箱體梁垂向預(yù)應(yīng)力損耗現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量分析

王會(huì)文

（三亞市道路運(yùn)輸管理處，海南 三亞 572000）

0 引言

目前針對(duì)縱向預(yù)應(yīng)力損耗的研究較多，而針對(duì)豎向預(yù)應(yīng)力損耗的研究卻相對(duì)較少。實(shí)際上，豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的失效風(fēng)險(xiǎn)更大，所以提高對(duì)豎向預(yù)應(yīng)力損耗研究的重視程度十分必要[1-2]。本文以某鹽津河二橋主橋箱梁為研究對(duì)象，針對(duì)案例橋豎向預(yù)應(yīng)力損耗開展研究。案例橋梁垂向預(yù)應(yīng)力筋選用直徑32 mm的40Si2MnMoV 精軋螺紋粗鋼筋，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為930 MPa，設(shè)計(jì)彈塑性模量E 為2.0×105MPa；選用梁頂一端拉張方式，對(duì)應(yīng)錨具型號(hào)為YGM32；垂向預(yù)應(yīng)力管道選用SBG 塑料制波紋圓管；垂向預(yù)應(yīng)力鋼筋的放置間隔為0.5 m，梁頂單端拉張。

1 試驗(yàn)配置與測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)配置

試驗(yàn)對(duì)象為與主墩中心線距離18.80 m 斷面中的垂向預(yù)應(yīng)力鋼筋 N23、N23′、N23″。箱體梁中間腹板側(cè)N23′長度12 493 m；下游側(cè)腹板位置N23″長度12 450 m；上游側(cè)腹板位置N23 長度12 535 m。箱體梁腹板垂向預(yù)應(yīng)力筋配置見圖1。

依據(jù)所選鋼筋拉張控制應(yīng)力837 MPa，對(duì)應(yīng)千斤頂拉張控制力為637 kN，所以采用量程為800 kN的穿心式壓力感受器。其內(nèi)徑為38 mm，外徑為92 mm，高度為80 mm，詳細(xì)規(guī)格見圖2。

將穿心式壓力感受器裝配在垂向預(yù)應(yīng)力筋錨固端，見圖3；現(xiàn)場(chǎng)感受器裝配和垂向預(yù)應(yīng)力測(cè)試見圖4。

圖1 箱體梁腹板垂向預(yù)應(yīng)力筋配置圖（單位：cm）

圖2 垂向預(yù)應(yīng)力筋壓力感受器示意圖（單位：mm）

圖3 垂向預(yù)應(yīng)力筋錨固端及拉張端大樣圖（單位：cm）

1.2 測(cè)試方法

在實(shí)際施工中，拉張目標(biāo)梁段全部垂向預(yù)應(yīng)力筋需4 h，拉張完畢后進(jìn)行注灌漿。在垂向預(yù)應(yīng)力筋拉張和注灌漿后，在第 4、6、8、11、14、19 個(gè)月時(shí)分別開展測(cè)試，具體方法如下：

圖4 感受器現(xiàn)場(chǎng)圖

（1）拉張垂向預(yù)應(yīng)力筋至拉張控制應(yīng)力，并記錄壓力感受器示數(shù)、鋼筋伸長量、光纖感受器示數(shù)和拉張端實(shí)際拉張應(yīng)力。

（2）待預(yù)應(yīng)力放松后，完成數(shù)據(jù)記錄。

（3）注灌漿后開展連續(xù)檢測(cè)。半個(gè)月里需每天測(cè)試2 次，隨時(shí)間推移，測(cè)試間隔可逐漸增大。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 拉張錨固時(shí)垂向有效預(yù)應(yīng)力對(duì)應(yīng)測(cè)試結(jié)果

拉張垂向預(yù)應(yīng)力筋時(shí)和錨固后對(duì)應(yīng)有效預(yù)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 拉張垂向預(yù)應(yīng)力筋與錨固后對(duì)應(yīng)有效預(yù)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果 單位：MP a

