大跨径预应力混凝土梁桥腹板斜裂缝成因分析

大跨径预应力混凝土梁桥腹板斜裂缝成因分析

1变截面箱梁设计107号线的官渡黄河大桥全长7177米，主桥全长2455米，桥段为3（75）25m。箱梁设计为三向预应力体系,主梁除布置纵向预应力外,在桥面板内设有横向预应力束,腹板内设有竖向预应力束。竖向预应力采用二次张拉低回缩钢绞线竖向预应力锚固体系。2新型预应力锚固系统二次张拉低回缩钢绞线竖向预应力锚固体系是针对中短预应力束锚固系统在张拉放张后,产生的回缩对预应力系统永存预应力损失过大的工况专门研究开发的一种新型钢绞线低回缩高效率的预应力锚固系统,是目前中短束预应力筋有效永存预应力损失最小的锚具品种之一。3锚杯及垫板张拉安装张拉端低回缩锚具,第1次张拉钢绞线至设计张拉力;2～14h后,再将锚具的锚杯连同预应力筋整体张拉至设计张拉力,锚杯下端面离开垫板5～13mm,持荷2min,向垫板侧拧扭支承螺母,直到消除锚杯与垫板之间间隙。达到克服第一次张拉产生的锚具放张回缩,降低竖向预应力损失,提高永存预应力的目的。4研究的基本分析为研究竖向预应力二次张拉预应力损失情况,根据本桥特点选择典型的中跨1号节段、次中跨4号节段进行研究分析。根据设计规范,预应力混凝土构件在正常使用极限状态计算中,对于后张法构件应考虑5项预应力损失:(1)预应力钢筋与管道壁之间的摩擦损失σ4.1由于预测钢筋和管道壁之间的摩擦损失，后张法构件张拉时,预应力钢筋与管道壁之间摩擦引起的预应力损失,按照下式计算:式中:σ4.2预应力锚固体系锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的预应力损失按照式(2)计算:式中:Δl为张拉锚具变形。钢筋回缩和接缝压缩值(mm);l为张拉端至锚固端之间的距离(mm)。根据二次张拉竖向预应力钢绞线锚固体系:张拉锚固时因锚具变形、缝隙压密等引起的总回缩量不得大于1mm,可采取超张拉或反复张拉的措施。本计算从安全角度出发,取Δl=1mm。4.3预应力损失的计算后张法预应力混凝土构件,采用分批张拉时,先张拉的钢筋由于张拉后批的钢筋所引起的混凝土弹性压缩的预应力损失,可按式(3)计算:式中:ΣΔσ由于混凝土弹性压缩而产生变形非常小,故计算过程中不予考虑。4.4钢筋松弛系数对于预应力钢丝和钢绞线,其松弛损失可以通过式(4)计算:式中:ψ为张拉系数,一次张拉取值1.0,采用超张拉取值0.9;为钢筋松弛系数,I级松弛(普通松弛)取值1.0,II级松弛(低松弛)取值0.3;σ本锚固体系下采用超张拉,钢筋类型为低松弛钢筋,计算预应力钢筋松弛损失,其中σ4.5混凝土收缩损失由混凝土收缩、徐变引起的预应力损失,按照式(5)计算:4.6钢筋回缩回缩引起的损失各类型损失量及汇总值如表1和图1–3所示。预应力损失计算,考虑了管道偏差、锚具变形及钢筋回缩、钢筋松弛、收缩徐变等因素引起的损失。由以上数据可知,钢筋松弛引起的预应力损失最大,其次是混凝土的收缩徐变效应,这两项接近于损失占比的70%。此外,锚具变形、钢筋回缩等引起的损失相对较小。总的预应力损失率在13%～15%之间。5预应力锚固短束二次张拉的效果为了更好地掌握新型竖向预应力锚固体系作用下,预应力的损失特性和混凝土箱梁的受力特性,对中跨1号节段开展了竖向预应力锚固短束的试验研究。试验按照“内腹板3根→边腹板3根→中腹板3根”的张拉顺序开展作业,在张拉每个腹板预应力钢束时,张拉每根钢束完成后采用测力环对有效锚固预应力进行测试,例如张拉第二根后需要对第1根进行测试,并在所有3根预应力张拉完成后每持荷30min进行全面测试,并进行二次张拉,对二次张拉前和张拉后的数据进行同步跟踪测试,以全面掌握预应力钢束的有效锚固预应力。