先张法预应力简支梁下拉装置的研究

先张法预应力简支梁下拉装置的研究

在桥梁结构中，先张法结构避免了残留孔和砂浆等过程，预测值钢筋和混凝土之间的力传递依赖于两者的结合，预测值分散，锚下混凝土的压力相对较小，这对后张法结构的优越性很差。为避免后张法结构存在的缺陷,日本、美国等在中小跨径简支结构中大多采用先张法,为使预应力布束与梁体受力一致,美国、日本已将预应力钢筋布置成折线,其布束方式多采用直线张拉,然后下拉或上顶,实现预应力束的折线布置。中国对折线先张法的研究尚处于起始阶段,国内还没有折线先张法结构的实例,为了解折线先张法结构的受力特性,笔者申请了河北省交通厅《折线先张法预应力梁工艺及使用性能的研究》科研课题,本文介绍了课题采用的一种新型下拉装置的总体构思及相关试验,以期对折线先张法结构的研究提供有益的借鉴。1试验参数和试验装置1.1预应力筋下拉课题组准备在试验室进行20m折线先张足尺梁的静、动载试验,本次试验作为20m折线先张足尺梁的前期研究,主要目的是确定折线先张梁的下拉装置,得到钢绞线在折点处摩阻及静力极限强度等相关参数,并经结构计算,20m折线先张足尺梁的轮廓尺寸采用文献中20m、斜交角为0°的尺寸,钢绞线采用符合ASTMA416标准、极限强度为1860MPa的高强低松弛钢绞线,考虑公路桥梁中空心板桥的实际情况,钢绞线在折点处的切线夹角取9°,折点两侧钢绞线由R为200mm的圆曲线过渡。1.2预应力钢束下拉下拉装置的作用是使得通过下拉装置的预应力钢束在此处形成折线,在张拉过程中预应力钢束与下拉装置之间的摩擦阻力应尽可能的小,且其造价应较低。考虑现在国内先张梁施工的实际情况,折线先张梁施工的台座应与直线先张梁台座尽量一致,以降低造价。在折线先张梁台座中,折点处由预应力钢束竖向分力产生的竖向力由设于压柱之间的混凝土横梁自重相平衡,对20m折线先张梁,折角按9°设置时,经计算折线预应力钢束共布置12根,折点处竖向分力为366.6kN,用体积为15m3的钢筋混凝土横梁即可抵消预应力钢束产生的竖向分力,这在现场是很容易实现的。下拉装置考虑用Q235钢板制作,并与压柱之间的横梁刚性连接,下拉装置承受由于预应力钢束与下拉装置之间相对滑动产生的水平摩擦力及预应力钢束在折点处的竖向分力,下拉装置自身应有足够的刚度,以使其在张拉预应力钢束时有较小的变形。以上是折线先张梁下拉装置、台座的总体构思,在下拉装置中,如何减小其与预应力钢束之间的摩擦力,是这种下拉装置能否成功的关键。1.3下拉装置与钢绞线的接触方式研究为了解利用Q235钢板制作的下拉装置与预应力钢束之间的摩擦阻力大小,在石家庄铁道学院结构试验室进行了下拉装置摩擦阻力试验,试验支架如图1所示。试验支架的反力架为钢箱梁,与地基通过拉杆连接,转向装置也通过拉杆固定,在钢绞线的两端,分别布置1#、2#传感器,钢绞线单端张拉,利用2#传感器与1#传感器所测得张拉端与非张拉端钢绞线的张拉力P2及P1,得到钢绞线通过下拉装置折点时的摩擦阻力大小。张拉采用QYCW—300型千斤顶。本次试验中,每个转向装置做两根钢绞线,每根分6级加载,使张拉端升压至张拉控制应力,然后进行钢绞线静力极限强度的测试。试验时,为保证下拉钢板位置准确,在下拉钢板的底部焊接一水平钢板,水平钢板中间钻孔,通过拉杆使下拉钢板与地基联为整体。钢绞线在通过下拉钢板时,为适应钢绞线过渡段设计曲线,下拉钢板孔也作成曲线R为200mm圆曲线,下拉钢板孔内壁应达到设计规定的光洁度。