论文 大吨位小半径环向预应力设计和施工技术分析.pdf

大吨位小半径环向预应力设计和施工技术分析 王德华1 朱宏平1 刘春杰2 1 华中科技大学 土木工程与力学学院 湖北 武汉 430074 2 河南焦作市公路管理局 河南 焦作 454000 摘 要 通过军山大桥主跨斜拉桥索塔锚固区上塔柱足尺模型试验的研究与分析 阐述了大吨位小半径环向预 应力应用的实际效果 对试验和施工应用中的相关问题作了客观的论述 并提出了合理的建议 关键词 索塔 大吨位 小半径 预应力 施工技术 中图分类号 U448 27 U443 38 文献标识码 A 文章编号 1000 5730 2002 03 0024 04 大跨度斜拉桥的索塔锚固区是承受索及梁荷 载的主要部位 由于斜拉索索力较大 锚固点相对 集中 致使塔柱的索 梁锚固区应力集中 应力分 布也很复杂 为确保锚固区域具有足够的水平向 承载能力和抗裂安全度 在锚固区域设置环向预 应力是很有必要的 1 索塔锚固区环向预应力可 按井字形或环形布置 其中 井字形布置一般多采 用预应力高强钢筋 环形布置则可采用预应力钢 绞线 武汉军山长江公路大桥是京珠高速公路跨越 长江的特大桥 同时也是武汉市外环高速公路的 共用工程 主桥为48 204 460 204 48 964m 的五跨连续双塔双索面半飘浮体系钢箱梁斜柱 桥 桥面净宽33 5 m 不含斜拉索锚固区宽度 双 向六车道 桥面最大纵坡为3 桥面横坡为2 竖曲线半径R 40 000 m 索塔为分离式倒Y型 塔柱为箱形断面 索塔共设三道横梁 横梁为预应 力混凝土箱形断面 索塔总高度163 5 m 通过结 构应力分析和足尺模型试验 发现在军山长江公 路大桥索塔锚固区设置大吨位小半径环向预应 力 能够提高其水平承载能力和抗裂安全度 也为 类似工程的设计和施工积累了一定的经验 1 环向预应力体系选择和基本构造 军山长江大桥索塔高163 5 m 为分离式倒Y 型构造 分上 中 下塔柱三部分 上塔柱截面尺寸 为7 0 m 纵 4 5 m 横 锚固面壁厚1 2 m 顺 索向壁厚0 6 m 锚固点分布在上塔柱 最大单根 索力600 t 图1表示了该桥索塔锚固区足尺试验 模型的详细构造 图1 足尺试验模型剖面图 mm 1 1 大吨位环向预应力体系选择 通过对锚固区节段进行有限元分析 在军山 长江大桥索塔锚固区采用了大吨位小半径环向预 应力体系 由U型钢绞线索和直索闭合组成 与 采用井字形预应力钢筋相比 该体系具有能提供 较高程度的预应力 锚头少及施工简便等优点 根据索塔节段有限元分析结果 U型索开口 在截面长边方向 比U型索开口在短边方向的预 应力效果高8 14 对于短直预应力索 索越 短 锚具及夹片回缩预应力损失所占比例越高 因 而选择U型索开口在长边方向布置预应力束比 较有利 图2 图2 U型预应力束平面布置图 mm 收稿日期 2002 07 28 作者简介 王德华 1965 男 在职硕士研究生 武汉 华中科技大学土木工程与力学学院 430074 第19卷第3期 华 中 科 技 大 学 学 报 城市科学版 Vol 19 No 3 2002年9月 J of Huazhong Univ of Sci 预应力钢绞线公 称直径15 24 mm 标准强度1 860 MPa 在预应力 施加完成后 进行管道真空吸浆 2 2 足尺模型试验步骤和测试 2 2 1 预应力钢绞线张拉试验 通过在预应力 束两端设置应力传感器 测出孔道摩阻力和锚圈 口总摩阻力 同时现场测试记录钢绞线延伸量 为 了便于分析 预应力张拉按25 P 0 25 P 40 P 60 P 80 P 100 P分级连续进行 2 2 2 荷载试验 试验采用4台Y DC50002200 型千斤顶加载 初始加载2 000 kN 按2 000 kN级 荷载等额增加 最大加载至16 000 kN或模型破坏 为止 通过TDS303静态数据采集仪 对砼表面应 变片和压力传感器应变片的数据进行实时记录 模型变形则采用千分表测试 试验过程中 利用放 大镜对裂纹情况及时观测 2 2 3 足尺模型荷载试验结果 通过对足尺模 型加载测试 在水平荷载加至10 000 kN时 用20 倍放大镜检查 结构表面出现第一道细小裂纹 加 载至12 000 kN时表面裂纹宽度约0 06 mm 裂纹 数量进一步增加 加载至16 000 