竖向预应力在箱梁腹板斜裂缝中的应用

竖向预应力在箱梁腹板斜裂缝中的应用

随着混凝土连续大口径一座梁、连续刚结构、连续中桥的广泛应用，其腹部板的撕裂现象日益严重，尤其是在靠近现柱断面和中室内板的斜槽段上。另外,为了节约造价、简便施工,减少弯起索、下弯索的做法也很普遍。这样一来,把限制腹板主拉应力的任务相当大地转移给了竖向预应力,而目前一般大跨径预应力混凝土箱梁桥梁高较矮,导致预应力束很短,难以建立有效预应力。因此,寻求设置竖向预应力的有效途径以控制裂缝的出现,便成为广大桥梁工程师亟待解决的课题。1竖向预应力筋对混凝土构件的预压力实践表明,箱形截面整体性好,结构刚度大,承受正、负弯矩和抗扭的能力强,是一种经济合理的截面形式。从受力角度来讲,采用单箱单室薄壁截面,可以提高单位面积的惯性矩,同时也可以采用箱梁桥顶板横向预应力配筋与腹板内竖向预应力配筋来解决长悬臂箱梁桥的受力问题,以适应箱形截面目前总的发展趋势。随着箱形截面预应力混凝土梁桥的大量应用,在一部分桥梁上出现了结构性的腹板斜裂缝,竖向预应力不足是引起这一现象的重要因素。在对一些桥梁的实际调查中,常有竖向预应力筋永存预应力不到位的情况,甚至在施工完成以后,有的竖向预应力筋内无预应力。同时,由于箱梁桥高度有限,对施工要求较高,稍有不慎,竖向预应力可能会损失过半。这对箱体的受力是极为不利的,因为竖向预应力对箱梁桥截面主拉应力的贡献是相当大的。在预应力混凝土构件中,由于预压应力的存在,各混凝土微分体除了承受使用荷载所引起的剪应力和法向应力外,还承受预应力所引起的法向应力。当仅有纵向预应力钢筋时,法向预压应力的作用是水平的,即沿构件的纵轴向;当还有预应力弯起钢筋和竖向预应力钢筋时,法向预压应力的作用方向是倾斜的,既有水平方向的预压应力,又有垂直方向的预压应力。不难理解,纵向和竖向预应力共同作用下所产生的在倾斜面上的主拉应力将比仅有使用荷载作用时小得多。由于腹板斜裂缝的出现取决于主拉应力的大小,因此预应力混凝土构件斜截面的抗裂性也比普通钢筋混凝土好,特别是在有预应力弯起钢筋或竖向预应力钢筋时。2预应力锚固端设置目前,竖向预应力的设置主要采取箱梁腹板中配置精轧螺纹钢筋YGM锚固体系的竖向预应力,其中有Φ32和Φ25两种。实际上竖向预应力筋一般都很短,大跨径变高度连续梁和连续刚构一般在3～10m左右,而顶推法施工连续梁一般只有3m左右。钢筋的张拉伸长量都较小。从锚固损失σL2=∑ΔLLEPσL2=∑ΔLLEΡ的计算式可以看出,在钢筋特别短的情况下,锚固损失特别明显,实际有效预应力丧失殆尽。另外,在实际工程中,精轧螺纹钢筋被拉断的现象也时有发生,钢筋拉断的位置都在张拉端锚垫板下。这是由于锚垫板平面与预应力钢筋轴线不垂直,或张拉时千斤顶的拉杆与钢筋不在同一直线,造成预应力筋截面偏心受拉。由于拉力不均匀,拉力的一端大于钢筋的极限应力,钢筋一旦拉断,无法补救,危害更大。关于竖向精轧螺纹钢筋预应力损失大的问题,有人提出采用其他预应力锚固体系代替。比如采用Φs7平行刻痕钢丝,镦头锚体系,即锚固端用钢丝穿过锚垫板,直接镦头;张拉端采用A型镦头锚具。由于张拉伸长量小,锚杯长度可以减短,故可以降低成本。