預(yù)應(yīng)力智能張拉對橋梁結(jié)構(gòu)的影響分析

任希娟

（湖南湘通交通工程技術(shù)咨詢有限責(zé)任公司）

1 引言

預(yù)應(yīng)力技術(shù)廣泛用于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，具有提高構(gòu)件剛度、穩(wěn)定性及耐疲勞性能等諸多優(yōu)點。預(yù)應(yīng)力張拉工藝較復(fù)雜、施工質(zhì)量要求高，因預(yù)應(yīng)力施加不當(dāng)而導(dǎo)致橋梁坍塌的事故常有發(fā)生。預(yù)應(yīng)力傳統(tǒng)張拉靠人工讀取油表、鋼尺張拉伸長量進(jìn)行控制，誤差較大，難以滿足施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定的精度要求。預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)已應(yīng)用于工程十余年，自問世以來，由于其流程控制精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)精度高、人工成本降低等特點，迅速得到了廣泛的推廣，現(xiàn)已成為全國高速公路橋梁結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化施工的舉措之一[1-6]。

本文結(jié)合既有試驗數(shù)據(jù)，通過分析張拉力誤差對結(jié)構(gòu)承載力的影響，得出相關(guān)結(jié)論，為結(jié)構(gòu)設(shè)計富余系數(shù)取值及預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備選擇提供參考。

2 工程概況

某項目20m+32m+20m 現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，全寬7.5m，梁高1.6m，跨中頂板厚25cm，底板厚22cm，腹板厚45cm，支點附近頂板加厚至45cm，底板加厚至70cm，腹板加厚至125cm，中支點橫梁厚1.8m，邊支點橫梁厚1.2m?，F(xiàn)澆箱梁跨中及支點處斷面見圖1。

圖1 現(xiàn)澆箱梁斷面（單位：cm）

主要材料參數(shù)如下：①主梁混凝土采用C50 混凝土；②縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用φS15.2mm高強(qiáng)低松弛鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1860MPa，張拉控制應(yīng)力σcon＝0.75fpk；③普通鋼筋采用HRB400 鋼筋；④橋面鋪裝采用C50混凝土。

主要荷載參數(shù)如下：①汽車荷載：公路-Ⅱ級，橫向兩車道。汽車沖擊系數(shù)和折減系數(shù)按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）第4.3 節(jié)進(jìn)行計算；②結(jié)構(gòu)自重：26kN/m3；防撞護(hù)欄：10kN/m/道；③溫度變化：根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）[7]第4.3 節(jié)采用的溫度計算模式計算主梁溫度影響；④結(jié)構(gòu)不均勻沉降按10mm 考慮；⑤收縮徐變：按3650天考慮。

3 對比分析方案

梁曉東[1]對傳統(tǒng)張拉和智能張拉進(jìn)行了試驗對比分析，工程實體試驗結(jié)果表明：傳統(tǒng)張拉張拉力誤差均值為4.68%，智能張拉張拉力誤差均值為0.7%；傳統(tǒng)張拉的同步精度誤差均值為14.62%，智能張拉的同步精度誤差均值為1.49%。董欣鑫等[2]分析表明：傳統(tǒng)張拉精度為±15%，智能張拉系統(tǒng)張拉精度為±1%。黎人偉[3]實驗室試驗結(jié)果表明：傳統(tǒng)張拉誤差均值為4.01%，智能張拉誤差均值為0.55%；傳統(tǒng)張拉同步精度誤差均值為12.15%，智能張拉同步精度誤差均值為1.32%。

采用Midas Civil 2020 建立有限元模型進(jìn)行計算（見圖2），混凝土箱梁按A 類預(yù)應(yīng)力進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計，根據(jù)規(guī)范進(jìn)行荷載組合及驗算。綜合以上試驗結(jié)果，分析以下典型工況：

圖2 （20+32+20）m現(xiàn)澆箱梁有限元模型

工況一：完全吻合設(shè)計要求的張拉力（智能張拉誤差較小，可認(rèn)為其與本工況一致）；

工況二：張拉力整體偏大4.5%；

工況三：張拉力整體偏小4.5%；

工況四：兩端張拉的同步偏差為14.5%。

4 分析要點

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362-2018）[8]中的相關(guān)規(guī)定，從以下幾個方面對箱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗算：

