现浇箱梁张拉方式影响预应力损失分析

万阳

摘要 为研究现浇箱梁张拉方式对预应力损失的影响，文章采用桥梁博士分别建立4×30 m现浇箱梁直线及曲线有限元模型，从主梁变形、截面应力及有效预应力值三个方面，反映单端张拉与两端张拉施工方式对预应力损失的影响。结果表明：采用两端张拉方式，中跨变形值较边跨低，约为边跨变形的30%；采用单端张拉方式，主梁变形最大值出现在远离张拉端的边跨跨中，直线段及曲线段变形量分别是采用两端张拉方式时的3.7倍和3.6倍。采用两端张拉方式，预应力损失最大值出现在中跨跨中位置，对于联长120 m的直线箱梁，损失约为20%，对于联长120 m、半径为120 m的曲线箱梁，损失量约为25%；采用单端张拉方式，预应力损失最大值出现在远离张拉端的梁端，损失量约为50%，有效预应力储备不足，4#墩墩顶及第4跨跨中底缘容易出现拉应力，应给予重视。

关键词 现浇箱梁；两端张拉；单端张拉；预应力损失

中图分类号 U442文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）10-0102-03

0 引言

现浇箱梁因采用整体现浇施工方式，其整体性、抗弯、抗剪、抗扭性能较强[1]，且异形适应能力较为突出，外观及主梁较T梁结构优势明显，被广泛应用于对净空及外观要求较高的市政桥梁及小半径匝道上。但其预应力钢筋与管道之间的摩擦、锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩、预应力钢筋与台座之间的温差、混凝土弹性压缩以及预应力混凝土的收缩和徐变等因素会造成预应力损失[2-4]，且由于施工组织及操作空间限制，导致一端受阻，只能采用单端张拉的情况。该文研究在直线及小半径曲线上，不同张拉方式对现浇箱梁预应力损失影响具有一定的理论意义及现实需求。

1 桥梁方案概况及分析计算模型

1.1 桥梁方案概况

该文采用常见的一联4×30 m预应力混凝土现浇箱梁作为研究对象，并分为桥梁平面在直线及半径为120 m曲线上两类，在其他条件一致的情况下，分别采用单端张拉及两端张拉的施工方式进行模拟，对变形、应力及有效预应力验算。通过4个模型结果，对比分析桥梁在直线及小半径曲线上，上述两种张拉方式对预应力损失的影响。

桥梁上部结构为整体现浇预应力混凝土箱梁，桥面宽度10.5 m，单箱双室结构，梁高1.8 m，材料为C50混凝土；下部结构为常规柱式墩，桩基础，采用满堂支架现场整体浇筑施工。预应力采用13束φ15.20的预应力钢绞线，抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，张拉控制应力为0.75fpk=1 395 MPa，预应力钢筋通长布置，编号为F1-1～6、F2-1～6、F3-1～6、F4-1～6，钢筋张拉顺序为F2→F3→F1→F4，上部结构断面及预应力钢筋跨中横向布置见图1。

1.2 结构验算模型模拟及参数选取

该文采用桥梁博士V4.4对上述4种工况采用两单元模型进行模拟，力求结果趋近于实际，验算不考虑下部结构影响，采用梁单元模型，共计88个节点、82个单元，桥梁有限元模型见图2～3。

预应力损失计算参数如下：①设计采用预埋塑料波纹管，预应力钢筋与管道的摩擦系数μ取0.2，管道每1 m局部偏差对摩擦的影响系数为κ=0.001 5；②张拉端锚具变形值取6 mm；③预应力钢筋采用低松弛钢筋，松弛系数ξ取0.3；其余均按照规范计算。4种情况下施工阶段模拟如表1。

2 张拉方式对预应力损失影响分析

該文从成桥阶段主梁变形、应力以及有效预应力值变化情况，分析两种张拉方式对预应力损失的影响。

2.1 成桥阶段主梁变形分析

在两种张拉方式下，由于预应力损失存在差异，对成桥阶段主梁变形产生一定的影响，变形最值及对应的位置见图4。

由图4可知，由于连续墩墩顶处负弯矩影响，中跨变形值小于边跨。半径=120 m曲线桥梁及直线桥梁，在两端张拉的施工方式工况下，其主梁变形趋势基本一致，变形量差异最大出现在中跨跨中位置，直线段变形为?2.9 mm，曲线段变形为?3.2 mm，最大增加百分比为10%；在单端张拉的施工方式工况下，变形量差值与距张拉端距离成正相关趋势，变形量差异最大出现在距张拉端较远的边跨跨中位置，直线段变形为?10.8 mm，曲线段变形为?11.6 mm，最大增加百分比为7%。桥梁平面线形一致的情况下，单端张拉与两端张拉相比，变形量差值与左梁端距离呈正相关趋势，变形量差异最大出现在距张拉端较远的边跨跨中位置，直线段变形分别为?10.8 mm和?2.9 mm，最大增加百分比为272%；曲线段变形为?11.6 mm和?3.2 mm，最大增加百分比为263%。