由表1 可知，針對(duì)垂向預(yù)應(yīng)力筋 N23、N23′、N23″，拉張錨固時(shí)各項(xiàng)損耗總和依次是29.9 MPa、39.9 MPa、45.2 MPa，分別占起始拉張應(yīng)力的3.6%、4.8%和5.4%；垂向預(yù)應(yīng)力筋錨固損耗值比彈塑性壓縮損耗值更大。

2.2 傳力錨固后垂向預(yù)應(yīng)力損耗測(cè)試結(jié)果

拉張垂向預(yù)應(yīng)力筋傳力錨固對(duì)應(yīng)有效預(yù)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見表2。

由表2 可知：傳力錨固后205 d 的總損耗依次是42.8 MPa、30.9 MPa、30.5 MPa，依次占起始拉張應(yīng)力的5.2%、3.7%、3.7%。錨固后180 d 內(nèi)，垂向預(yù)應(yīng)力損耗基本實(shí)現(xiàn)，各鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力幾乎維持恒定。

表2 拉張垂向預(yù)應(yīng)力筋傳力錨固對(duì)應(yīng)有效預(yù)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果 單位：MP a

3 討論與分析

3.1 第1 批預(yù)應(yīng)力損耗

第1 批預(yù)應(yīng)力損耗亦是瞬時(shí)損耗，定義為加施預(yù)應(yīng)力后在較短時(shí)間內(nèi)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)的損耗，其組成總體包括鋼筋回縮、錨具形變、摩擦損耗及混凝土彈塑性壓縮損耗和對(duì)接縫壓縮損耗。

3.1.1 摩擦損耗

由于存在摩擦損耗，致使選用單端拉張方式開展拉張的垂向預(yù)應(yīng)力筋對(duì)應(yīng)有效預(yù)應(yīng)力從拉張端向錨固端逐漸遞減，將感受器裝配至拉張端會(huì)致使摩擦損耗無法測(cè)得。所以，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試垂向預(yù)應(yīng)力時(shí)，均在錨固端裝配感受器[3]。此時(shí)，能夠依據(jù)拉張端及錨固端預(yù)應(yīng)力測(cè)試值直接計(jì)算出摩擦損耗，而其理論值可參考《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）(以下簡稱《橋規(guī)》)的相應(yīng)計(jì)算方法求得3 根測(cè)試用垂向預(yù)應(yīng)力筋的摩擦損耗，計(jì)算值及實(shí)際測(cè)量值見表3。

表3 垂向預(yù)應(yīng)力筋摩擦損耗計(jì)算值及實(shí)際測(cè)量值 單位：MP a

由表3 可知：因?yàn)榇瓜蝾A(yù)應(yīng)力筋相對(duì)較短，其摩擦損耗所占總損耗比例（0.62%）比縱向預(yù)應(yīng)力筋摩擦損耗所占總損耗比例（5.7%）小很多；垂向預(yù)應(yīng)力筋的摩擦損耗計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值比較符合。

3.1.2 對(duì)接縫壓縮、鋼筋回縮及錨具形變損耗

針對(duì)后張法混凝土構(gòu)件，垂向預(yù)應(yīng)力筋放張時(shí)會(huì)產(chǎn)生接縫壓縮、鋼筋回縮及錨具形變損耗，可選用超拉張工藝降低此項(xiàng)損耗值。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試垂向預(yù)應(yīng)力時(shí)，由對(duì)接縫壓縮、鋼筋回縮及錨具形變引發(fā)的預(yù)應(yīng)力損耗能夠通過錨固端有效預(yù)應(yīng)力開展實(shí)際測(cè)試。3 根測(cè)試用垂向預(yù)應(yīng)力筋的對(duì)接縫壓縮、鋼筋回縮及錨具形變損耗計(jì)算值及實(shí)際測(cè)量值見表4。

