先张法预应力混凝土桥梁压浆质量与耐久性的调查

先张法预应力混凝土桥梁压浆质量与耐久性的调查

1张拉台座的结构与性能根据预制混凝土的制备工艺，可分为先张法和后张法。构件混凝土浇注之前在张拉台座上张拉预应力束,然后再浇注混凝土,待混凝土强度达到设计强度后释放预应力束的拉力,借其与混凝土之间的粘结力对混凝土施加预应力称为先张法;后张法则是在构件混凝土达到设计强度后,在预应力混凝土构件内的孔道,穿入永久性预应力束,以混凝土构件自身为支承张拉预应力束,然后用锚具将预应力束锚固,形成永久预应力,最后在预应力束孔道内压注水泥浆,使预应力束和混凝土粘结成整体。就先张与后张的工艺对比可知,先张预应力混凝土便于工厂化预制,具有施工周期短、工序简洁、节省材料、维修养护工作量少、耐久性好等特点,因而在国内外得到了广泛应用。先张梁与后张梁相比,虽然增加了预制场张拉台座的工作量,却可以省去成孔、穿束、压浆工艺。更为重要的是,它完全避免了后张法中可能出现的堵孔、压浆不密实、预应力失控等影响结构质量与耐久性的问题。很多预应力混凝土连续梁桥的裂缝和持续下挠,均与预应力钢材的后期锈蚀有关,而采用不正确的压浆工艺和潮湿空气的侵蚀是其中的主要原因。建于1958年倒塌于1985年的英国YNYS-GMAS桥,在这方面向人们敲起了警钟,英国为此曾一度禁止后张工艺在英国的应用。在我国此问题亦引起了高度注意,本世纪初东南大学交通学院利用沪宁高速公路拓宽改建的契机,对其中实施拆除的3座后张法预应力混凝土桥梁进行了实桥孔道压浆饱满率的调查,其结果如下:A桥73.3%、B桥66.6%、C桥77.7%,三座桥的压浆情况都不是太好,存在较为严重的质量缺陷。其他省市类似调查情况亦如此。2002年,根据我国高速公路建设质量的检查情况,交通部将后张预应力钢筋管道压浆不实列为高速公路工程建设质量的八大病害之一。很明显,如果采用先张法则可以很好地避免这些问题的出现。然因工程习惯所限,传统的预应力混凝土先张工艺一般均采用直线配筋,因而限制了它的应用范围,导致跨径20m以上的铁路桥梁和跨径30m以上的公路桥梁一般均采用后张法施工。为在较大跨径桥梁工程中应用先张法,工程界开始了先张法预应力混凝土梁折线配束的应用研究,在这方面某些发达国家的研究应用走到了我们的前面。为解决高原严寒地区桥梁耐久性问题,我国铁路部门在本世纪初于青藏铁路建设中开始了先张预应力混凝土梁折线配束的研究与应用,跨径为24m,而在公路桥梁领域中,这项研究尚属空白。为此河南省高速公路建设发展有限公司按王用中大师的建议,结合河南省高速公路建设的实际情况,以“公路工程折线配束先张法预应力混凝土梁的研究与应用”为题,开展了这项工作,经过近一年的努力,基本解决了在公路工程中应用折线配束的先张法预应力混凝土梁的关键技术问题,并在河南驿宛高速公路淮河桥、岭南高速公路黄鸭河大桥工程中获得了成功的应用。2弯起器弯折极限强度折减及预应力束性能分析折线配束的弯起器张拉,需借助固定于台座制作后埋置于混凝土中的弯起器来实现,青藏铁路用的弯起器形式如图1所示,这种弯起器通常称为辊轴式弯起器,而图2所示的用于台湾高速铁路的弯起器则称为音叉式弯起器,不同之处仅在于弯起器与台座底板的锚固装置,按照这些弯起器工作的机理,其设计应符合下述原则。(1)弯起器的设计应尽量减小对预应力束强度的折减,因此弯折半径不宜过小。(2)应使弯起器能沿梁体纵向转动,使得弯起器在工作时主要承受拉力。(3)预施应力后梁体将产生压缩,因此弯起器应具有放张时能随着梁体纵向位移的功能。(4)弯起器在梁体以下部分需重复使用,应坚固耐用,拆卸方便;而弯起器在梁体内部分因不能重复使用,因此应尽可能地简化结构,减少材料用量。基于上述一般原则,考虑公路中、小跨桥梁的预应力束拉力不大,弯折角度又较小的特点,于试验研究中我们提出如图3所示的加劲板式弯起器。针对这种形式的弯起,我们做了钢绞线通过弯起器弯折后的强度折减及预应力摩擦损失的测定。