混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力检测方法_钟新谷

1、混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力检测方法_钟新谷第 23 卷 第 4 期2010 年 7 月文章编号:1001-7372(2010)04-0063-07中国 公 路 学 报ChinaJournalofHighwayandTransportVol.23 No.4July2010混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力检测方法钟新谷 ,杨 滔 ,沈明燕,禹建达,谢献忠(湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭411201)摘要 :为解决目前普遍存在的大跨度预应力混凝土箱梁桥腹板竖向应力失效的问题,建立了竖向预应力筋外露段的动力学模型,发现了竖向预应力筋外露段锚固区刚度变化与张拉力的关系,计算了相应刚度变化与

2、外露段固有频率关系的近似解和精确解。在此基础上进行了室内模型试验和现场试验,并在 4座大桥得到应用。结果表明:所提出的检测方法原理简单,实际应用效果良好,广泛的应用将彻底改变中国大跨度混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力无定量测试的状况,对防止大跨度混凝土箱梁桥腹板开裂有重要意义。关键词 :桥梁工程;混凝土箱梁桥;动力学模型;张拉力检测法;竖向预应力筋中图分类号:U446文献标志码:AMethodforTensionTestofVerticalPrestressingBarsinWebsofConcreteBoxGirderBridgesZHONGXin-gu,YANGTao,SHENMing-

3、yan,YUJian-da,XIEXian-zhong(SchoolofCivilEngineering,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xi angtan411201,Hunan,China)Abstract:Inordertosolvetheproblemthatthever ticalprestresswidelyappliesinthewebsoflarge-spanconcreteboxgirderbridge slosesefficacyseriously,adynamicmodeloftheexposedsegmentofvertica

4、lpre stressbarwasbuiltandaphenomenonthattheflexuralrigidityatanchoragezone oftheexposedsegmentincreaseswiththeincrementofeffectivetensionretaine dinthebarwasdiscovered.Subsequently,bothapproximatesolutionandexacts olutionontherelationofflexuralrigidityandinherentfrequencyoftheexposeds egmentwerecalc

5、ulated.Basedonit,indoormodeltestandfieldtestwhichwerea ppliedtofourbridgeswerecarriedout.Resultsshowthattheprincipleofpropose dtestmethodiseasyanditspracticalapplyingeffectisgood.Ifthemethodiswidel yapplied,non-quantativeteststateoftensionofverticalprestressingbarsinweb sofconcreteboxgirderbridgesis

6、totallychanged.Ithasimportantsignificanceo fpreventingwebcrackoflong-spanconcreteboxgirderbridge.Keywords:bridgeengineering;concreteboxgirderbridge;dynamicmodel;me thodfortensiontest;verticalprestressingbar0引 言预应力混凝土连续（刚构）箱梁桥结构体系具有结构刚度大、行车平顺、伸缩缝少、养护费用低、适用于多种跨度等优点,已普遍在高速公路、 城市大中跨径混凝土桥梁设计方案中得到应用1-7。 为

7、了防止收稿日期:2009-09-13基金项目:湖南省交通运输厅科技计划项目（200703）,E.64 中 国 公 路 学 报2010 年1.1 模型试验如图1 所示 ,螺母与竖向预应力筋（螺纹钢筋 ）的松紧程度或者说螺纹之间的挤压程度与形成的张拉力大小是相关的,很明显,在螺母范围内,不同的松紧程度有不同的抗弯刚度,不同的抗弯刚度,外露段有不同的固有频率。如果能测试出图1 中竖向预应力筋外露段的固有频率,则可以通过求解竖向预应力筋外露段的动力方程识别螺母段的刚度,通过现场或室内试验标定出刚度变化与张拉力的关系,从而间接获得竖向预应力筋的张拉力。为了证实上述设想,笔者在实验室内进行了模型试验。取腹

