外预应力束，同一跨中每根体外预应力束均由2斜段和1水平段组成，为方便表示，以“南”、“中”、“北”分别代表斜段2、水平段、斜段1。图4为74#～75#墩间跨编号示意图。

图4　体外预应力束纵向编号规则

表1为苏通大桥某跨混凝土箱梁部分体外预应力束测试结果［2］，其中锚下控制索力由设计图纸提供，理论索力为考虑如下预应力损失后的尚存应力：（1）无黏结预应力筋的摩擦损失；（2）张拉端锚具变形和无黏结预应力筋内缩损失；（3）无黏结预应力筋的应力松弛损失；（4）混凝土的收缩和徐变损失；（5）采用分批张拉时，张拉后批无黏结预应力筋所产生的混凝土弹性压缩损失。

由表1可知：（1）体外预应力束实测索力与理论索力（考虑预应力损失）分布规律相同，实测索力与理论分析索力值相吻合，除个别拉索外，绝大部分体外预应力束索力变化在5%以内。（2）部分体外预应力束实测索力大于考虑预应力损失的理论索力，此现象可能与施工阶段张拉索力较大或实际预应力损失小于理论分析值有关。（3）多年测试结果表明，同一根体外索索力稳定，相对变化基本在2%以内。

3　实际体外索索力下预制拼装连续梁桥结构应力状态评估

3.1有限元模拟

采用大型有限元软件MIDAS/FEA对苏通大桥引桥第2联（55#～65#墩间跨）、第4联（72#～77#墩间跨）分别进行建模。混凝土箱梁采用空间实体单元模拟，预应力钢筋采用空间杆系钢筋单元进行模拟。为考虑计算效率和计算精度，单元长度细化为0.5 m。第2联共691 885个实体单元，12 520个预应力钢筋单元；第4联共344 326个实体单元，6 520个预应力钢筋单元。全桥模型中准确模拟了箱梁截面尺寸纵向变化和转向块尺寸，结构刚度和重力分布与实际情况基本一致。有限元模型如图5所示。为分析体外索索力变化对结构受力的影响，共构建两种模型进行对比分析：按理论体外索索力评估结构应力状态的模型A和按实测体外索索力评估结构应力状态的模型B。

表1　右幅74#～75#墩间跨体外预应力束实测索力与理论索力比较

图5　有限元模型

3.2恒载作用下的应力

图6、图7为模型A、模型B中部分典型主梁断面（包括部分桥墩墩顶、转向块处）正应力或主拉应力云图，图中均以受拉为正，受压为负。由图可知，两种模型在恒载作用下，主梁控制断面结构正应力间的相对差值在0.25 MPa以内，实测体外索索力与理论体外索索力间的差异对恒载作用下结构正应力的影响很小。

图6　模型A、B中墩顶主梁断面正应力云图

3.3荷载组合作用下的应力

采用荷载组合I和组合II验算结构使用阶段应力值来判断结构的安全性。表2为荷载组合I、II作用下模型A、B中主梁下缘正应力计算结果（由于篇幅所限，仅给出部分结果）。计算结果表明：在荷载组合I、II作用下，两种模型主梁下缘压应力相差均不超过0.25 MPa，断面下缘压应力储备在2～5 MPa。

表2　荷载组合I、II作用下模型A、B中主梁下缘正应力结果比较

4　结　论

（1）体外索实测索力与理论索力值相比，除个别拉索外，索力变化基本在5%以内。

（2）在恒载、荷载组合I和组合II作用下，实测体外索索力与理论体外索索力间的差异对结构正应力和主拉应力的影响很小。

（3）在荷载组合I、组合II作用下，结构具有符合规范要求的压应力储备，结构正应力、主拉应力均满足规范中的抗裂验算。

（4）实测体外索索力与理论体外索索力间的差异对结构正应力和主拉应力的影响基本可以忽略。

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

［2］张启伟.苏通大桥75 m跨预制拼装连续梁体外预应力索力测定与评估报告（2015）［R］.上海：同济建设工程质量检测站，2015.

U446

B

1009-7716（2016）01-0048-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.015

2015-11-10

周家刚（1974-），男，山东蓬莱人，高级工程师，长期从事桥梁养护、管理工作。