试验结果表明,与无弯折角度钢绞线相比,有弯折角度钢绞线的极限抗拉强度均有所降低,且弯折角度越大极限抗拉强度降低程度越大。经过可靠度分析,实际工程中,钢绞线弯折极限抗拉强度计算值,建议采用下面偏保守的简化公式:式中:fpt*为钢绞线的弯折极限抗拉强度;fpt为无弯折角钢绞线的极限抗拉强度;x为弯折角,以度为单位。由试验结果可知,摩擦损失σL1随着张拉控制应力σcon的增大而增大,大致成线性关系;钢绞线弯起角度α越大,摩擦损失σL1的值也越大,大致与σconsinα成正比;且钢绞线穿过弯起器孔洞处,接触面放置减摩片和不放置减摩片对摩擦损失σL1的影响不明显。根据试验结果回归的公式为:σL1=0.28×σcon×sinα(3)预应力损失值的大小主要影响预应力梁的抗裂性能,为保证梁的抗裂性能,弯起器摩擦损失的计算σL1不宜偏小,建议在实际工程中弯起器摩擦损失按下式计算:σL1=0.3×σcon×sinα(4)施工现场测定结果与试验结果基本一致,本试验研究结果与铁道专业研究设计院研究结果亦基本一致。37.5预应力混凝土梁受力性能试验梁梁高为40cm,梁长7.5m,计算跨径7.2m,按同一配筋情况做4根先张梁,3根后张梁。试验时量测施工阶段的预应力损失,进行先、后张法预应力混凝土矩形梁在竖向荷载作用下的弯曲试验,检验梁在正常使用荷载下的变形和抗裂性能,测定梁的最大承载力,试验情况见图4所示。试验结果显示,先、后张法折线配束混凝土梁的受力性能有以下特点。(1)试验梁在自重作用下的反拱约为10mm;试验梁在正常使用荷载作用下的抗裂性能及竖向挠度均能满足要求,当预应力度相当时,折线配束的先、后张预应力混凝土梁受力性能基本一致。(2)试验梁在超过正常使用荷载后,裂缝发展均匀、裂缝宽度一直很小,临近破坏时(90%破坏荷载)最大裂缝宽度仅为0.2mm。由于折线配束的作用,在试验梁的弯剪段未出现斜裂缝,仅出现一些垂直裂缝,且裂缝宽度也一直很小。(3)试验梁有足够的承载力安全储备,在达到设计破坏荷载的130%时,才发生破坏;破坏时跨中挠度接近l/50,表现出较好的延性;破坏形式为受压区混凝土被压碎。钢绞线和非预应力钢筋均未发生断裂。(4)先张法折线配束的试验梁,受力性能良好,按照现行桥梁设计规范进行设计,可满足工程要求,并有足够的安全储备。4疲劳破坏及试验结果试验梁为矩形断面,梁高40cm,梁宽30cm,梁长7.5m,计算跨径7.2m,按统一配筋情况做2根先张梁,1根后张梁。按等幅疲劳试验正弦波加载,加载频率为3Hz;疲劳荷载下限值Qmin=10%Pu,疲劳荷载上限值Qmax=40%Pu,Pu为按桥梁设计规范计算的梁的极限荷载。试验结果显示,先张法折线配束梁的疲劳受力性能有以下特点。(1)试验梁先张梁1和后张梁分别在疲劳荷载作用250万次后未发生疲劳破坏,其中200万次后先张梁1的疲劳裂缝只集中在跨中和两个转向器之间,两边各出现8条,见图5所示;后张梁的疲劳裂缝分布在全跨范围,两边各30条左右,见图6所示。在疲劳荷载作用下,先张梁的转向器附近出现裂缝宽度较小,向上发展高度明显小于其附近的裂缝,可见先张法折线形预应力梁的转向器是可行的,没有在转向器附近形成薄弱区域。(2)试验梁先张梁1和后张梁分别在4000～5000次左右出现疲劳裂缝;其中先张梁1的疲劳裂缝仅出现在加载点下方,靠近支座的弯剪段未出现裂缝;而后张梁的疲劳裂缝分布在全跨范围内,跨中部分较多,裂缝宽度也较先张梁大一些。(3)试验时,对试验用的先张梁2增大了应力幅值(Qmin=10%Pu,Qmax=60%Pu),在非预应力钢束应力幅Δσ达到180MPa的疲劳荷载作用下,加载点下方,1根非预应力钢筋首先发生疲劳断裂,疲劳寿命Nf=38.1万次;破坏后继续加疲劳荷载1万次左右,试验梁的预应力钢绞线完好,仍能承受较大荷载,没有出现整根梁断裂的情况。(4)所有试验梁在一定循环次数的疲劳荷载作用后,反拱均有不同程度的减小,在静载试验中挠度、最大裂缝宽度增大,但卸载后,裂缝几乎完全闭合,裂缝闭合性能良好。