8、板模型高度为1.5m,宽 0.4m,长度8.0m,室内张拉测试如图2所示。这类桥型腹板混凝土开裂,可应用精轧螺纹钢筋作为混凝土箱梁腹板竖向预应力筋,其具有连接不受焊接约束,锚固方便,施工简单,强度高,低松弛等优点,到目前为止中国已建和在建的单跨跨径超过100m 的预应力混凝土连续（刚构）箱梁桥中,应用精轧螺纹钢筋竖向预应力体系的已达数百座之多8-9。预应力混凝土连续（刚构）箱梁桥的竖向预应力损失过大或失效,是导致大跨度预应力混凝土箱梁桥腹板开裂、没有达到设计目标的主要原因之一10-15。要解决竖向预应力损失过大或失效的问题 ,最直接、最有效的途径就是提出一种有效的检测方法并制定相应的检测标准,

9、其工程意义在于:一方面,通过它能很好地约束、规范竖向预应力筋的工人施工行为（如使用扭力扳手拧紧螺母,并达到规定的扭矩 ）,使竖向预应力施工行为具有可控性;另一方面,有效的检测手段可以促使施工单位改进施工工艺,提高施工的可靠度,从而达到彻底解决竖向预应力损失过大和失效的问题,对防止预应力混凝土箱梁桥腹板开裂、提高这类桥梁的耐久性和可靠性具有重要的技术和经济意义。本文中通过理论分析与试验提出竖向预应力筋张拉力检测方法。图 2 模型张拉试验频率测试1 张拉力检测方法力学模型竖向预应力筋安装如图1 所示。工人启动油泵Fig.2TestingofModelTensileExperimentFrequen

10、cy模型的竖向预应力筋为目前桥梁上普遍使用的直径为32mm的螺纹钢筋,螺纹型号为M34 3.0,配套螺母高度55mm,外形为六角形,对边距为55mm。外露长度分别为120、 160、 200、 240mm。通过磁力吸座在外露段的顶端安装传感器（北戴河电子仪器厂产的YD-65 型加速度传感器,电荷灵敏度为414.15,频率测量范围5 1000Hz）。传感器和磁力吸座及联结丝杆的总质量为209g。竖向预应力筋在混凝土中的长度为1.5m,在张拉端的另一端安装测力传感器。采用人工激振方式获得的竖向预应力筋外露段的固有频率见表1。表1Tab.1试验模型测试频率TestFrequenciesofExper

11、imentModel使液压千斤顶顶升,通过反力装置使精轧螺纹钢筋承受张拉力后,人工拧紧螺母后放松千斤顶,解除联结器,最终形成了如图1 所示的结构 ,竖向预应力筋在螺母的两端形成张拉力。由于拧紧螺母完全靠工人的感觉,如果拧紧锚固螺母的程度不够,放松千斤顶后就会出现精轧螺纹钢筋达不到设计要求的张拉力的情况,竖向预应力筋就成了摆设,造成竖向预应力损失过大或失效。图1竖向预应力筋的施工安装第 4期钟新谷,等 :混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力检测方法在外露段安装2 个传感器进行模态分析,分析表明所测试的频率为视外露段为悬臂梁时的一阶振型的固有频率,不同张拉力所测试的一阶振型频率如表1 所示。频率测试

12、表明,随着张拉力增加,频率均存在不同程度的增加,很明显竖向预应力筋的外露段在张拉的过程中,抗弯刚度不断增加,外露段的锚固端随着张拉力的不断增加,刚度发生变化,这种变化为张拉力的测试提供了依据。另外忽略螺母的刚度,外露段按悬臂梁计算的一阶振型频率如表1 所示。 不同张拉力测试的频率与对应的外露段一阶振型频率接近,这一规律为判断所测试的频率的振型提供了依据。按悬臂梁计算忽略螺母刚度的外露段各阶振型所对应的频率,对比测试分析的频率,与计算频率接近的实测频率所对应的振型就是计算频率的振型,不再需另做外露段的模态分析。由于激振竖向预应筋外露段的能量非常小,桥梁的固有振动频率不会和外露段的固有频率耦合（与

