墩身豎向預(yù)應(yīng)力損失理論與試驗研究

項梁，朱浩，黃燦

（中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實驗室，湖北 武漢 430040）

0 引言

港珠澳大橋非通航孔橋承臺及墩身采用全預(yù)制裝配化施工方案，為了確保混凝土的施工質(zhì)量，提高施工效率，降低施工風(fēng)險，縮短施工周期，深水區(qū)非通航孔橋墩身連接采用干接縫方案，節(jié)段間采用粗鋼筋預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于國內(nèi)尚無海上干接縫的應(yīng)用先例，而且墩身豎向預(yù)應(yīng)力損失計算缺乏理論和實踐的支持，特別是受到人為因素和海上復(fù)雜施工氣候環(huán)境的干擾，難以建立有效的計算模式[1]。因此，開展預(yù)制墩身豎向應(yīng)力損失研究意義深遠(yuǎn)。

1 工程概況

港珠澳大橋工藝試驗墩身結(jié)構(gòu)斷面尺寸為5 m×3.5 m，下墩身高度2.75 m，上墩身高度2 m，采用陸上立式預(yù)制，墩身接縫通過剪力鍵連接，節(jié)段間采用粗鋼筋預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。下墩身墩壁設(shè)置8根φ120/90波紋管和相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)錨固端，包括螺旋筋、熱縮套、隔離墊板及連接管等；上墩身同樣設(shè)置8根φ120/90波紋管和相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)張拉端。

試驗選取其中4根（1號、4號、6號、7號），對稱設(shè)置4個錨索計（因7號鋼筋需安裝保護(hù)罩將錨索計移至5號鋼筋），每個錨索計下需設(shè)置1塊6 cm厚的鋼板（規(guī)格：300 mm×300 mm×60 mm），測試張拉過程及張拉完成后一段時間內(nèi)預(yù)應(yīng)力粗鋼筋所受拉力，計算得其有效應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力損失，共4種對比工況：1）標(biāo)準(zhǔn)張拉（1號預(yù)應(yīng)力粗鋼筋）；2）10%超張拉（5號預(yù)應(yīng)力粗鋼筋）；3） 錨墊板與混凝土夾角為5°（6號預(yù)應(yīng)力粗鋼筋）；4）預(yù)應(yīng)力粗鋼筋偏心張拉（4號預(yù)應(yīng)力粗鋼筋）。具體布置如圖1，測試采用自動數(shù)據(jù)采集箱采集，每隔30 s采集1次。

圖1 墩身預(yù)應(yīng)力粗鋼筋布置圖Fig.1 Prestressed reinforcing rebar layout of the pier body

文獻(xiàn)[2]規(guī)定預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)精扎螺紋鋼筋的張拉采用雙控法，油壓值的誤差不得超過±2%，伸長量的誤差不得超過±5%。直線配筋張拉程序為0→初始預(yù)應(yīng)力k→σ（持荷2 min）。

2 墩身豎向粗鋼筋理論與試驗研究

根據(jù)JTGD 62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱規(guī)范）中6.2.1的規(guī)定，后張法預(yù)應(yīng)力構(gòu)件主要考慮以下幾個因素引起的預(yù)應(yīng)力損失[3]：

1）預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間的摩擦σl1；

2）錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮σl2；

3） 混凝土的彈性壓縮 σl4；

4） 預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松弛 σl5；

5） 混凝土的收縮和徐變 σl6。

將總的預(yù)應(yīng)力損失分為瞬時損失和長期損失，瞬時損失包括 σl1，σl2，σl4；長期損失包括 σl5，σl6。下面將分別對比分析2種預(yù)應(yīng)力損失的理論值和實測值。

2.1 預(yù)應(yīng)力瞬時損失

管道直徑120 mm，預(yù)應(yīng)力筋直徑75 mm，可以不考慮管道摩阻引起的應(yīng)力損失σl1。

根據(jù)規(guī)范中表6.2.3的規(guī)定，螺帽縫隙按照1 mm計算，環(huán)氧樹脂砂漿接縫壓縮按照1 mm計算，錨具變形和接縫壓縮總量按照2 mm計算：σl2=2/4 000×2.1×e5×π×752/4/1 000=464 kN

后張拉鋼筋所引起的混凝土彈性壓縮的預(yù)應(yīng)力損失σl4=αEP∑Δσpc，則第1根預(yù)應(yīng)力筋σl4=59 kN；第4根預(yù)應(yīng)力筋σl4=33.8 kN；第5根預(yù)應(yīng)力筋σl4=25.4 kN；第6根預(yù)應(yīng)力筋σl4=16.9 kN。

各預(yù)應(yīng)力鋼筋實測瞬時預(yù)應(yīng)力值為：1號、4號、5號、6號錨索計實測張拉控制力分別為3 302 kN、2 991 kN、3 602 kN、3 299 kN。各預(yù)應(yīng)力筋瞬時預(yù)應(yīng)力損失見表1。

表1 瞬時預(yù)應(yīng)力損失Table 1 The transient prestressing loss

由表1可見，1號錨索計（標(biāo)準(zhǔn)張拉）實測σl2較大，理論分析時接縫變形按理論值1 mm，實際存有一定縫隙，建議按規(guī)范計算σl2時可以乘以1.5的放大系數(shù)。

6號錨索計實測σl2最大，即當(dāng)墊板與錨面存在夾角時，錨具回縮和變形要大于理論值1 mm，對比5號與6號錨索計的實測σl2，兩者差值為341 kN，假設(shè)兩者接縫變形引起的預(yù)應(yīng)力損失相等，則相當(dāng)于6號錨索計（墊板與錨面夾角5°）處錨具回縮和變形2.5 mm。

4號錨索計（偏心）實測σl2較小，說明偏心張拉錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失沒有明顯的改變。