kN时 裂纹数量 进一步增加并加长 最大裂纹宽度约0 18 mm 长 度50 150 cm 裂纹出现的位置主要在斜拉索管 口附近 对试验结果的分析表明 设计承载力安全 系数大于2 0 抗裂安全系数大于1 8 3 大吨位环向预应力施工控制 a 锚下钢筋布置及砼施工 锚下钢筋较密 要严格按设计要求布置 环形钢筋应位于锚头下 并居中布置 在砼浇注时 应严格控制砼和易性及 其塌落度 先浇注振捣锚头位置 实践证明 尽管 锚下钢筋较密 但只要加强对砼质量和振捣质量 的控制 锚下砼施工质量能得到保证 b 环向预应力穿束和准备工作 环向预应力 束要求编束 整束穿入 避免钢绞线打绞 同时穿 束之前应对管道进行冲洗 在预应力张拉之前 应 对张拉设备进行校核 并绘制油压表读数和张拉 力曲线 按分级张拉力事先确定油压表分级读数 锚具和夹片的安装在张拉前需仔细检查 预应力 束按顺序张拉 根据情况 U型预应力束可采用两 端同时张拉或先后进行张拉 c 环向预应力张拉控制 在张拉过程中 仔 细记录分级张拉力与延伸量的大小 表1 严格 依据控制张拉力的大小进行张拉 不得超张拉 d 索塔锚固区观测 在施工阶段对索塔锚固 区裂纹情况进行了两次观测 即全桥合拢阶段和 成桥后 在锚固区均未发现裂纹 表1 实测的环向预应力束张拉力大小与延伸量值 编 号 张拉力 延伸量 25 P 40 P 延伸 量差 60 P 延伸 量差 80 P 延伸 量差 100 P 延伸 量差 19011525138231612318322 28310219117151422516523 38110322129261522317320 4769822124261452116823 5567923100211242414420 4 环向预应力张拉试验及控制参数 4 1 孔道摩阻及偏差系数分析 孔道摩阻系数及偏差系数按下式计算 kl ln P P 1 式中 P为被动端有效预应力 P 为主动端有效 预应力 为主动端至被动端曲线切线角之和 rad l 为主动端至被动端距离之和 为孔道摩 阻系数 k为偏差系数 按实测U型索预应力损失为44 取k 0 003 则 值为0 18 此值比设计规范中金属波纹管摩 擦系数略小 表2 2 3 52第3期 王德华等 大吨位小半径环向预应力设计和施工技术分析 1995 2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 表2 规范及实值系数 和k 规范名称k 实测值0 0030 175 公路规范 2 0 001 50 2 0 25 铁路规范 3 0 002 0 0030 20 0 26 实际上 U型索在张拉各阶段预应力损失并 不一致 表3为1 索预应力损失情况 这表明摩 阻系数在张拉过程中的表现也不一致 前期 值 小于0 18 后期 值大于0 18 表3 实测环向预应力损失表 名 称张拉力 kN 主动端示值5251 2592 3772 463 被动端示值3108071 3361 379 预应力损失1 41364444 预应力损失2 34325250 4 2 实测钢绞线束延伸量分析 钢绞线束延伸量计算按下式计算 L li 0 i Epd x Pi li Ep A 2 式中 Pi为计算段平均张拉力 Ep为钢绞线弹性 模量 li为计算段长度 A为钢绞线束面积 按此 式及实测系数 和k计算环向预应力束张拉延 伸量为89 mm 图3表示了三条实测U型预应力 束延伸量 L与张拉力P的关系与理论计算值的 比较 从图中可以看出 实测值与理论计算值存在 较大差异 当实际张拉力大于50 时 其斜率与 理论曲线斜率接近 按50 以后曲率换算延伸量 与计算延伸量比较 相差4 10 按25 以后 曲率换算的延伸量与计算延伸量比较 相差12 20 图3 钢绞线束张拉与延伸量的关系 作者认为 下列原因导致实际延伸量与计算 延伸量偏差太大 a 小半径U型预应力束在弯道部分松紧不 一 弯曲程度不一致 部分钢绞线在张拉初始阶段 不受力 产生非弹性几何变形 b 张拉到一定阶段 钢绞线束应力在平面内 重分布 致使整束钢绞线呈非线性弹性延伸 c 由于钢绞线弯曲半径小 在张拉前 钢绞 线弯曲部分存在弯曲内应力 d 曲线部位塑料波纹管在钢绞线张拉过程 中摩阻力不一致 在张拉阶段后期曲线部位塑料 波纹管局部被挤压变形或挤裂 