PC梁桥结构的钢绞线张拉问题及补救措施分析.pdf

第 卷 第 期 年 月 公路工程 收稿日期 基金项目 年度河南省基础与前沿技术研究项目 作者简介 李 杰 男 陕西宝鸡人 工学博士 副教授 主要从事桥梁结构理论及力学行为方面研究 梁桥结构的钢绞线张拉问题及补救措施分析 李 杰 李 娜 郑州大学 土木工程学院 河南 郑州 摘 要 以一座预应力混凝土斜梁桥和一座预应力混凝土弯梁桥的钢绞线张拉施工问题为例 针对张拉过 程中出现的锚具回缩有效预应力损失 伸长量偏小力筋超张拉的问题 采用有限元数软件建立两座大桥的分析 模型 详细考虑钢绞线现场施工状态 分析张拉施工问题对梁体结构的影响 分析表明 预应力混凝土斜梁施 工过程中预应力筋伸长量小的问题可通过增大锚下控制应力改善 且对该现浇箱梁桥影响很小 结构在施工期 间和设计规范确定的正常运营状态下是安全的 由于超张拉使用阶段预应力束的拉应力超过 但后续个 别预应力束张拉控制应力按照不大于 继续施工可行 预应力混凝土弯梁桥顶板 根负弯矩束的回缩对桥 梁结构的正常使用极限状态有影响 造成斜截面抗裂验算超限 钢束的回缩使得这部分预应力筋的有效预应力 减小甚至失效 造成该部位箱梁顶面最大主拉应力超过规范限值 可采取增加负弯矩区的有效预应力方式补救 关键词 预应力混凝土梁桥 钢绞线张拉 钢束回缩 超张拉 中图分类号 文献标识码 文章编号 引言 预应力混凝土结构通过钢绞线的张拉 为结构 储备足够的压力以减小构件的截面积 节省材料 提高结构刚度和耐久性 而且预应力技术还提供了 一种较为有效的拼装手段 能够提高结构的整体性 和施工难度 因此 现代预应力技术几乎应用 于各种建筑工程领域 尤其在桥梁结构 国内预应 公路工程 卷 力混凝土桥梁结构应用和发展了近 无论在桥 型 跨度 还是在施工方法与工艺方面 都取得了 不斐成就 但预应力混凝土桥梁结构施工中常遇到 一些钢绞线施工质量问题 对于预应力混凝土 桥梁结构 其安全性 耐久性依赖于预应力效应 而且钢绞线张拉锚固后 即使发现问题 也难以补 救 此外作为结构性工程 预应力控制要求严格 因此 预应力混凝土结构对施工队伍和施工技术有 着较高要求 虽然规范明确规定以钢绞线的伸长 量 张拉力作为施工质量的双控指标 但具体到预 应力钢绞线张拉实际施工中的量测 各种理论和实 践会存在较大差异 以致造成施工质量问题 甚至引起结构后期运营的安全 本文以一座预应力 混凝土斜梁桥和一座预应力混凝土弯梁桥的钢绞线 张拉施工问题为例 针对张拉施工过程中出现的锚 具回缩有效预应力损失 伸长量偏小力筋超张拉的 问题 采用数值方法详细考虑钢绞线现场施工状 态 分析张拉施工问题对梁体结构的影响 工程背景及分析模型 工程 某预应力混凝土斜梁桥超张拉 某互通式立交主线跨被交道为两幅三跨预应力 混凝土连续箱梁桥 桥轴线与被交道夹角 跨 径布置为 全长 上部结 构为部分预应力混凝土现浇连续箱梁 采用等截面 单箱双室箱梁截面 梁高 跨中顶 底板 厚 腹板厚 支承部位为实心截面 实心截面与箱形截面采用变截面过渡 其顶 底板 厚 边腹板厚 中腹板厚 桥面 横向宽度 主梁为 混凝土 预应力钢 绞线采 用 标 准 其 规 格 为 级 高强度低松弛钢绞线 其标准强 度为 弹性横量 每 根钢绞线的钢绞线面积 预应力管道 为圆形和扁形金属波纹管 现浇预应力混凝土连续 箱梁桥桥面调平层为 的 防水混凝土 桥 面铺装为 的沥青混凝土 大桥采用满堂支架 现浇施工 上部结构主梁在支架上一次浇注完成 并张拉预应力束 但在桥梁实际施工中 扁锚束出 现张拉力与伸长量不符 偏小 的问题 分析造 成此问题的原因为扁波纹管引起的孔道摩阻力偏 大 施工现场决定改进锚环 采用行程 千斤 顶分级单根张拉 通过超张拉方式满足伸长量要 求 即对扁锚束最大的锚下控制应力按不超过标准 强度的 即 进行张拉 张拉记录显示 扁锚束锚下实际控制应力为 补张后钢绞线伸长量增量为 针对该问题采用桥梁结构分析软件 建模分析 主梁采用空间梁单元模拟 考虑到该桥 为斜交 的斜桥 模型中通过斜向虚拟节点支承 模拟斜桥的力学行为特性 并根据设计图纸采用虚 