1）持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗算。改變預(yù)應(yīng)力張拉力對承載能力極限狀態(tài)驗算結(jié)果無影響，本文不再考慮本部分對比[4]。

2）持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗算。

正截面混凝土拉應(yīng)力應(yīng)符合要求：σst-σpc≤0.7ftk，σlt-σpc≤0；

斜截面混凝土主拉應(yīng)力應(yīng)符合要求：σtp≤0.5ftk。

3）持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力驗算。

受壓區(qū)混凝土最大壓應(yīng)力應(yīng)符合要求：σkc+σpt≤0.5fck；

預(yù)應(yīng)力鋼絞線最大拉應(yīng)力應(yīng)符合要求：σpe+σp≤0.65fpk；

混凝土主壓應(yīng)力應(yīng)符合要求：σcp≤0.6fck；

以上各符號的含義：

σst、σlt為作用頻遇組合、準(zhǔn)永久組合下，構(gòu)件抗裂邊緣混凝土的法向拉應(yīng)力；σpc為由預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土法向預(yù)壓應(yīng)力；σtp、σcp為構(gòu)件混凝土中的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力；σkc為由作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的混凝土法向壓應(yīng)力；σpt為由預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向拉應(yīng)力；σpe為截面受拉區(qū)縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效預(yù)應(yīng)力；σp為正截面承載力計算中縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力；ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；fck為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；fpk為預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

5 主要分析結(jié)果對比

針對以上四種工況，有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)詳細(xì)對比如下：

1）正截面抗裂驗算

從表1可知：四種工況下，正截面抗裂均能滿足規(guī)范限值要求，但由預(yù)應(yīng)力張拉誤差引起的應(yīng)力變化量最大達(dá)0.85MPa，約占規(guī)范限值1.855MPa 的45%，影響較大[5]。

表1 正截面抗裂最大拉應(yīng)力 MPa

2）斜截面抗裂驗算

從表2 可知：工況二～工況四均不能滿足規(guī)范限值要求，斜截面抗裂控制較為嚴(yán)格，預(yù)應(yīng)力張拉誤差給結(jié)構(gòu)帶來的影響不容忽視[6]。

表2 斜截面抗裂最大主拉應(yīng)力 MPa

3）正截面壓應(yīng)力驗算

從表3 可知：預(yù)應(yīng)力張拉誤差引起正截面壓應(yīng)力最大變化量為0.52MPa，約占規(guī)范限值16.2MPa的3%，影響有限。盡管如此，但仍有工況四超規(guī)范限值要求。

表3 持久狀況標(biāo)準(zhǔn)組合下正截面最大壓應(yīng)力 MPa

4）受拉區(qū)鋼絞線拉應(yīng)力驗算

從表4 可知：預(yù)應(yīng)力張拉誤差直接影響鋼絞線拉應(yīng)力，波動范圍大。

表4 持久狀況受拉區(qū)鋼絞線最大拉應(yīng)力 MPa

5）斜截面主壓應(yīng)力驗算

從表5 可知：預(yù)應(yīng)力張拉誤差對斜截面主壓應(yīng)力影響較小。

表5 持久狀況標(biāo)準(zhǔn)組合下斜截面最大主壓應(yīng)力 MPa

6 結(jié)語

從以上分析結(jié)果可知，預(yù)應(yīng)力傳統(tǒng)張拉誤差對結(jié)構(gòu)帶來的影響不容忽視，直接影響與橋梁結(jié)構(gòu)安全息息相關(guān)的重要指標(biāo)。在此提出幾點結(jié)論供參考：

①在工程條件允許的前提下，盡量選用智能張拉設(shè)備，提高張拉精度，減少誤差，為結(jié)構(gòu)安全提供可靠保證[7]。

②橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對預(yù)應(yīng)力張拉誤差較為敏感的指標(biāo)考慮預(yù)留足夠安全儲備，如：正截面抗裂預(yù)留不小于1.0MPa，斜截面抗裂預(yù)留不小于0.5MPa。對預(yù)應(yīng)力張拉誤差不那么敏感的指標(biāo)，如正截面壓應(yīng)力、主壓應(yīng)力等，從預(yù)應(yīng)力張拉誤差考慮，也建議取不小于1.05的富余系數(shù)。