为了解下拉装置与钢绞线不同接触方式下摩擦阻力大小,共考虑三种不同接触方式:(1)钢绞线直接通过由Q235制作的下拉装置;(2)在下拉装置孔与钢绞线之间,加一根聚四氟乙烯管,利用聚四氟乙烯管减小下拉装置与钢绞线的摩擦阻力;(3)在下拉装置孔中,安装一高强衬套(用45#钢制作),此衬套内侧作成与图2相同的圆弧,将衬套打入下拉装置孔内,利用高强衬套承受竖向压力,并减小钢绞线与下拉装置的摩擦阻力,张拉时,在衬套内侧涂上二锰化钼,逐步减小钢绞线与衬套间的摩擦阻力。2试验结果及分析2.1测定摩擦阻力效果钢绞线直接通过下拉装置时,摩擦阻力实测结果见表1,在第一次直接张拉后,下拉装置孔内壁有明显刻痕,第二次直接张拉摩擦阻力明显增大。在下拉装置孔套聚四氟乙烯管时,张拉初期可以明显减小摩擦阻力,张拉力达到0.5倍控制应力时,摩擦阻力减小不明显,经拆下检查后发现,聚四氟乙烯管已被划破,这主要是因为钢绞线外围钢束有扭转,且在张拉时发生与下拉装置相对的滑动引起的,因此,利用聚四氟乙烯管减小摩擦阻力效果不明显。在下拉装置孔内安装高强衬套时实测的摩擦阻力见表2,经反复张拉发现,高强衬套与钢绞线接触面没有明显刻痕,而且实测摩擦阻力明显减小。根据试验结果,可以得到如下结论:(1)直接张拉时,摩阻率在3%～6%之间;(2)下拉装置加高强衬套时,摩阻率均<2%,可见,在下拉装置孔内加高强衬套,可以大大减小钢绞线与下拉装置间的摩擦阻力。2.2绞线静载强度每根钢绞线张拉端均拉至其极限抗拉强度1860MPa,没有出现钢绞线断裂情况,说明在静力时,下拉装置对钢绞线的强度影响不明显。2.3线与钢绞线日本70年代曾在空气中进行了折线布筋钢绞线的疲劳试验,其转向装置为导向辊,试验采用两种导向辊半径(R=5、15.5mm)和一种折角(θ=10°),钢绞线ϕ为12.7mm,强度等级为1860MPa,疲劳应力幅度为⊿100MPa,钢绞线下限应力均为1050MPa,两种ϕ的导向辊在疲劳200万次时,钢绞线均未出现疲劳断裂。本次试验没有进行空气中钢绞线的疲劳试验,准备进行足尺梁的疲劳试验,课题组采用的下拉装置孔曲线R为200mm,远远大于日本试验中导向辊的半径,而钢绞线的疲劳强度主要取决与转向半径的大小,因此,从日本试验的结果,可以推断本次试验中折线钢绞线在200万次疲劳时,不会出现疲劳断裂。320预应力钢束张拉为测试折线先张梁静力、疲劳受力特性,在石家庄铁道学院结构试验室进行了20m足尺折线先张梁的试验,根据计算,20m空心板共布置20根极限强度为1860MPa的钢铰线,其中12根钢铰线按折线布置,并在距梁端1/4截面弯起,弯角为9°,每侧腹板各弯起6根,每侧设一个下拉钢板,6根弯起钢铰线设在一块下拉钢板上,下拉钢板下设联结钢板,通过此钢板与设于压柱间的横梁联结。为保证在张拉折线预应力钢铰线时,下拉钢板具有足够的刚度,在下拉钢板两侧加焊了三道斜撑钢板,20m足尺折线先张梁下拉装置结构见图3。在足尺梁折线预应力钢束张拉时,两端应同时张拉,以减小由于折点摩阻产生的预应力损失。卸除下拉钢板时,先松开联结钢板与横梁间的联结丝杆,然后切除梁底面以外的下拉钢板,松除丝杆时,应使梁两端、两侧对称进行。目前,20m足尺折线先张梁已经预制完毕,正在进行力学性能的试验。4不影响钢绞线初始活性由试验结果可以得到以下结论:(1)在钢绞线折角<9°时,钢绞线与下拉钢板间的摩阻率可以控制在2%以下;(2)采用此种下拉钢板不会引起钢绞线的静力强度折减;