13、斜拉桥频率法测试斜拉索张拉力类似）。 1.2外露段力学模型近似解在桥梁实际施工过程中,外露长度（不包括螺母的最小长度,该长度大于80mm）是不相同的,但螺母的锚固长度是相同的,如果张拉力相同 ,无论外露长度如何变化,锚固范围内的钢筋与螺母咬合的松紧程度是一样的,或者说抗弯刚度是相同的。传感器质量（209g）较大,置于竖立的悬臂端头时,其惯性力的影响不可忽略。采用基于能量守恒定理瑞雷商法 16分析一阶频率。以悬臂端施加集中静外力P1 时的挠曲变形作为模型的形函数,坐标系统如图3 所示。65式中 :EI 为外露段的抗弯刚度,E 为模量 ,I 为惯性矩 ;k 为锚固段刚度增大系数。设 L2 段的挠曲

14、变形为Y211Y2(x)L3x2x3)(2LL1-EI262kEI1L21)x(3LL21-L31) x(0,L2)6kEI 令V=P1Y2(L3),T=222则 =P1Y2(L3)/T222(2)0L01L1m1Y21(x)dx+2L2m2Y22(x)dx+MY22(L3)2m1Y1(x)dx+(3)22Lm2Y22(x)dx+MY22(L3)2式中 :m1 为锚固段单位长度的质量;m2为外露段钢筋单位长度的质量 ;M 为传感器质量。由式(1) (3)可得到如下一阶振型频度 与锚固段刚度增大系数k 的关系方程(C -G2)k+(B -G1)k+A =0式中L725)2m2L3A=m11-LL

15、61LL1)+2+756EI32LL1-L2122ML)+(m2L2+2ML3) ·2EI232222(4)1111112+(m2L2+M)2EI6EI6EI11L3L4L5B=m222)ML43+41532(EI)411 m2L3L32L2)ML3331236(EI)725CL2L3L62L3L2)+m2(EI)2523620ML639G12LL1-L21)L33LL21-L31)2EI6EI3G2L33EI式 (4)的物理意义为:相同的张拉力,外露长度不同,测试的 是不同的,对于相同规格的竖向预应力筋和螺母,k 值相同 ,建立测得的k值与张拉力的关系,再测试 ,计算k 值 ,就可

16、得到张拉力。1.3外露段动力学模型精确解)232 22323图 3 外露段近似解模型Fig.3ModelofApproximateSolutionatExposedSegment设 L1 段 (锚固段)的挠曲变形为Y11Y1(x)(3Lx2-x3) x (0,L1)(1)66 中 国 公 路 学 报2010 年D2、 D3、 D4、 B1、 B2、 B3、 B4 的 12个方程,记为J=(C1,C2,C3,C4,D1,D2,D3,D4,B1,TB2,B3,B4)=0露长度有一定的比例,同时近似解只解出了一阶频率,对测试的信号进行频谱分析时,进一步确定所测试的频率属于第几阶振型,对竖向预应力筋外

17、露段进行动力学精确分析是必要的。竖向预应力筋精确分析模型见图4。对图4分段建立动平衡方程(15)(16)要使式(15)中系数列阵不全为0,则须有J =0最终式(16)只含有 和 k两个未知数,求解式(16)的特征值,可得到频率与 k 的关系。近似解易于计算,精确解可用于对近似解的复核。2种方法的计算结果比较如表 2 所示。表2试验模型k 值的近似解与精确解ExperimentModel外露长度/mm101不同张拉力(kN)对应的k值近似解200300400500100不同张拉力(kN)对应的 k值精确解2003004005001201.83612.16342.28352.33902.39571