致使部分钢绞线 与砼直接接触 4 3 锚圈口摩阻损失和锚具回缩 通过传感器和千斤顶读数得到的锚圈口摩阻 损失达7 左右 实测锚具 夹片回缩产生钢绞线回缩的预应 力损失为17 21 直索的锚具回缩预应力沿 程损失也基本一致 按回缩量6mm推算 7 m直索 锚具回缩预应力损失为15 与实测值接近 由于U型索曲线部位摩阻力较大 锚具回缩 预应力损失主要集中在张拉侧直线部位和曲线前 半部位 4 4 小半径大弯角对预应力的影响 为了弄清楚延伸量偏差大的原因 现场制作 了张拉模型 从张拉模型弯曲部位开孔 观察钢绞 线在张拉过程中的变化情况发现如下几点 a 张拉前钢绞线在弯曲线部位分布半径不 一致 钢绞线在索管内松紧不一致 对钢绞线进行 整束预张拉 放松钢绞线后这种情况依然恢复 b 钢绞线张拉受力后依次紧贴 当张拉力增 大到一定程度 钢绞线应力在曲线部位会重新分 布 并有相互嵌挤现象 c 塑料波纹管在曲线部位产生压缩变形 并 局部挤裂 同时也产生一定的几何变形 d 钢绞线在孔道内长度不一致 最大差值达 23 cm 使得整束钢绞线实际换算弹性模量比单根 钢绞线弹性模量低 根据上述的理论分析和实验研究 可以得到 如下结论 a 根据荷载试验结果分析 军山大桥索塔锚 固区环向预应力设计能满足安全使用的要求 b 实测孔道摩阻系数 0 18 孔道偏差系 数k 0 003 但由于塑料波纹管局部变形和破裂 的原因 在整个张拉过程中 和k值并不恒定 塑料波纹管的 实际上要小于0 18 c 钢绞线延伸量与计算延伸量差别较大 主 要是因为大吨位小半径束非弹性几何变形的存 在 它将造成部位预应力筋在张拉阶段应力超限 考虑到锚具回缩预应力损失达到20 故其使用 62 华 中 科 技 大 学 学 报 城市科学版 2002年 1995 2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 安全性还是有保证的 d 实测大吨位束锚圈口摩阻损失接近7 这与通常设计计算估算的4 出入较大 在类似 大吨位或更大吨位预应力设计和施工中 最好通 过实测确定锚圈回摩阻损失 e 由于塑料波纹管强度较小 在设计时 建 议对其弯曲角度和半径作出一定限制 f 预应力钢绞线小半径大角度弯曲内应力 的量化及其对钢绞线延伸量的影响程度 有待进 一步研究 g 砼质量和砼振捣质量是确保大吨位锚下 砼抗裂安全性的关键 应严格控制大吨位锚下砼 施工质量 参 考 文 献 1 周孟波等 大吨位锚固区混凝土抗裂性及承压能力研 究 J 桥梁建设 1999 4 13 17 2 JT J 041 2000 公路桥涵施工规范 S 3 JT J 041 2000 铁路桥涵设计规范 S Design and Construction Analysis of Large2tonnage2and2small2radius Annular Prestressed Force WANG De2hua1 ZHU Hong2ping1 LIU Chun2jie2 1 College of Civil Eng 2 The Road Burea Jiaozuo 454000 China Abstract The prototype model experiment for the cable2tower2anchor zone of Jun shan cable2stayed bridge with 460 m main2span2length is conducted Moreover the actual effect of application of large2tonnage2and2small2radius annu2 lar prestressed force is analyzed The related problems in the experiment and construction are objectively discussed and some reasonable comments are finally presented Key words cable2tower large tonnage small radius prestressed force construction technique 上接第19页 2