拟节点与主梁支承节点弹性连接 刚性 满堂支 架采用只受压弹性支承模拟 左幅桥和右幅桥的预 应力束张拉分别按照现场实际张拉程序和锚下控制 应力进行设置 其中左幅桥扁锚束的锚下控制应力 均为 右幅桥扁锚束的锚下控制应力按 照施工实测值为 计算模型中 考虑竖曲线纵坡 并按照规范要求考虑混凝土收缩 徐变效应 水泥强度随时间增长效应 每幅桥计算 模型共计划分 个节点 个单元 梁体及预应 力钢绞线见图 所示 考虑到该桥为预应力 混凝土斜梁桥 为了与空间梁单元的分析结果进行 对比 还采用通用结构分析软件 建立三维 实体单元分析模型 模型中按规范要求考虑了预应 力的损失 对于主梁的纵向和横向预应力筋 考虑 了管道摩擦损失 锚具变形损失 应力松弛损失 混凝土徐变引起的损失 主梁采用实体单元模拟 预应力束采用杆单元模拟 并以降温模拟预应力 锚垫板为实体单元 支座简化为 橡胶 块体 用实体单元模拟 弹性模量和剪切模量参考支座型 号进行参数设置 且约束支座底面所有自由度 每 幅桥的计算模型共计划分 个节点 个 单元 梁体及预应力钢绞线见图 所示 模型 模型 图 工程 的有限元模型 工程 某预应力混凝土弯梁桥锚具回缩 某高速公路互通式立交工程匝道桥 为一座全 长 的现浇预应力混凝土曲线连续箱梁桥 大桥跨径布置 各桥墩依次记为 第 期李 杰 等 梁桥结构的钢绞线张拉问题及补救措施分析 和 桥梁全宽 梁高 箱梁 为单箱双室断面 顶板厚 底板厚 腹板厚 外侧腹板为斜腹板 腹板斜率 翼缘板长度 端部厚度 根部厚度 翼缘板与外侧腹板相接处采用半径 的圆弧过渡 铺装桥面采用 沥青混凝土 铺 装下 外侧车道设 内侧车道设 为 水泥混凝土调平层 箱梁采用 混凝土 宝瓶型桥墩采用 钢筋混凝土 根据受力分析 箱梁中配置连续长预应力束 在每个桥墩支承部位 的箱梁顶板配置负弯矩束 并在桥墩部位的横隔板 中设置横向预应力束 预应力束的锚下控制应力均 为 现场在进行顶板负弯矩钢 束张拉施工中 由于锚垫板下的混凝土振捣不密 实 出现锚垫板破裂纵向移位 在张拉到设计应力 时 墩顶板右 钢束锚具回缩 右 钢束 锚具回缩 墩顶板左 钢束锚具回缩 墩顶板左 钢束锚具回缩 在锚具停 止回缩后 对钢束进行了补张 张拉到设计应力持 荷 在持荷过程中未发现锚具出现位移情况 随后对钢束进行锚固并及时进行了孔道压浆 针对该问题采用 利用大型通用软件 建模分析 具体建模分析时按设计图纸准确建立箱 梁和桥墩等构件的几何模型 将预应力钢束看成杆 单元 通过降温模拟所张拉预应力 模型中考虑大 桥线形的竖曲线 平曲线 其中混凝土箱梁采用 节点实体单元模拟 墩台纵向 横向预应力束采用 杆单元模拟 考虑工程 为立交匝道桥 各桥墩的 高度变化 为了更好地考虑桥墩对上部弯梁结构的 受力及变形的影响 模型中亦采用 节点实体单元 建立 桥 墩 桥 墩 与 主 梁 底 部 连 接 的 支 座 简 化 为 橡胶 块体 以实体单元模拟 橡胶 的弹性 模量和剪切模量参考支座型号进行参数设置 并约 束墩底所有节点的自由度 全桥共计划分 个 节点 个单元 桥梁有限元计算模型见图 图 工程 的有限元模型 分析工况 工程 分析工况 对于 模型 一期恒载由程序自动 计入 桥面铺装及护栏等二期恒载集度为 活载为公路 级 按规范要求考虑收缩 徐变效应 整体升温 整体降温 温度 梯度按照 公路桥涵设计通用规范 的要求施加 桥台 桥墩不均匀沉降分别 为 按设计图纸和现场施工过程 主要分析工况如下 施工阶段 在满堂支架上进行箱梁现浇施工 二期恒载施工 张拉预应力束 满堂支 架落架 成桥 运营阶段 永久作用 汽车 支座 沉降 正温度 永久作用 汽车 支座沉降 负温度 永久作用 汽车 不计冲击 支座沉降 正温度 永久作用 汽车 不计冲击 支座沉降 负温度 永久作用 汽车 不计冲击 支座沉降 正温度 永久作用 汽车 不计冲击 支座沉降 负温 度 永久作用 汽车 不计冲 击 支座沉降 正温度 永久作用 汽车 不计冲击 支座沉降 负温度 对于 模型 一期恒载由 程 序 自 动 计 入 桥面铺装及护栏等二期恒载换算为面载 集度 为 公路 级 按照影响线加 