这主要是利用平行钢丝比精轧螺纹钢筋强度高,预应力吨位任意选择,压浆后与水泥浆粘结握裹效果好,镦头锚预应力损失小的优点。另外,在设计方面也有人提出了以下2种竖向预应力筋设置的新方法:(1)采用整体锚垫板(图1)优点:采用整体锚垫板使预应力可通过多点连续传递,减少应力空白区,减少预应力损失,提高腹板纵向整体性和抗剪能力。缺点:由于混凝土受压时的刚度一般要大于锚垫板的刚度,要想充分发挥此方法的优势,势必锚垫板要加厚以增加其刚度。若不如此,预应力损失将很大,使竖向预应力难以建立,且锚垫板的使用会增加费用。(2)采用环向预应力筋方法1:将2根竖向力筋连在一起,在梁顶面张拉,错位布置(图2(a))。方法2:利用横向预应力筋间隔在梁底下张拉(图2(b))。优点:通过加长预应力长度,可增加预应力筋的伸长量和保存有效预应力,有效发挥竖向预应力筋的作用,减少剪应力和主拉应力。缺点:由于预应力筋的曲折布置,可导致额外的预应力损失,且钢筋定位困难,施工复杂。另一方面,由于存在弯角,现行规范预应力损失公式也难以适用,难以精确计算有效预应力。3预应力损失的比较国际工程界从上世纪80年代后期开始将碳纤维增强塑料(CFRP)作为钢筋、预应力钢材的替代材料加以研究,并陆续将其作为PC桥梁的张拉材料等。考虑到桥梁结构关心的材料性能,可以发现,CFRP材料与钢材相比,具有抗拉强度高、弹性模量低、疲劳性能优良、重量轻、抗腐蚀性能好、热膨胀系数低等诸多优点。但也有缺点,主要是延性差,材料破坏是脆性破坏,剪切强度低。因此把CFRP棒材作为竖向预应力筋正是利用其优点。下面通过简化模型计算CFRP棒材和精轧螺纹钢分别作为竖向预应力筋时的预应力损失百分率,以此说明CFRP棒材能够建立比较有效的竖向预应力。工程中一般把竖向预应力加在大跨径箱梁腹板上,当然腹板上还有纵向预应力甚至横向预应力。为了简化问题,不考虑它们之间的耦合影响,这里只研究2种材料在相同条件下(相同张拉力)竖向预应力的损失情况。按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)中有关钢筋预应力损失的公式进行估算,分别计算出2种材料在腹板高度为1～10m(每隔0.5m比较1次)时的预应力损失百分率。计算结果见图3,模型选用参数如表1所示。根据图3可以得出结论:(1)在相近的张拉控制力下(钢筋的张拉力是542.9kN,CFRP的张拉力是543.5kN),可看出钢筋的预应力损失百分率比CFRP的预应力百分率损失高出3倍,而且这是在CFRP的控制张拉应力的系数(仅为0.5,而精轧螺纹钢是0.9)选取非常保守的情况下得到的。假如CFRP的张拉技术更趋于成熟,材料的性能更加稳定,此系数势必还将有所提高。而从预应力损失的计算步骤中可以看出,CFRP控制张拉应力的提高将显著地缩减预应力损失百分率。(2)随着腹板高度的逐步递增,钢筋的预应力损失百分率减少较快,也就是说当腹板高度达到一定值,钢筋的预应力损失也不大,此时用CFRP代替钢筋显得不够经济。如果要求腹板需要较大的预加应力时,显然可以通过缩小钢筋束的布置间距来达到所需的预加力以限制腹板裂缝的扩展,可这样一来,间距过窄势必增加施工难度,减慢施工进度,相应地增加经济成本。