预应力现浇连续箱梁桥跨结构预应力损失的影响因素分析

2022-09-14邢晓东牟雨龙张康荣郭迎旗

科学技术创新 2022年25期

邢晓东，牟雨龙，张康荣，郭迎旗

（中电建路桥集团有限公司，北京 100048）

引言

我国预应力桥梁建设已经大范围应用于大跨桥梁中，其超强的挠度控制力能够使桥跨结构跨中部位的挠度值降到最小，因此可以施作跨度更大的桥梁结构。在实际工程中，涌现出多种预应力张拉施工措施，无论在简支梁还是连续梁中都得到广泛应用。在这个基础上，对于桥跨结构施加的预应力大小逐渐成为一项重要技术内容，因为对于不同环境下不同受荷情况的桥梁，需要匹配大小不同的预应力，以抵消在桥跨施工完成后形成的自重荷载及其他桥面荷载所产生的挠度，使得桥梁在水平面上刚好水平。这种技术要求对工程难度和计算高度都提出了更高要求，然而近些年来，在大型大跨度桥梁检测过程中发现，许多桥跨均出现不同程度的变形问题，有的跨中挠度已经超过挠度允许值，不得不采用后期加固的方式进行变形控制。究其原因还是在预应力施加后，出现了不断损失的现象。随着桥跨预应力不断损失，原来设计的预应力值开始失去抵抗桥跨荷载带来的竖向应力，从而不断出现挠度扩大。预应力损失问题已成为桥梁工程中一个亟待解决的重要技术问题。

1 工程概况

台城河特大桥中心桩号K0+743.5，主桥跨径组合为70 m +120 m +70 m；南引桥桥跨组合为3×25 m+(35+45+35) m+(10×23.7+6×25) m，其中第二联上跨S274，采用35 m+45 m+35 m 等截面现浇连续箱梁，其余采用先简支后桥面连续小箱梁。现浇段为3#～6#桥墩，桥墩采用方柱墩，基础为钻孔灌注桩基础。所需预应力张拉材料使用钢绞线进行，箱梁断面结构及浇筑分仓情况见图1。预应力钢绞线需满足箱梁混凝土强度、弹性模量达到设计规定时进行预应力张拉施工。

图1 箱梁断面结构及分仓浇筑

为保证预应力钢绞线的张拉顺利，并将施加的预应力准确传递至整根梁段，每根孔道需要做摩阻测试，同时时刻关注压力表读数和张拉时钢绞线情况，张拉结束禁止用电弧进行切割，需要保证预应力全部传入梁体中，不能有松劲现象。此外，对于封端混凝土及时进行施工，钢绞线外露时间不宜过长，否则容易发生锈蚀，同样影响预应力传递。

2 预应力控制分析

2.1 预应力张拉理论计算在各项准备工作整理好的基础上，开始进行预应力的计算。对于本工程箱梁的钢绞线张拉，需结合现场实际和设计规范规定进行，其平均张拉力为

其中，pp为钢铰线的平均张拉力，N；P 为预应力筋张拉端的张拉力，N；x 为从张拉端至计算截面的孔道长度，m；θ 为从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和，rad；k 为孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数；μ 为预应力筋与孔道壁的摩擦系数。

由式(1)能够得到现浇连续箱梁的钢绞线预应力张拉平均张拉力大小。利用这个数值来进行理论推算，可以很好地指导现场实际施工情况，便于随时掌握预应力张拉值，以进行动态调整。

由于实际张拉工程都需要采用双控进行[1]，即应力控制和伸长量控制。故在钢绞线张拉力的计算基础上，还需对张拉后的钢绞线的伸长值做准确把控，过长过短都不能达到理想效果。利用材料力学原理：

式中，pp为钢铰线的平均张拉力，N；L 为钢铰线的长度，mm；Ap为钢铰线的截面积，mm2；Ep为钢铰线的弹性模量，N/mm2。

通过式（2）可以直接计算出钢绞线的理论伸长值ΔL，再根据实际伸长情况，予以对比得出符合工程特性的伸长值要求。实际伸长值往往由两部分构成，这是理论值无法计算到的部分，即初始应力作用下的伸长值和相邻材料作用影响下的叠加伸长值，这二者共同构成实际伸长情况。伸长量的计算过程是准确把握预应力施加的逐步动态过程，通过伸长情况与应力增量情况能够不断反映出材料特性，对后期预应力出现损失提供有效数据支持。大量工程预应力张拉实际已经证实：如果没有对张拉力的一个定量把握和对钢绞线伸长值的判断，张拉预应力钢绞线将是危险的[2]，预应力张拉完毕后的结构本身就已经开始做预应力损失的逐步递增态势。基于该认识，作为预应力现浇连续箱梁的预应力损失的源头即是张拉前的应力变形控制。

2.2 钢绞线孔道压浆摩阻分析在完成预应力钢绞线的张拉以后，迅速进行孔道压浆工艺。这步工作的主要目的是尽快完成钢绞线的预应力传递，使钢绞线与箱梁结构本体连成一体。这个过程中会出现预应力的损失，因为在压浆封孔时，其二者接触的摩阻力是一个变量，即摩阻Fμ不是常量，而是关于孔道夹角θ 的函数。基于这样的认识，现行桥梁规范有关孔道压浆的计算公式就存在不足，因为在规范公式中将孔道压浆摩阻作为定值取用，而事实上该值是变量。根据国内学者已经推导出的结果，压浆与预应力钢绞线之间的摩阻的接触应力大致有：二次曲线、余弦函数及指数函数等关系[3]，其推导出的摩阻Fμ是一条二次曲线，其数学描述为