载 考虑整体升温 整体降温 未考虑 温度梯度和墩台沉降 主要分析工况如下 施工阶段 可考虑为一次成桥 在满堂支架上进行箱梁现浇施工 二期恒载施工 张拉预应力束 然后满堂支架落 架 成桥 运营阶段 永久作用 汽车 正温 度 永久作用 汽车 负温 度 永久作用 汽车 不计冲 击 正温度 永久作用 汽车 不计冲击 负温度 公路工程 卷 永久作用 汽车 不计冲击 正温度 永久作用 汽车 不计冲击 负温度 工程 分析工况 根据设计资料 现场施工记录及分析目的和要 求 分别计算恒载 预应力 活载 温度等荷载工 况 然后考虑受力最不利的组合方式 对于 根预 应力束锚具回缩引起的有效预应力减小考虑最不利 状态和简化考虑部分预应力两种方式模拟 即 按照发生回缩的 根负弯矩束全部失效考虑 考 虑发生回缩的 根负弯矩束剩余预应力 鉴于目前 在役预应力混凝土结构中永存预应力测试存在难 度 在考虑发生回缩 根负弯矩束剩余预应力时进 行了如下简化 根据现场负弯矩束张拉回缩记录 将回缩量作为预应力损失 以 墩顶顶板右 钢 束为例 其回缩 钢束全长 则应变 损失为 则对应有效预应力损失为 那么该预应力钢束有效永存的预应力为 原永存 式中 原永存为锚下控制应力减去各项预应力损失 则针对短期效应组合主要分析表 中 个工况 表 计算工况 工况序号内容 落架后成桥状态 考虑负弯矩束剩余预应力 落架后成桥状态 不考虑负弯矩束剩余预应力 活载 墩应力最大布载 满布 恒载 考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 满布 恒载 不考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 外侧偏载 恒载 考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 外侧偏载 恒载 不考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 内侧偏载 恒载 考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 内侧偏载 恒载 不考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 满布 恒载 考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 满布 恒载 不考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 外侧偏载 恒载 考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 外侧偏载 恒载 不考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 内侧偏载 恒载 考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 内侧偏载 恒载 不考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 满布 恒载 考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 满布 恒载 不考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 外侧偏载 恒载 考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 外侧偏载 恒载 不考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 内侧偏载 恒载 考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 活载 墩应力最大布载 内侧偏载 恒载 不考虑负弯矩束剩余预应力 整体温度效应 注 表 