但此时如果使用CFRP,其高强性能就得以充分体现,能够达到要求的预加应力,预应力束的间隔也可相应拉大,既可加快施工进度,又可缩小施工规模,获得较好的经济效益。可见CFRP力筋取代精轧螺纹钢作为竖向预应力束是可行的,并且能够建立有效的竖向预应力。4特殊加固设备和施工技术4.1我国锚固结构材料的发展现状高强钢筋的锚具中,除了锚固高强钢丝束的钢质锥形锚具是摩擦型的锚具外,螺丝端杆锚具、夹片式等锚具均是利用了高强钢材横向抗剪强度高的特性来进行锚固。而CFRP力筋的抗剪强度较低,特别是在应力集中处易发生由部分纤维丝断裂导致的CFRP力筋的整体断裂。因此,如何保证锚固处的CFRP力筋均匀受力且不被剪坏是CFRP力筋锚具设计的关键。日本、美国等国家CFRP的应用要早于我国,其开发的锚具类型主要有3种:夹片型,灌浆型和压铸管夹片型。应用最多的是灌浆型锚具,另外还开发了非金属灌浆型锚具。国内东南大学在借鉴国外研究成果的基础上,结合我国现有张拉设备,研发了杯口灌胶式锚具、套筒灌胶式锚具、粘砂夹片式锚具、带胶挤压式锚具、带护套夹片式锚具等5种锚具;方志等人研究了用环氧铁砂和普通混凝土作为粘结介质的粘结式锚具对CFRP力筋的锚固性能,通过试验研究,提出了有效锚固CFRP力筋的改进方法;张鹏等人针对南京莫科研院所研制的碳纤维塑料筋,研制了适用于碳纤维塑料筋的预应力夹片式锚具和灌注式螺丝端杆锚具,并成功地应用于预应力试验中;高丹盈等人研究了纤维增强塑料筋锚杆的组成、生产工艺和这种锚杆的优点及应用,并对纤维增强塑料筋锚杆锚具的设计问题进行了研究。因为CFRP筋材是用树脂材料将CFRP纤维丝胶合而成的,树脂与树脂之间具有粘结性能,通过界面胶结力、摩擦力以及表面凹凸产生的机械咬合力来传递剪力,从而建立预应力。灌注式锚具可以较好地利用这些优点,且能避开CFRP横向抗剪强度低的缺点,因而具有较好优势,在目前也颇为流行。笔者提出的适用于CFRP竖向预应力筋锚固的新型锚具也属于灌注式锚具,是基于墩头锚具并结合套管粘结技术提出的,适合CFRP的张拉及锚固。4.2灌注式套管头锚的构造锚固端:根据现有技术并考虑到碳纤维的材料特性,锚固端可以在工厂预制成杯型的碳纤维棒或在施工现场穿束后浇筑一块杯型的CFRP材料,然后外套杯型中空的钢块锚固。张拉端:把普通镦头锚具的一端改成中空套管,里面涂抹特殊树脂。CFRP棒材直接插入套管中,套管尺寸可根据所需的粘结长度和CFRP的直径确定,也就是说可以实现套管和CFRP棒材的100%粘结(即此处无预应力损失或说预应力损失小到可以忽略不计)。灌注式套管镦头锚具体构造见图4。施工步骤:从腹板底部穿束→实现套管与光圆端CFRP的粘结→与千斤顶连接进行张拉→拧入螺帽锚固,在压浆孔中注入环氧树脂封锚。4.3预应力值与实际值的对比(1)竖向预应力筋束比较短,其锚头的损失占主体,故采用有效的张拉设备、严格的张拉工艺是克服短束预应力损失,缩小预应力损失,缩小预应力设计值与实际值差距的有效措施。(2)预埋钢板尺寸要合理选用,这直接关系到预加力的有效传递以及控制混凝土的竖向压应力。如果设计过大则较为浪费,过小则预加力无法有效扩散传递,产生不必要的竖向压应力空白区,同时可能导致混凝土竖向压应力远大于设计值,这也是有害的。(3)环氧树脂起保护CFRP棒材不受腐蚀和粘结混