自平衡预应力中空管预应力特性研究

2018-02-26邱兴友谢鹏飞

山西建筑 2018年3期

邱兴友谢鹏飞

(1.浙江乐清湾大桥及接线工程建设指挥部，浙江台州 317600； 2.同济大学，上海 200092)

1 概述

预应力技术自诞生就获得了巨大的发展，目前预应力混凝土已成为国内外土建工程中重要的结构材料，并用以处理结构设计、施工中用常规技术难以解决的疑难问题。近二三十年来，我国预应力混凝土桥梁发展迅速，无论在桥型、跨度以及施工方法与技术方面都有突破性进展，不少预应力混凝土桥梁的修建技术已达到国际先进水平。

在实际工程中，预应力的应用还存在很多问题，例如短束预应力问题。高强度精轧螺纹钢筋由于施工工艺简单、操作简便而得到广泛使用，但在钢筋施工中，由于对其锚固过程中的应力损失常常不能有效控制，故造成一些混凝土结构的预应力不能满足设计要求甚至失效，导致结构出现较多病害。根据相关资料[1]，目前预应力技术需要对以下两个问题进行改进：一是短段构件预应力难以施加预应力；二是预应力在张拉后均不能移动。针对短束预应力的以上问题，提出了自平衡预应力中空管技术。

2 先张自平衡预应力中空管介绍

自平衡预应力中空管主要通过对中空管内的反力棒施加压力从而使中空管受拉，达到储存预应力的目的，当预应力管埋入混凝土后，释放反力棒，从而实现对混凝土施加预应力。由于预应力中空管依靠与混凝土的粘结力自锚，可以大大减小锚具变形损失，因此可以应用在短预应力束上。

自平衡预应力中空管施工工艺属先张法，在加工厂内预先施加预应力，不需要在现场进行张拉施工控制，预应力数值准确可靠,不需要实施预应力管道内的压浆，减轻了现场施工作业时间,在施工现场不需要使用反力架和大型千斤顶,可以和钢筋一样运输和布置,由于没有安装时造成的预应力损失，即使对于很短的混凝土构件也能够有效施加预应力，综上可见，先张自平衡预应力中空管兼具了以往的先张法和后张法的优点，能有效地施加短钢束的永存预应力，是具有重要意义的预应力施工方法。

针对自平衡与应力中空管的结构特点和作用机理，本文对自平衡预应力中空管的应力存储有效性及作用于混凝土的效应进行研究。

3 自平衡预应力中空管应力存储有效性

根据自平衡预应力中空管的施工工艺，需要对中空管施加预应力之前的预应力储存效果进行评估。主要包括以下两个方面:张拉阶段经过“张拉—锁定”工艺后中空管预应力存储的有效性；张拉完毕后一段时间内，完成应力松弛后中空管预应力存储的有效性。

为研究上述问题，对5组自平衡预应力中空管进行了试验。

本项试验设计张拉力为25 t，采用超张拉值为27 t(1.08倍)，试验主要分为三个试验阶段，分别为张拉阶段、应力松弛阶段和卸载阶段。其中张拉阶段是为了通过“张拉—锁定”的过程，检验锁定工艺对中空管预应力的影响；应力松弛阶段是通过一段时间的间断性测试，观察松弛引起的中空管应力变化；卸载阶段主要是为了准确得到自平衡预应力中空管松弛后的应力水平，试验结果见图1。

由结果可知，张拉过程中各组试验结果离散性很小，平均应力与超张拉理论值基本吻合，卸载过程会产生一定的预应力损失，但预应力损失数值较小，且卸载后的应力值大于设计值，满足设计要求。

在放置了若干天中空管应力松弛基本稳定后，再次进行中空管的应力测量，结果见图2。由图2可知，自平衡预应力中空管张拉完毕后，中空管发生了应力松弛，产生了一定的应力损失，但应力松弛后能够保证中空管的预应力满足设计值要求，说明27 t(1.08倍)的超张拉值是能够满足设计和施工需求的。

4 自平衡预应力中空管混凝土作用效果

分析预应力中空管中储存的预应力传递到混凝土的效果，主要分析应力传递长度及构件锚固区的应力分布。为研究上述内容，进行了精细的有限元模拟，其中锚固区应力分布主要模拟部位为腹板的竖向预应力。

4.1 传递长度

建立自平衡预应力中空管和混凝土的实体有限元模型，混凝土截面尺寸210 mm×600 mm，垫板直径120 mm，中空管张拉力为25 t，中空管与混凝土之间采用非线性接触分析，有限元模型及结果见图3及图4。

从应力分布情况来看，中空预应力中空管通过端部位置的锚具将预应力传递到混凝土上，试件两端部分混凝土局部受压。该传力方式与常用的预应力钢筋的传力方式类似,根据有限元模拟的结果，传递长度约为500 mm。

根据《混凝土结构设计规范》[2]，先张法构件预应力钢筋的预应力传递长度ltr应按下列公式计算:

按照规范，对于光面中空预应力中空管，采用C50混凝土，设计张拉力为25 t时，传递长度约为440 mm，有限元模拟结果与按规范计算结果相近。

4.2 锚固区应力分布

为模拟腹板构件中上下翼缘板的作用，对试件端部尺寸进行放大，端部截面尺寸为660 mm×600 mm，中部截面尺寸为490 mm×600 mm，中空管中心间距210 mm，垫板直径为120 mm，中空管张拉力为25 t。参照相关研究[3,4，本次模拟共分析了7条应力路径的纵向应力和横向应力的分布情况，如图5所示，路径S1～路径S5分别距离锚固端50 mm,100 mm,150 mm,200 mm,310 mm，路径S6沿中空管轴向分布，S7位于两中空管轴线之间。

从路径S1～S5纵向应力结果可以看出，构件端部纵向预应力沿横向的分布规律基本一致，在中空管轴线位置出现波峰，呈现中间大两边小的趋势。从路径S6，S7结果可以看出，纵向应力沿纵向的分布呈现先增大再减小的趋势，并且应力的变化幅度沿纵向逐渐降低，并在路径S5处基本平稳，此时截面距端部约为1.0倍端截面高度(认为单个中空管构件的有效截面高度为330 mm),平稳应力约1.8 MPa，与理论计算值相近，峰值应力4.5 MPa，约为平稳应力的2.5倍，应力最大值位置距离端部约1倍垫板直径，见图6。

从路径S1～S4结果横向应力结果可以看出，构件端部横向应力沿横向出现压应力与拉应力的交替变化，在中空管轴线两侧范围内出现拉应力，且沿纵向拉应力的范围逐渐增大，但拉应力峰值逐渐降低，从路径S6结果可以看出，混凝土横向应力沿中空管轴向的应力分布规律为“压应力—拉应力”，最大压应力约2.2 MPa，出现在锚垫板下方，最大拉应力约为0.5 MPa，最大拉应力截面位置距端部约为0.3倍截面高度，从路径S7结果可以看出，混凝土横向应力沿两中空管轴线中间的应力分布为“拉应力—压应力—拉应力”，最大拉应力约为1.2 MPa，出现在端截面，最大压应力约为1.1 MPa，最大压应力截面位置距端部约为0.3倍截面高度，另外从S6，S7的结果可以看出，约1倍截面高度以后，混凝土的横向应力分布基本为0，见图7。