预应力张拉误差对小箱梁力学性能影响的研究

黄远明, 唐 鹏

(安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603)

装配式小箱梁由于其施工方便、质量可靠、造价经济,在桥梁工程中应用相当广泛。预应力张拉作为小箱梁施工过程中的关键步骤,张拉质量对小箱梁的力学性能有着决定性的影响[1-5]。而实际施工中预应力张拉存在很多不确定的因素,如预应力筋夹具的偏差、油表精度不够等,都会造成预应力张拉存在问题。此外,在多股预应力束的复杂工程中,预应力张拉的先后顺序也会影响最终的张拉质量,合理而又谨慎的设计预应力的张拉工艺对保障预应力小箱梁的性能尤为重要。

文章从理论的角度分析预应力张拉误差对小箱梁力学性能的影响,以及由此对小箱梁寿命的影响。

1 理论分析

装配式小箱梁由混凝土和预应力筋构成,预应力筋在小箱梁内呈曲线布置,加之箱形截面形状不规则,分析起来较为繁琐。文章将箱型截面等效为T型截面进行考虑。为进一步简化问题表述,这里仅考虑第二类T型截面。

预应力小箱梁的设计计算理论已较为成熟[6-7],图1为预应力小箱梁在跨中截面完成两批预应力损失后的计算简图,这里暂不考虑构造钢筋的影响,仅考虑混凝土和预应力筋的平衡。按照此计算简图,可列出平衡方程:

(1)

图1 预应力小箱梁计算简图(完成预应力损失)

其中,σp=σcon-σl为考虑张拉损失后预应力筋的预应力大小,σcon为张拉控制应力,σl为考虑预应力孔道摩擦、锚具变形、混凝土收缩徐变以及预应力筋松弛等造成的应力损失。

根据平截面假定以及混凝土处于弹性状态可求得混凝土的应力状态。通过分析最下缘的混凝土压应力σpcII,其计算公式如式(2):

(2)

其中,An,In分别为扣除预应力孔道后混凝土箱型截面的面积和惯性矩;e0为预应力筋的偏心距。

由式(1)、式(2)可见,小箱梁截面的边缘压应力由预应力筋的张拉水平控制,即预应力越大,截面边缘的压应力越大。

图2为开裂时的混凝土小箱梁的计算简图。此处认为箱梁开裂时的边缘应力恰好达到混凝土的抗拉强度ft。此外,在整个过程中截面保持弹性受力状态,可以计算得到开裂所需要的弯矩为:

Mcr=(ft+σpcII)W0

(3)

其中,W0为考虑预应力筋的等效截面的抗弯模量。

由式(3)可见,小箱梁截面的开裂弯矩随着截面边缘的压应力的增大而增大。考虑到应力张拉水平控制边缘压应力,从而可得出,小箱梁截面的开裂弯矩随着预应力张拉水平的增大而增大。

图2 预应力小箱梁计算简图(开裂前)

图3 预应力小箱梁计算简图(开裂后)

∑N=0⟹αfcb1t1+αfcb2(x-t1)=fpAp

(4)

(5)

其中参数如图3所示。

由于式(1)和式(2)中并未出现张拉控制应力项,因而张拉应力水平并不会影响小箱梁的抗弯承载力。

从上述3个阶段分析可见,预应力的施加并不会增加截面的抗弯承载力,但预应力会显著改善截面的开裂状况。因而,在小箱梁施工过程中,预应力的张拉误差并不会改变截面的最终承载力,但是张拉误差的存在会对小箱梁的开裂情况产生重要的影响。

对于张拉不足的情况,在使用荷载下会使梁底提前出现裂缝;对于过张拉(与超张拉不同,这里指损失后的预应力仍大于设计值)的情况,可能会在小箱梁的其他部位造成预料之外的裂缝。此外,由于桥梁结构大都会暴露在外界环境中,由开裂造成的后续反应如化学腐蚀等将会对小箱梁的力学性能产生极其严重的影响。因此,在实际施工中,预应力的张拉误差需要严格控制。

2 小箱梁张拉控制

小箱梁的张拉控制对小箱梁的力学性能起到决定性的作用,在实际工程中需要对预应力筋的张拉进行设计,具体包括预应力筋的张拉应力计算、预应力筋的张拉顺序[8-9]。预应力筋的张拉应力计算应当考虑到孔道摩擦、混凝土徐变、预应力筋松弛以及锚具的弹性变形等造成的预应力损失。

图4 张拉顺序优化流程

由于小箱梁的预应力筋较多,不同的张拉顺序会影响最终的张拉结果,因而需要在张拉前期进行计算分析以确定合理的张拉顺序。具体的计算分析可以借助有限元软件如ANASYS, Midas来实现[10]。在张拉顺序优化时,仅仅考虑单根预应力筋的张拉应力误差对于整个小箱梁的力学性能是远远不够的。一般而言,需要综合考虑不同张拉顺序造成的预应力损失,顶底板应力以及跨中挠度的变化等目标来对张拉顺序进行优化。图4给出了一般的张拉优化顺序流程,这个流程可以通过编写程序实现。

除了在小箱梁施工前期进行准确的计算分析来控制张拉应力,近些年随着施工工艺的不断发展,智能张拉系统在小箱梁的预应力张拉控制上得到越来越广泛的应用,使得预应力张拉得到了较好的控制[11-12]。图5给出了智能张拉系统的示意图,在整个张拉过程中,智能张拉系统由计算机控制油泵运行,系统通过传感器(图中所示的智能前端和伸长量测量传感器)采集每台千斤顶的工作压力以及预应力筋的伸长量,这些数据反馈到智能张拉系统进行评估以实时调整张拉状态,从而实现了张拉过程的精确控制。整套系统具有精度高、效率高、智能监控等特点。

图5 预应力小箱梁智能张拉系统

3 结 论

通过计算不同阶段预应力对小箱梁的力学性能的影响以及考察具体的施工过程,得到的结论如下:① 预应力的张拉水平不会改变小箱梁的抗弯承载力,但会对小箱梁的使用性能如刚度、抗裂性产生影响。② 张拉不足的小箱梁在使用荷载下会在梁底提前出现裂缝,而过张拉的小箱梁则会出现预料之外的裂缝,这些裂缝的产生会加速小箱梁内部的腐蚀,从而严重影响小箱梁的使用寿命。③ 张拉控制对小箱梁的使用寿命产生很大的影响,需要在施工阶段慎重考虑预应力筋的张拉顺序优化。④ 在施工中采取智能张拉控制系统有利于提高张拉控制的精度,可以保证小箱梁的力学性能满足设计要求。