预应力智能张拉对桥梁结构的影响分析

任希娟

（湖南湘通交通工程技术咨询有限责任公司）

1 引言

预应力技术广泛用于混凝土桥梁结构，具有提高构件刚度、稳定性及耐疲劳性能等诸多优点。预应力张拉工艺较复杂、施工质量要求高，因预应力施加不当而导致桥梁坍塌的事故常有发生。预应力传统张拉靠人工读取油表、钢尺张拉伸长量进行控制，误差较大，难以满足施工技术规范规定的精度要求。预应力智能张拉系统已应用于工程十余年，自问世以来，由于其流程控制精准、数据精度高、人工成本降低等特点，迅速得到了广泛的推广，现已成为全国高速公路桥梁结构标准化施工的举措之一[1-6]。

本文结合既有试验数据，通过分析张拉力误差对结构承载力的影响，得出相关结论，为结构设计富余系数取值及预应力张拉设备选择提供参考。

2 工程概况

某项目20m+32m+20m 现浇箱梁结构，全宽7.5m，梁高1.6m，跨中顶板厚25cm，底板厚22cm，腹板厚45cm，支点附近顶板加厚至45cm，底板加厚至70cm，腹板加厚至125cm，中支点横梁厚1.8m，边支点横梁厚1.2m。现浇箱梁跨中及支点处断面见图1。

图1 现浇箱梁断面（单位：cm）

主要材料参数如下：①主梁混凝土采用C50 混凝土；②纵向预应力钢绞线采用φS15.2mm高强低松弛钢绞线，抗拉强度标准值fpk=1860MPa，张拉控制应力σcon＝0.75fpk；③普通钢筋采用HRB400 钢筋；④桥面铺装采用C50混凝土。

主要荷载参数如下：①汽车荷载：公路-Ⅱ级，横向两车道。汽车冲击系数和折减系数按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）第4.3 节进行计算；②结构自重：26kN/m³；防撞护栏：10kN/m/道；③温度变化：根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）[7]第4.3 节采用的温度计算模式计算主梁温度影响；④结构不均匀沉降按10mm 考虑；⑤收缩徐变：按3650天考虑。

3 对比分析方案

梁晓东[1]对传统张拉和智能张拉进行了试验对比分析，工程实体试验结果表明：传统张拉张拉力误差均值为4.68%，智能张拉张拉力误差均值为0.7%；传统张拉的同步精度误差均值为14.62%，智能张拉的同步精度误差均值为1.49%。董欣鑫等[2]分析表明：传统张拉精度为±15%，智能张拉系统张拉精度为±1%。黎人伟[3]实验室试验结果表明：传统张拉误差均值为4.01%，智能张拉误差均值为0.55%；传统张拉同步精度误差均值为12.15%，智能张拉同步精度误差均值为1.32%。

采用Midas Civil 2020 建立有限元模型进行计算（见图2），混凝土箱梁按A 类预应力进行构件设计，根据规范进行荷载组合及验算。综合以上试验结果，分析以下典型工况：

图2 （20+32+20）m现浇箱梁有限元模型

工况一：完全吻合设计要求的张拉力（智能张拉误差较小，可认为其与本工况一致）；

工况二：张拉力整体偏大4.5%；

工况三：张拉力整体偏小4.5%；

工况四：两端张拉的同步偏差为14.5%。

4 分析要点

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）[8]中的相关规定，从以下几个方面对箱梁结构进行验算：

1）持久状况承载能力极限状态验算。改变预应力张拉力对承载能力极限状态验算结果无影响，本文不再考虑本部分对比[4]。

2）持久状况正常使用极限状态验算。

正截面混凝土拉应力应符合要求：σst-σpc≤0.7ftk，σlt-σpc≤0；

斜截面混凝土主拉应力应符合要求：σtp≤0.5ftk。

3）持久状况和短暂状况构件的应力验算。

受压区混凝土最大压应力应符合要求：σkc+σpt≤0.5fck；

预应力钢绞线最大拉应力应符合要求：σpe+σp≤0.65fpk；

混凝土主压应力应符合要求：σcp≤0.6fck；

以上各符号的含义：

σst、σlt为作用频遇组合、准永久组合下，构件抗裂边缘混凝土的法向拉应力；σpc为由预加力产生的混凝土法向预压应力；σtp、σcp为构件混凝土中的主拉应力、主压应力；σkc为由作用标准值产生的混凝土法向压应力；σpt为由预加应力产生的混凝土法向拉应力；σpe为截面受拉区纵向预应力钢筋的有效预应力；σp为正截面承载力计算中纵向预应力钢筋的应力；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值；fck为混凝土轴心抗压强度标准值；fpk为预应力钢筋抗拉强度标准值。

5 主要分析结果对比

针对以上四种工况，有限元分析结果数据详细对比如下：

1）正截面抗裂验算

从表1可知：四种工况下，正截面抗裂均能满足规范限值要求，但由预应力张拉误差引起的应力变化量最大达0.85MPa，约占规范限值1.855MPa 的45%，影响较大[5]。

表1 正截面抗裂最大拉应力 MPa

2）斜截面抗裂验算

从表2 可知：工况二～工况四均不能满足规范限值要求，斜截面抗裂控制较为严格，预应力张拉误差给结构带来的影响不容忽视[6]。

表2 斜截面抗裂最大主拉应力 MPa

3）正截面压应力验算

从表3 可知：预应力张拉误差引起正截面压应力最大变化量为0.52MPa，约占规范限值16.2MPa的3%，影响有限。尽管如此，但仍有工况四超规范限值要求。

表3 持久状况标准组合下正截面最大压应力 MPa

4）受拉区钢绞线拉应力验算

从表4 可知：预应力张拉误差直接影响钢绞线拉应力，波动范围大。

表4 持久状况受拉区钢绞线最大拉应力 MPa

5）斜截面主压应力验算

从表5 可知：预应力张拉误差对斜截面主压应力影响较小。

表5 持久状况标准组合下斜截面最大主压应力 MPa

6 结语

从以上分析结果可知，预应力传统张拉误差对结构带来的影响不容忽视，直接影响与桥梁结构安全息息相关的重要指标。在此提出几点结论供参考：

①在工程条件允许的前提下，尽量选用智能张拉设备，提高张拉精度，减少误差，为结构安全提供可靠保证[7]。

②桥梁结构设计时，对预应力张拉误差较为敏感的指标考虑预留足够安全储备，如：正截面抗裂预留不小于1.0MPa，斜截面抗裂预留不小于0.5MPa。对预应力张拉误差不那么敏感的指标，如正截面压应力、主压应力等，从预应力张拉误差考虑，也建议取不小于1.05的富余系数。