2.2 成桥阶段主梁应力分析

两种张拉施工方式下，成桥阶段主梁顶、底面应力见图5～6。

由图5可知，在成桥之后，采用相同的张拉方式，直线段与曲线段桥梁顶板顶缘的应力曲线基本一致。由于负弯矩的影响，顶缘应力最值均出现在墩顶处，且由于有效预应力的损失，不同张拉方式顶缘应力值差异量最大出现在距张拉端较远的4#墩墩顶处，直线段两端张拉的情况下应力为2.43 MPa，单端张拉应力值为?1.62 MPa；半径=120 m曲线段两端张拉的情况下应力为2.04 MPa，单端张拉应力值为?1.87 MPa。在单端张拉的情况下，由于预应力损失严重，有效预应力储备不足，4#墩墩顶处出现了拉应力。

由图6可知，在成桥之后，采用相同的张拉方式，直线段与半径=120 m曲线段桥梁底板底缘的应力曲线基本一致。由于有效预应力的损失，两种张拉方式底缘应力值差异量最大出现在远离张拉端的边跨跨中墩处，直线桥梁两端张拉的情况下应力为3.62 MPa，单端张拉应力值为?0.39 MPa；曲线段两端张拉的情况下应力为3.6 MPa，单端张拉应力值为?0.63 MPa。

底缘应力曲线与顶缘应力曲线呈现出相同的趋势，在单端张拉的情况下，远离张拉端的第5跨跨中底缘出现拉应力，设计及施工中应给予重视。

2.3 主梁有效预应力分析

在两种预应力张拉方式下，主梁各预应力钢筋在成桥阶段的有效预应力值将发生变化，同编号的

预应力钢筋有效预应力图形相近，以中腹板位置F1～F4预应力钢筋为例，分析预应力损失情况，见图7～10。

由图7～10可知，模型提取的有效预应力值与变形及主梁应力相印证，符合变形及应力的曲线走势。采用两端张拉的施工方式，钢筋有效预应力最大值在距梁端18 m位置处，最小值在一联的中间位置，损失约为20%。其有效预应力值沿中间位置对称分布，因张拉端存在锚具回缩变形等瞬時预应力损失，在张拉端附近的有效预应力值均有所降低。采用单端张拉的施工方式在联长中间位置以左与两端张拉方式的有效预应力值一致，过了联长中间位置后，有效预应力值快速降低，且在墩顶处由于预应力钢筋竖向曲线出现反弯点，有效预应力下降速度较其他段快。单端张拉最远端有效预应力不到50%，预应力损失严重，设计及施工中应给予重视。图7～9与图10比较可知，预应力钢筋F4的有效预应力损失量均小于F1～F3，仅为F1～F3损失量的57%，分析原因主要因为预应力钢筋F4竖向弯起角度较小，且曲线半径较大，说明预应力钢筋竖向曲线弯折对预应力损失有一定的影响。

3 结论

针对常用的直线段及半径=120 m曲线段桥梁，建立空间有限元模型，提取不同张拉方式下主梁的变形、应力及有效预应力值，进行对比和验证分析，结果表明：

（1）中跨有效预应力较边跨低，但由于结构为连续结构，负弯矩的影响，导致两端张拉方式下中跨变形值较边跨低，约为边跨的30%；采用单端张拉方式下，第5跨距张拉端较远，预应力损失严重，直线段及曲线段跨中变形量较采用两端张拉方式增加百分比分别为272%和263%。

（2）单端张拉方式预应力损失严重，有效预应力储备不足，4#墩墩顶处及第5跨跨中底缘均出现拉应力，设计及施工中应给予重视，选择合理的施工方式，确保结构安全。

（3）有效预应力曲线与变形及应力相互印证，采用两端张拉方式预应力损失最大出现在一联的中间位置，直线段损失约为20%，半径为120 m的曲线箱梁损失量约为25%。采用单端张拉方式预应力损失最大出现在远离张拉端的梁端，损失量约为50%。

（4）综合以上，半径=120 m曲线桥梁对预应力损失影响较小；推荐采用两端张拉的施工方式，若条件限制，只能采用单端张拉时，应尽量减少联长，控制在100 m以内，并重点注意主梁顶底缘应力是否满足要求。

参考文献

[1]刘世明， 刘永健， 耿东升， 等. 现浇箱梁预应力钢筋张拉方式影响分析[J]. 公路交通科技， 2013（3）： 83-89.

[2]李双一， 王艳琴， 张一玉. 浅谈后张法预应力施工过程中的应力损失分析及控制[J]. 辽宁交通科技， 2015（9）： 52-56.

[3]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范： JTG 3362—2018[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2018.

[4]朱琛. 预应力高性能混凝土桥的预应力损失比较[J]. 世界桥梁， 2018（3）： 23-27.