表4 垂向預(yù)應(yīng)力筋錨具形變等損耗實(shí)際測(cè)量值及計(jì)算值 單位：MP a

由表4 可知：3 根測(cè)試用垂向預(yù)應(yīng)力筋的對(duì)接縫壓縮、鋼筋回縮、錨具形變損耗的實(shí)際測(cè)量值都小于計(jì)算值。表明施工現(xiàn)場(chǎng)的垂向預(yù)應(yīng)力鋼墊板相對(duì)平整，鋼墊板與螺母間縫隙很小，而且錨固時(shí)選用的大扳手需為長手柄，所以螺母十分牢固，相當(dāng)程度上消除了鋼板與螺母間的縫隙，大大降低了錨固回縮損耗。

3.1.3 混凝土彈塑性壓縮損耗

采用后張法施工的箱體梁垂向預(yù)應(yīng)力筋，其數(shù)量通常較多并且互相間距離較近。當(dāng)垂向預(yù)應(yīng)力筋采取分批拉張并且多于1 根時(shí)，垂向預(yù)應(yīng)力是逐根加施于箱體梁腹板上，伴隨拉張順序的不同，垂向預(yù)應(yīng)力筋混凝土彈塑性壓縮量亦會(huì)不同，產(chǎn)生的混凝土彈塑性壓縮損耗亦各不相同[4]。因?yàn)槔瓘埡罄m(xù)垂向預(yù)應(yīng)力筋時(shí)會(huì)引發(fā)先前拉張的預(yù)應(yīng)力，所以一般情況下首根拉張的垂向預(yù)應(yīng)力筋混凝土彈塑性壓縮損耗最大，而最后拉張的垂向預(yù)應(yīng)力筋沒有混凝土彈塑性壓縮損耗。

考慮拉張順序的混凝土彈塑性壓縮損耗計(jì)算比較復(fù)雜，通常需憑借有限元分析軟件開展模擬拉張分析。在實(shí)際施工中，混凝土彈塑性壓縮損耗的實(shí)際測(cè)量值可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得，混凝土彈塑性壓縮損耗的理論值σl4則依照如下公式計(jì)算：

式中：αEP為預(yù)應(yīng)力筋彈塑性模量與混凝土彈塑性模量的比值[5]；Δσpc為后張拉導(dǎo)致的鋼筋重心位置法向混凝土應(yīng)力，MPa。

3 根測(cè)試用垂向預(yù)應(yīng)力筋混凝土彈塑性壓縮損耗計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值見表5。

由表5 可知：垂向預(yù)應(yīng)力筋混凝土彈塑性壓縮損耗值較低，且小于對(duì)接縫壓縮、鋼筋回縮及錨具形變損耗；3 根測(cè)試用垂向預(yù)應(yīng)力筋混凝土彈塑性壓縮損耗計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值偏差較小，說明混凝土彈塑性壓縮損耗計(jì)算式在實(shí)際施工中切實(shí)可行。

表5 垂向預(yù)應(yīng)力筋混凝土彈塑性壓縮損耗計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值 單位：MP a

3.2 第1 批預(yù)應(yīng)力損耗匯總

依據(jù)表1 錨固和拉張后垂向有效預(yù)應(yīng)力對(duì)應(yīng)測(cè)試結(jié)果，可獲得3 根垂向預(yù)應(yīng)力筋對(duì)應(yīng)第1 批預(yù)應(yīng)力損耗組成情況，見表6。

表6 垂向預(yù)應(yīng)力筋對(duì)應(yīng)第1 批損耗實(shí)測(cè)匯總值 單位：MPa

由表6 可知：試驗(yàn)用的3 根垂向預(yù)應(yīng)力筋N23、N23′、N23″的第 1 批損耗值依次是 41.3 MPa、52.0 MPa、54.4 MPa，依次占其起始拉張應(yīng)力的5.0%、6.3%、6.5%：在垂向預(yù)應(yīng)力筋第1 批損耗中，因?yàn)閷?duì)接縫壓縮、鋼筋回縮及錨具形變所引發(fā)的損耗所占比例最大（依次占第1 批總損耗的72.0%、76.0%、82.5%）。所以為了降低垂向預(yù)應(yīng)力第1 批損耗，應(yīng)重點(diǎn)減小垂向預(yù)應(yīng)力的對(duì)接縫壓縮、鋼筋回縮和錨具形變損耗。