18、.87532.22222.35032.40952.47031601.53182.18382.37732.45602.50891.57912.28392.49642.58332.64192001.18131.59901.88462.08442.23061.22091.67251.98652.20892.37282401.17741.63021.98472.20202.32061.22831.72652.12582.37472.5119Tab.2ApproximateandExactSolutionsofkof图4Fig.42外露段精确解模型4ModelofExactSolutionatExpos

19、edSegment1 1+kEI=0x (0,L1)(5) t x24 2 2m2+EI=0x (L1,L4)(6)t x24 3 3M 2+EI=0x (L4,L5)(7)t x4式中 :M 为有传感器段单位长度的质量;y1、 y2、 y3m1分别为螺母锚固段、外露钢筋段以及传感器安置段动位移。采用分离变量法求解式(5) (7),假定式(5) (7)的解具有如下形式y(x,t)=Y(t) (x)(8)式中 :Y(t)=sin( t+ ),为位移时间函数; (x)为振型函数。2 14将式(8)代入式(5) (7),又令a,b=kEI4224,f,可得下列方程EIEI1(1( x)-a x)=0

20、(4) 2(x)-b4 2(x)=0(4) 3(x)-f4 3(x)=0(4)52注 : 所用频率与表1 相对应。分析表 2 中的数据可得出以下几点结论:(1)k 值随张拉力呈非线性增加 ,与竖向预应力的外露长度无相关性,近似解和精确解具有相同规律。(2)当张拉力较低时,k 的波动范围较大。主要原因是在张拉力较低时 ,螺母与锚垫板的接触存在不均匀性,随着张拉力的增加,不均匀性逐渐消失,k 的波动范围变小。(3)精确计算和近似计算均有相同的规律,近似计算方法简单,可用于现场测量。上述试验与理论分析表明,通过测试竖向预应力外露段的固有频率完全可以间接测试其张拉力的大小。(9)(10)(11)上述方

21、程的解为1( x)=C1cosax+C2sinax+C3chax+C4shax(12)2 张拉力的测试根据室内实验室测试与理论分析,现场标定k2.1 现场测试方法与张拉力的关系有2 种方法:一是在下端锚垫板下预先安装测力传感器 ,按照 5 级进行张拉至设计额定的张拉力(一般为530kN),每次张拉后,按照图 1, 2(x)=D1cosbx+D2sinbx+D3chbx+D4shbx(13) 3(x)=B1cosfx+B2sinfx+B3chfx+B4shfx(14)134第 4期钟新谷,等 :混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力检测方法信号分析仪 ,测试分析外露段的固有频率,并计算不考虑锚固段螺

22、母的刚度 ,按悬臂梁计算外露段多阶振型的频率,根据表1 所示的规律识别测试频率所对应的振型。通过式(4)计算k 值 ,通过 5级张拉可得到不同的 k 值和相对应的张拉力,回归k 值与张拉力关系曲线。二是采用延伸量法,在安装竖向预应力时测定两锚垫板之间竖向预应力筋的长度,或通过图纸计算。拧紧竖向预应力筋的上端螺母(可用千斤顶施加10 20kN 的预加力,消除非弹性变形)。 按 5级进行张拉至设计额定的张拉力(一般为530kN)。 张拉前测量竖向预应力筋的外露长度,张拉后再测量竖向预应力筋的外露长度。竖向预应力筋的张拉力P1 计算公式为21P1Al(17)67式 (18)、 (19)的比较如图5所

23、示。图5表明 ,对相同规格的竖向预应力筋和螺母,不同的工地k 值与张拉力关系基本是一致的,张拉力的误差不超过30kN。可以用同一张拉力与k 值关系曲线测定其张拉力。应用式（18）对广珠高速西线公路4 座大桥进行了竖向预应力筋张拉力测试,其中某座大桥测试结果如表3 所示。现场测试表明 :有相当部分的竖向预应力筋没有达到设计额定的张拉力（大于500kN）。式中 :l 为竖向预应力筋的两锚垫板之间的长度,l1为张拉前的外露长度,l2 为张拉后的外露长度。E 为竖向预应力筋的弹性模量;A 为截面面积。其他步骤与预埋测力传感器法相同。2.2现场张拉力P 与 k 值关系曲线测试方法在广珠高速西线2 座竖向