(5)先张梁1和后张梁在经过250万次疲劳荷载后,进行了静载破坏试验,试验结果表明:梁仍有足够的承载力安全储备,在达到计算破坏荷载的160%时,才发生受弯破坏;破坏时钢绞线和非预应力钢筋均未发生脆性断裂,钢绞线和非预应力钢筋都未屈服,仅受压区混凝土被压碎。破坏时跨中挠度接近L/50,表现出较好的延性;可见未发生疲劳破坏的梁的剩余承载力并不受疲劳荷载加载历程的影响,其静载极限承载力仍可按规范公式计算,而且有足够的安全储备。折线配束的概念易引起人们对其疲劳性能的关注,因此此问题的研究为世人所关注,公路桥一般不涉及疲劳问题,但为减少疑虑,我们做了此次试验。5预应力束弯起器及张梁的确定桥面宽度:双向四车道;单幅宽:0.5m(防撞栏)+11.5m(行车带)+0.75m(内侧防护栏)。桥梁横断面见图7所示。结构体系:先简支后连续,计算时安装阶段按简支梁计算,二期恒载及运营阶段按4跨或5跨连续梁计算。施工工艺:折线配束先张法预制的小箱梁;支点处结构连续预应力束采用后张工艺,完成体系转换。主要材料:预制箱梁采用C50混凝土,纵向预应力束采用1860级ue001φj15.24钢绞线。设计计算:本次小箱梁结构纵向分析采用的程序为交通部公路科学研究所编制的公路桥梁结构设计系统(GQJS9.3版)。该程序在先张法中,只能自动计算σL5(预应力钢束的松弛损失)及σL6(混凝土收缩和徐变损失),其余预应力损失采用人工计算,输入程序数据时采用把张拉应力减少的方法,将这部分损失值计入。根据桥规第6.1.7条,应考虑先张法预应力束传力长度的影响。程序计算中为体现预应力束的传力长度,采用按3个点分3次输入钢绞线数量的方法进行模拟。先张法中折线预应力束在转折处将对混凝土产生集中作用力,而GQJS程序只有曲线型布束方式。为体现折线影响,我们采用了小曲率半径来模拟折线的方法,因此对折线束布置时,在转折点输入的圆角半径为4m(程序限定的最小值),即将折线集中力化为3.33m长度内的均布力,这样处理对最终计算结果影响甚微。折线束在弯起器处进行弯折,钢绞线与弯起器之间存在摩擦,弯折点处应力复杂,从而使得预应力束的静力破断强度有所降低,故在极限承载力计算中,宜对弯起束的计算强度进行折减。技术经济指标及与原设计后张梁的对比结果,见表1。由表1可知,先张梁弯起器较后张梁在混凝土钢筋预应力材料用量基本不变的情况下,节省了占梁造价20%左右的锚具、管道、压浆费用,当工程规模较大时,因台座摊销费用减少,而有很大的经济效益。6先张法+后张法35m预应力混凝土箱梁的张拉台座分短线、长线法两套方案,短线法采用10.5m+12m+10.5m=33m钢箱梁作反力梁,钢箱梁截面为600mm×1200mm;长线法采用800mm×1200mm矩形截面的钢筋混凝土梁作反力梁,全长72.54m;其中短线法台座一次制1片梁,长线法可同时制2片梁。长线法台座的优点:由于采用钢筋混凝土反力梁,最大的优点是一次性投入少,造价低、浇注速度快,而且由于整体浇注,稳定性较好。缺点是只能一次性使用,不可重复利用,施工完还需要处理临时构造物;另一缺点是对于同时有2片35m先张小箱梁的长线台座,在进行折线钢绞线张拉时,相当于对单片35m先张小箱梁进行单端张拉,增大了弯起器处的摩阻力,增大了折线钢绞线的预应力损失。短线法台座优点:反力梁采用钢结构,可以工厂加工,结构精确,可以拆装以重复利用,且受力性能较好,整体变形量较小。特别是两端张拉,弯起器处摩阻力减小。缺点为一次投入大,现场安装精度要求高。先张法施工中,钢绞线锚固在张拉台座两端的张拉横梁上,所以张拉横梁采用上下两根。上张拉横梁锚固弯起钢绞线,下张拉横梁锚固直线钢绞线。上、下张拉横梁通过分离式机械锁紧油压千斤顶(下称大千斤顶)将张拉应力传递到反力梁上,台座两侧反力梁用台座横向的钢筋混凝土联结系梁固定。钢绞线张拉大部分用单束张拉千斤顶完成,小部分用大千斤完成,钢绞线放张用大千斤顶完成。驿宛高速公路淮河桥用长线法台座,见图8所示。先张法与后张法在张拉工艺上的最大差别在于:先张法张拉工艺要