3.3 第2 批預(yù)應(yīng)力損耗匯總

第2 批預(yù)應(yīng)力損耗的定義是加施預(yù)應(yīng)力時(shí)短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的損耗，總體包括混凝土收縮徐變損耗和預(yù)應(yīng)力筋松弛損耗兩部分。依據(jù)混凝土收縮徐變、垂向預(yù)應(yīng)力筋松弛相關(guān)理論，計(jì)算其損耗相對(duì)復(fù)雜，所以在實(shí)際施工中依照相關(guān)規(guī)定計(jì)算方法得出此2 項(xiàng)損耗。垂向預(yù)應(yīng)力筋松弛損耗σl5計(jì)算依據(jù)式（2）；混凝土收縮徐變損耗σl6（t）計(jì)算依據(jù)式（3）。

式中：ψ 為拉張系數(shù)；ζ 為預(yù)應(yīng)力鋼筋的松弛系數(shù)；σpe為傳力錨固條件下的鋼筋應(yīng)力；σpc為由預(yù)應(yīng)力導(dǎo)致的承拉區(qū)域各縱筋斷面重心部位的法向混凝土壓力；φ（t，t0）為加載齡期 t0下，計(jì)算齡期 t 的徐變常數(shù)；εcs（t，t0）為應(yīng)力筋導(dǎo)力錨固齡期 t0下，計(jì)算齡期 t 的混凝土收縮應(yīng)變；αEP為預(yù)應(yīng)力筋彈塑性模量與混凝土彈塑性模量的比值。

測(cè)試垂向預(yù)應(yīng)力時(shí)，因?yàn)槲丛诂F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試混凝土應(yīng)變，所以只能得出其實(shí)際測(cè)量值。同時(shí)結(jié)合式（2）和式（3），計(jì)算得出混凝土收縮徐變損耗和預(yù)應(yīng)力筋松弛損耗理論值，匯總結(jié)果見表7。

表7 垂向預(yù)應(yīng)力筋第2 批損耗實(shí)際測(cè)量結(jié)果匯總值 單位：MP a

根據(jù)表7 能夠得出：垂向預(yù)應(yīng)力筋第2 批損耗實(shí)測(cè)均值在第 60 d、130 d、205 d 依次是 30.3 MPa、33.3 MPa 和34.7 MPa，與理論值相比，實(shí)際測(cè)量值均小于理論值；而且，垂向預(yù)應(yīng)力筋對(duì)應(yīng)有效預(yù)應(yīng)力在150 d 后基本維持恒定。

4 結(jié) 語

針對(duì)案例橋箱體梁腹板垂向預(yù)應(yīng)力筋，依據(jù)路橋設(shè)計(jì)規(guī)范中相關(guān)縱向預(yù)應(yīng)力損耗計(jì)算規(guī)定，對(duì)混凝土收縮徐變損耗、混凝土彈塑性壓縮損耗、鋼束松弛損耗、垂向預(yù)應(yīng)力筋的摩擦損耗以及錨固損耗進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：除去計(jì)算所獲得的錨固損耗顯著偏大，其他各項(xiàng)損耗的計(jì)算值都與實(shí)際測(cè)量值相符合。針對(duì)垂向預(yù)應(yīng)力筋，錨固損耗所占比例最大，垂向預(yù)應(yīng)力筋N23、N23′、N23″依次占總損耗的35.3%、47.5%和52.8%。實(shí)測(cè)錨固損耗偏小，一方面表明選用計(jì)算方法對(duì)垂向預(yù)應(yīng)力筋的此項(xiàng)損耗開展計(jì)算相對(duì)安全，同時(shí)亦表明施工現(xiàn)場(chǎng)的垂向預(yù)應(yīng)力筋拉張施工功效較佳。