中的不考虑负弯矩剩余预应力为偏保守分析 认为所有回缩的预应力束均失效 考虑负弯矩剩余预应力将回缩量换算为损失 应变 然后在永存预应力中减掉这部分应变对应的预应力 数值分析结果 工程 的分析结果 限于篇幅 仅给出左幅桥的分析结果 表 为 模型的部分结果 由表 可知 对于所计算分析的 个工况中 中跨跨中最大竖向变形 箱梁承受最大 的弯矩 为 箱梁顶 底板最大正 应力为 和 工况 中主梁最大主拉应力较大 最大达到 但未 超 过 混 凝 土 抗 拉 设 计 强 度 且考虑到该部位为支承处 预应力束竖弯部 位 受力较复杂 针对空间梁单元计算的应力结果 有必要进行更细致的局部应力分析 按设计文件 该桥为部分预应力混凝土结构 结构基本满足规范 要求 且对于所分析的工况 桥梁基本安全 但按 规范 规定 使用阶段预应力束拉应力容许值为 施工阶段容许应力为锚下控 制应力以 控制 分析结果显 示使用阶段超张拉的个别预应力束的拉应力介于 这主要是由于施工中锚下控制应 力提高引起的 此外数值分析显示 右幅桥分析结 果与左幅桥相近 表 为 模型的部分结果 由表 可以看出 对于所计算分析的 个工况 第 期李 杰 等 梁桥结构的钢绞线张拉问题及补救措施分析 表 模型左幅桥的分析结果 工况 序号 中跨跨 中竖向 变形 最大弯 矩 箱梁正应力 最大 最小 顶板底板 最大 主拉 应力 表 模型左幅桥分析结果 工况 序号 竖向变形 跨中正应力 跨中主应力 顶板底板最小最大 预应力束 最大应 力 中 最大竖向变形 箱梁跨中顶 底板 最大正应力为 和 工况 中主梁最大主拉应力较大 达到 但未超过 混凝土抗拉设计强度 在 所计算荷载组合工况中 和 中超 张拉个别的预应力束最大应力 以上 这 与施工中部分预应力束超张拉有一定关系 按照设 计文件 该桥为部分预应力混凝土结构 结构满足 规范要求 且对于所分析的工况 桥梁安全 上述分析表明 虽两个软件在计算中的荷载加 载及组合存在差异 但 三维实体单元分析 与 软件分析的结果基本相近 两个模 型所分析的结果均表明结构基本满足规范要求 且 对于所分析的工况桥梁基本安全 由于施工中锚下 控制应力提高 造成使用阶段预应力束的拉应力超 过 但设计规范 也规定 当对构件进行 超张拉或计入锚圈口摩擦损失时 钢筋中最大控制 应力 千斤顶油泵上显示的值 对钢丝和钢绞线 不应超过 对于该问题后来 专家研讨会也明确 条意见 造成此问题的原因 为扁波纹管引起的孔道摩阻力偏大 预应力束张 拉可开始施工 锚下张拉控制应力按标准强度的 即 控制 张拉后 可直接封锚压浆 随后施工中采纳了专家意见 工程 的分析结果 按表 的分析工况 将 墩对应箱 梁顶面 的 短 期效 应 组 合 最大 主 应 力 结 果 汇 总 见 表 表 墩对应箱梁顶面的短期效应组合最大主应力 荷载分项 荷载组合及控制位置 箱梁顶面最大主应力 墩部位 墩部位 墩部位 永久作用 恒载 预应力 考虑剩余预应力 预应力完全失效 整体温度 可变作用 车道 满布 外侧偏载 内侧偏载 正常使用极限状态 短期效应组合 规范限值 从表 可知 对于 墩应力影响线进行车 道加载 并与恒载 整体温度进行短期效应组合 在最不利情况 不考虑锚具回缩的 根负弯矩束 所剩余预应力 下计算分析可知 短期效应组合下 箱梁全截面基本受压 正应力介于 之间 有一定压应力储备 最大主拉应力约为 最小主压应力约为 再进一 步从表 可知 不论是考虑剩余负弯矩束的影响 公路工程 卷 还是偏保守认为所有回缩的负弯矩束都失效 各控 制截面的最大主应力介于 之间 汽车活载按照最不利影响线布满载时不能满足设计 规范中短期效应组合斜截面抗裂验算的要求 针对该匝道箱梁顶板预应力束施工问题建议补 救可选择的方案为 增加普通钢筋 增加体外预应 力束 在钢束原位置重新设置预应力束 考虑到预 应力混凝土结构的有限元数值分析特点 一般将普 通钢筋和混凝土的容重 刚度等效考虑为匀质材 料 故有限元模型中普通钢筋不进行详细模拟 后 两种加固方案从本质上来看 均是局部预应力补 强 因此本文在上述分析基础上 对出现回缩部位 预应力补强效果进行有限元数值分析 见表 从表 