5號錨索計（10%超張拉）實測σl2最小，說明超張拉可以有效減小鋼筋回縮引起的預(yù)應(yīng)力損失。

4個錨索計實測σl4與理論值都基本吻合，而且數(shù)值較小，即混凝土的彈性壓縮損失σl4的影響相對較小，且不同的張拉方式不會對混凝土的彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失造成影響。

2.2 預(yù)應(yīng)力長期損失

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，預(yù)應(yīng)力筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失極值按照0.05倍的張拉應(yīng)力計算，7 d松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失值按照0.57倍的損失極值計算，則預(yù)應(yīng)力筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失σl5=0.57×0.05×3 300=94 kN；對于超張拉，預(yù)應(yīng)力筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失極值按照0.035倍的張拉應(yīng)力計算，則預(yù)應(yīng)力筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失：

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，由混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失：

式中：σ′pc為構(gòu)建受壓區(qū)全部縱向鋼筋截面重心處由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向壓應(yīng)力；Ep為預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性模量；αEP為預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值；ρ′為構(gòu)件受壓區(qū)全部縱向鋼筋配筋率；εcs（t，t0）為預(yù)應(yīng)力傳力錨固期為t0，計算考慮齡期為t時的混凝土收縮應(yīng)變；φ（t，t0）為加載齡期為t0，計算考慮齡期為t時的徐變系數(shù)，當(dāng)加載齡期7 d，計算齡期按14 d，這兩個參數(shù)分別為8.7e-5、0.64。由上式混凝土的收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失σl6=79 kN。

對各預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了連續(xù)14 d的測試，時程曲線見圖2所示（以錨索計1為例），各預(yù)應(yīng)力筋長期預(yù)應(yīng)力損失見表2所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力監(jiān)測時程曲線Fig.2 Time-history curve for monitoring the prestress

表2 長期預(yù)應(yīng)力損失Table 2 The long-term prestressing loss

由圖2可見，墩身豎向預(yù)應(yīng)力損失的曲線在錨固后120 h（5 d）后變得緩和。即，在豎向預(yù)應(yīng)力壓漿前若可進(jìn)行一次補(bǔ)張拉，在工期允許的情況下，二次張拉宜在5 d之后進(jìn)行。

由表2可見，5號錨索計（10%超張拉）實測σl5+σl6較小，說明采用超張拉可以有效降低預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失σl5。其余3根預(yù)應(yīng)力筋的長期預(yù)應(yīng)力損失實測值與理論值的比值均在90%左右，即按照規(guī)范計算出的預(yù)應(yīng)力長期損失較大，規(guī)范值偏于保守。

由于現(xiàn)場試驗采用混凝土結(jié)構(gòu)加載，因此無法將σl5+σl6分開，只能放在一起當(dāng)做長期預(yù)應(yīng)力損失來研究。建議可在后續(xù)研究中同時采用鋼結(jié)構(gòu)加載架進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉和長期監(jiān)測，通過與混凝土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，可以單獨(dú)得出混凝土的收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失σl6。

由表3可見，采用10%超張拉的鋼筋預(yù)應(yīng)力損失率最小，為12.2%；其余3根鋼筋預(yù)應(yīng)力損失率都在25%左右。采用偏心張拉和墊板與錨面夾角5°的鋼筋預(yù)應(yīng)力損失比標(biāo)準(zhǔn)張拉的預(yù)應(yīng)力損失大。

表3 有效預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力損失Table 3 The effective prestress and theprestressing loss

3 結(jié)論與建議

1）在墩身豎向預(yù)應(yīng)力損失中σl2最大，且比規(guī)范的理論計算值大，錨具變形和接縫壓縮的取值與現(xiàn)場施工工藝密切相關(guān)，受施工因素影響較明顯，建議在按規(guī)范計算墩身豎向預(yù)應(yīng)力損失σl2時，考慮乘以1.5的放大系數(shù)。

2）在墩身豎向預(yù)應(yīng)力損失中σl4最小，與規(guī)范的理論計算值比較吻合，且張拉方式不會對混凝土的彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失造成影響。

3）通過查閱文獻(xiàn)以及對試驗數(shù)據(jù)的分析，提出幾種改進(jìn)建議，以指導(dǎo)施工：

①在實際工程中，應(yīng)保持墊板與錨面平行，避免偏心，在預(yù)埋墩身墊板時，應(yīng)采用水準(zhǔn)尺進(jìn)行量測。

②墩身豎向預(yù)應(yīng)力超張拉可以有效降低預(yù)應(yīng)力鋼筋的回縮和應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失，在預(yù)應(yīng)力筋容許應(yīng)力滿足設(shè)計要求的情況下，可適當(dāng)超張拉。

③墩身豎向預(yù)應(yīng)力壓漿前，進(jìn)行一次補(bǔ)張拉，在工期允許的情況下，二次張拉宜在5d后進(jìn)行。

[1]劉學(xué)偉.豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋錨墊板安裝傾角對預(yù)應(yīng)力損失的影響[D].湖南：湖南科技大學(xué)，2008.LIUXue-wei．Influenceof vertical prestressed steel anchor backing plate installated dip on prestressed loss[D].Hunan:Hunan Universityof Scienceand Technology,2008.

[2]交通部公路規(guī)劃設(shè)計院.預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋設(shè)計施工暫行規(guī)定[K].北京：交通部公路規(guī)劃設(shè)計院，1984.Highway Planning and Design Institute,Ministry of Communications.Design and construction specification for high-strength prestressed steel[K].Beijing:Highway Planning and Design Institute,Ministry of Communications,1984.

[3]JTGD 62—2004.公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].JTG D 62—2004.Code for design of highway reinforced concrete and prestressed concretebridgeand culverts[S].