各竖向预应力在张拉工序中的有效预应力储备情况,可以得到以下重要结论。(1)同一侧腹板的3个竖向预应力张拉过程中,第1根张拉后有效预应力在1160～1296MPa不等,主要是张拉过程中有调整,因此存在变化;第2根和第3根张拉后有效预应力储备显著降低,这是因为3根预应力距离很近,后续预应力张拉一方面会引起前面预应力钢束的锚固回缩,同时也会引起混凝土的压缩,导致预应力损失较多。这说明目前如果没有二次张拉工艺,竖向预应力钢束的永存预应力很低。(2)不同侧腹板的预应力张拉对其他侧腹板的锚固预应力影响很小,基本在5MPa以内,可以忽略。也就是说其他腹板位置的预应力张拉并不引起本腹板位置的竖向预应力损失,说明不同张拉顺序对于预应力损失的影响很小。(3)二次张拉后有效预应力储备均达到1220～1250MPa,说明二次张拉具有非常显著的效果,相对于二次张拉前永存预应力提高了220～270MPa,这主要是二次张拉消除了锚具回缩引起的预应力损失。(4)二次张拉完成后,随着预应力管道压浆和后续多达30d的连续观测,可以看到预应力损失量很少,在20～40MPa左右,这部分预应力损失主要是混凝土收缩徐变和摩擦损失引起,根据理论计算收缩徐变和摩擦损失在60MPa左右,考虑到本桥采用的是C55聚丙烯纤维混凝土,材料性能较好,因此实际的收缩徐变损失要低于理论计算结果,验证了理论与试验分析的准确性。根据试验分析的永存预应力在1200MPa左右,相对于1380MPa的张拉控制应力预应力损失180MPa,13%的损失率。根据章节3的理论分析结果,可知理论上1号块的竖向预应力损失209MPa,相当于15.2%的损失率,根据前述结论理论计算对于混凝土收缩徐变引起的损失估计偏大一些,约20MPa。因此,理论分析和试验获得了较好的结果验证,综合说明本工程提出的竖向短束二次张拉预应力体系具有很好的效果。对次中跨4号节段开展了竖向预应力锚固短束的试验研究。表1是理论与试验下竖向预应力钢束的预应力损失对比,根据试验分析的永存预应力在1260MPa左右,相对于1380MPa的张拉控制应力预应力损失120MPa,8.6%的损失率。根据章节4的理论分析结果,可知理论上4号块的竖向预应力损失189MPa,相当于13.7%的损失率,根据前述结论理论计算对于混凝土收缩徐变引起的损失估计偏大一些,约56MPa。因此,理论分析和试验获得了较好的结果验证,综合说明本工程提出的竖向短束二次张拉预应力体系具有很好的效果。6预应力损失应力国道107改线官渡黄河大桥主桥为预应力混凝土变截面连续箱梁,采用悬臂浇筑的施工方法。根据该类桥型容易出现的运营期间腹板斜裂缝问题,结合本桥特点通过理论研究、实际检验分析了竖向预应力钢绞线锚固系统的预应力损失特点。主要结论如下。(1)理论研究显示:新型锚固系统钢筋松弛引起的预应力损失最大,达到近90MPa;其次是混凝土的收缩徐变效应,达到近60MPa;钢筋松弛和混凝土收缩徐变这两项接近于损失占比的70%;锚具变形、钢筋回缩等引起的损失相对较小;总的预应力损失率在13%～15%之间。(2)分批张拉产生的混凝土弹性压缩量很低,造成的钢绞线预应力损失均在5MPa以内,且不同的分批张拉工艺所产生的预应力损失影响很低,施工中仅需要根据施工便易性进行分批张拉操作。(3)针对2个节段竖向预应力短束锚固性能开展了试验研究,试验结果表明:二次张拉工艺显著地提高了永存预应力220～270MPa,对于竖向预应力短束具有很好的效果;从不同腹板开始张拉的张拉顺序对于预应力钢束的永存预应力影响很小,在5MPa以内,这与数值分析结果相同;张拉完成超过30d的连续观测发现预应力损失在40MPa左右,这部分主要是混凝土收