可以看出 通过负弯矩束的预应力补 强 可以有效改善斜截面主拉应力数值 并最终满 足设计规范要求 表 补强后 墩对应箱梁顶面的短期效应组合最大主应力 荷载分项 荷载组合及控制位置 箱梁顶面最大主应力 墩部位 墩部位 墩部位 永久作用预应力束补强 整体温度 可变作用 车道 满布 外侧偏载 内侧偏载 正常使用极限状态 短期效应组合 规范限值 结语 预应力混凝土桥梁结构的安全性 耐久性 依赖于预应力效应 而且钢绞线张拉锚固后即使发 现问题也难以补救 此外作为结构性工程 预应力 控制要求严格 因此在钢绞线张拉施工中 应严格 工程程序和工艺要求 避免出现锚头处部位拉爆 砼 锚垫板 伸长量偏长或偏短 实际与设计 对比 如果已经出现张拉问题 现场应停止施 工 查明原因 并评估其对梁体结构的安全性的影 响 乃至采取补救措施 工程 中的钢绞线双控指标中的伸长量偏 小 现场施工采用超张拉 来达到伸长量要 求 虽规范规定钢绞线锚下控制应力最大可达到 经分析对梁体结构的安全性影响也很小 而且设计规范也规定 当对构件进行超张拉或计 入锚圈口摩擦损失时 钢筋中最大控制应力 千 斤顶油泵上显示的值 对钢丝和钢绞线不应超过 对于该问题后来的专家研讨 会也明确造成此问题的原因是由于扁波纹管引起的 孔道摩阻力偏大 鉴于此个别预应力束锚下张拉控 制应力按照标准强度的 即 控制 但过高应力对结构安全和耐久 性不利 而且钢绞线中的永存拉应力可能超过规范 限值 该方法仅是不得已的补救措施 应尽量避免 工程 中的箱梁顶板负弯矩束由于锚垫板 部位混凝土振捣不密实而出现回缩 所有回缩的 根预应力束按偏保守的最不利情况均失效 及考虑 损失预应力后永存的预应力两种工况分析 可看出 不满足斜截面抗裂验算的要求 这意味着负弯矩区 锚具回缩使得钢绞线应力损失 已对梁体结构的安 全产生影响 需要对锚固区域混凝土补强处理后 工程 补救的原则应为恢复至设计状态 对于超限不多的部位除采用预应力补强方法外 也 可考虑采用增设该区域钢筋网片的普通钢筋直径达 到补救目的 对于超限较多的部位可采取增加负弯 矩的有效预应力方式进行补救 数值分析表明改造 后结构安全 参考文献 范立础 世界预应力混凝土桥梁发展现状 预应力混 凝土连续梁和刚构桥学术会议论文集 吴延平 国内预应力混凝土桥梁的发展状况 桥梁建设 陈朝慰 锚下有效预应力安全性富余度研究 公路工程 姚正中 李银斌 杨鸿波 等 四跨混凝土连续刚构桥预应力 损失时效分析 公路工程 下转第 页 公路工程 卷 仅增大了 和 荷载 位移曲线变化很 平缓 可见过量 甚至完全 填充混凝土对节点 承载力的提高并无明显帮助 反而会增加结构自重 而带来不利影响 换言之 节点的极限破坏主要受 节点核芯区影响 在远离核芯区位置填充混凝土对 于延缓节点破坏并提高节点承载力的帮助是很小 的 从本文结果看 在 倍核芯区宽度 即 倍腹 杆截面高度 范围内填充混凝土可发挥最大效率 结论 针对弦杆内部分填充混凝土的钢桁梁 形整 体节点开展有限元分析 主要结论如下 数值模拟得到 个节点试件的破坏模态 弹性刚度 特征荷载等性能指标均与试验结果吻合 很好 所建立的有限元模型可以真实反映出节点在 腹杆轴力作用下的受力状态与破坏过程 并且具有 很高的计算精度 混凝土填充长度较短时 节点的破坏模态 与空心节点类似 表现为核芯区两侧的弦杆上翼缘 向内凹进屈曲 随着混凝土填充长度不断向弦杆两 端延伸 弦杆上翼缘屈曲受到混凝土的有效约束而 不发生屈曲 节点的破坏时刻向后延迟 最终表现 为核芯区腹板向外鼓出屈曲 节点的极限承载力也 得到相应的提高 混凝土填充长度 仅核芯区内填 对节点力学性能的改善非常不明显 但当混凝土填 充长度增大到 时 节点的弹性刚度和极限 承载力分别提高了约 和 此后再进一步 增加混凝土填充长度 远离核芯区内填 两项性 能指标的提高又将变得非常有限 最有效的混凝土填充范围是节点核芯区及 其两侧一定区域 最优的混凝土填充长度约为节点 核芯区宽度 即腹杆截面高度 的 倍 此时节点的 弹性刚度和极限承载力分别提高约 和 参考文献 程斌 吴斌暄 庄冬利 等 大跨度中承式钢桁架拱桥初