24、预应力筋及螺母规格相同的不同桥梁（竖向预应力筋与锚固系统、测试系统与室内模型试验相同）上进行测试 ,一座是安装测力传感器（进行了5 根竖向预应力筋的测试）,另一座是采用延伸量法获得张拉力（获得79对数据 ）。按图 1 和前述技术路线 ,测试获得竖向预应力筋外露段的一阶频率 ,由式（4）求解相应的k值 ,得到一系列不同张拉力P值和与之相对应的k 值 ,由此得到张拉力P与 k 值的 5次回归曲线（采用5次曲线回归误差在5%以内）,式 （18）为安装测力传感器获得的张拉力P-k关系曲线,式 （19）为延伸量法获得的张拉力P-k关系曲线方程P=-1173.47759470073+3100.395355

25、60168k- 3176.70652388115k2+1574.12250744688k3- 373.091631460304k+33.8740588657765k5P=-2068.62241559316+5341.7361695907k-5382.79845937133k+2642.33362144084k3-628.557486125073k+588k5424图 5k 值与张拉力的关系Fig.5RelationsofkandTensions施工单位根据测试报告对未达到额定张拉力的竖向预应力筋进行重新张拉。对重新张拉的竖向预应力筋,笔者与施工单位技术人员对其延伸量进行了测试,测试结果与检测结

26、果是一致的,施工单位表示信服（现场测试如图6 所示）。为此业主与施工单位对张拉质量进行了改进,再次测试表明,施工单位的张拉质量有了较大的提高。对于同一规格的竖向预应力筋和螺母,可以通过少量的现场试验标定 k 值与张拉力的关系曲线,该方法可以适用不同工地进行大面积竖向预应力筋张拉力的测试,设备可以重复使用,原理简单。如果将频率分析软件与k 值计算过程、k 值回归曲线嵌固在同一台仪器则成为竖向预应力筋张拉力测试专用仪器（专利号:200820159462）。 如图 6所示 ,目前已生产了第1 台专用仪器,并应用于实际桥梁竖向预应筋张拉力的测量。3(18)结语视竖向预应力筋的外露段为悬臂梁进行测试与分

27、析 ,识别竖向预应力筋外露段的锚固段刚度变化,现场测试结果表明 ,本文提出的测试竖向预应力筋的张拉力方法是可行的。一旦在全国推广应用,将彻底改变中国大跨度混凝土箱梁桥腹板竖向预应力无定量测试的状况,对防止大跨度混凝土箱梁桥腹68表3Tab.3外露长度/cm17.619.319.216.318.018.916.316.915.017.918.617.917.218.215.4频率/Hz419.0342.9345.8471.8410.2366.3442.5445.4524.5410.2363.4404.4445.4407.3509.5中国公路学报2010 年现场某座大桥竖向预应力筋张拉力测试结果R

28、esultsofFieldTensionTestsofVerticalPrestressforaBridgek值张拉力测试值/kN450.9205.8207.8472.2499.8330.2233.8454.7421.3467.6215.5407.1540.3530.7452.9外露长度/cm14.914.114.814.712.513.214.915.012.512.113.514.113.815.513.4频率/Hz545.0580.2518.7539.2656.4644.6530.4521.6673.9703.2609.5542.1603.6515.7612.4k值2.4698982.3

29、552822.0551832.2474272.1096112.4613642.2650412.2137912.2684272.2698512.2829701.9275792.4265362.4820792.247798张拉力测试值/kN519.3473.1310.2418.5341.0516.4428.0400.1429.8430.5437.4242.0503.6523.3418.72.3093111.8502171.8547472.3533042.4169232.0906761.9108622.31685 32.2525452.3434621.8720692.2264402.5436702.

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