式中，T 为张拉力，N；p（θ）为压浆与预应力钢绞线的接触应力；R 为孔道接触面曲率半径；α 为接触角。

基于式(3)，可以明确压浆摩阻与张拉力、接触应力以及接触角和曲率半径均有关系，这些条件不同，则会直接影响压浆摩阻力的变化。而孔道摩阻力的变化，会抵消掉一部分已经施加的预应力。因此在施工工艺完成时，就会出现预应力已经丢失的情况。根据这个公式，假设在不同的孔道夹角θ 中，实际摩阻与规范计算摩阻的对比结果见表1。

表1 压浆摩阻实际与规范对比值

表1 结果显示，实际摩阻值大于规范计算值，验证了规范方式计算的孔道压浆产生的摩阻比实际偏小。并且随着夹角的增大，二者的差距逐渐增大；同时在夹角越大时，规范计算结果与实际值相差也越大，用规范计算的结果不能指导实际施工。此外，规范值与实际摩阻值在任一夹角情况下都不相等。这说明做孔道压浆的摩阻力分析，规范给出的计算值过于保守，在实际工程中将给预应力损失带来较大的影响，不能直接套用。

3 预应力损失影响因素

3.1 摩阻力对于预应力损失的判断至关重要，通过上述分析不难发现，从预应力钢绞线张拉完成后的孔道压浆开始，预应力就面临损失的风险。而在大量实际工程中，预应力的孔道压浆摩阻力的计算基于规范值进行控制[4]，这就加大了预应力损失的速率和数量。压浆摩阻的存在是预应力损失的首要影响因素。

3.2 预应力钢绞线应力松弛应力松弛是金属材料在受到预先施加的力作用后，内部结构发生错位，而使原有的预应力减少的一种现象。在材料原理上表征为其弹性变形转化为一部分塑性变形。它是一种长期微观上的反应，无法从施工本身予以控制。对于桥梁大跨结构，动辄百年的大型工程，松弛效应对预应力造成的损失也是不可忽视的。

在既有的研究中，对于混凝土结构的预应力认识主要依据是Bazant[5]提出的用老化系数来考虑的龄期调整有效模量法进行应力松弛的表征，即

式中，χ（t，t0）即是老化系数，其取值范围为0.5<χ（t，t0）<1；E（t）则是考虑随时间变化的龄期调整有效模量；σc为钢绞线的预应力；τ 为混凝土的加载龄期，时间为天；φ（t，t0）为混凝土徐变系数。

通过式(4)考虑的应力松弛，从某种意义上讲也仅是单独考虑了预应力钢绞线的因素。实际现浇连续箱梁在施工完成进入服役阶段，会经历各种结构耐久度的考验，并会因结构混凝土自身的材料性能变化带来钢绞线的材料性质变化，这体现于桥跨结构的收缩徐变效应，混凝土徐变导致钢绞线的预应力被消耗，出现除式(4)自身预应力累计外，还有混凝土徐变效应带来的叠加预应力累计。这些应力累计都会抵消掉原有的预应力钢绞线的设计预应力值。因此，作为预应力损失的一个重要源头，钢绞线的应力松弛需要在材料中注意复合考虑[6]。作为大跨桥梁，可在预应力钢绞线中加入活性成分，延长材料本身的应力保有寿命，从而尽最大可能延缓应力松弛的到来，为工程质量带来保证。

3.3 结构混凝土收缩徐变上述节次已经分析到桥跨结构预应力损失的一个重要因素是钢绞线的应力松弛，在这个基础上并存的是结构本身的收缩徐变问题[7]。混凝土收缩徐变会对结构物内部预设的预应力造成影响，直接导致预应力的损失。

以台城河特大桥连续箱梁为例，假设正常预应力施加情况下没有发生任何损失，以桥梁结构正常服役3年计算，得出图2 中桥跨预应力随服役时间变化的预应力损失关系曲线。

通过图2 进行符合工程实际的推算，在考虑混凝土收缩徐变因素后，桥梁结构的预应力损失量远大于常规计算值，并且高于98%的置信区间，这说明从混凝土结构耐久性上来说，徐变带来的预应力损失的影响是必然的，比计算值高很多，并且考虑结构正常受载服役前3 年，结构承载能力的预应力在前期趋于一致；而在第3 年开始明显上升，在服役时间达到1 000 d 左右时，桥梁结构的预应力损失将达到230 MPa 左右，对比计算值增量约为100 MPa。这个结果足够说明混凝土徐变对预应力损失的影响之大。

图2 预应力先交连续箱梁桥结构混凝土徐变对预应力损失变化

通过对台城河特大桥连续箱梁桥跨预应力损失的模拟推算可知，结构混凝土徐变是不可避免的，这在本质上是混凝土材料的固有特性，无法克服。但随着服役时间的延长，这种徐变效应呈现不断递增的趋势，这个情况是可以加以控制的。在工程上来说，前期施工如能把握这个特点，就应结合桥跨的跨度和施工荷载的叠加情况，采用加密配置预应力筋或各种复合加筋材料进行共同承载，以减少徐变效应带来的桥跨结构预应力损失。