预应力损失对大跨连续刚构桥挠度的影响

2023-01-28

近年来, 随着现在施工技术的进步, 预应力施工技术水平的提高, 三向 (即纵向、竖向、横向) 预应力广泛应用于箱型截面, 收到了良好的经济效果, 同时也存在若干技术问题尚待解决[1]。预应力在张拉过程中所施加的有效预应力, 不论是普通混凝土还是高强混凝土构件, 对构件抗裂度计算、裂缝宽度的计算, 以及构件正截面的强度计算等, 都有非常重要的意义。有效预应力计算不准确, 过高的估计了有效预应力, 会给构件带来安全隐患;过低地考虑有效预应力, 则没有充分发挥预应力的作用。此外, 预应力管道的压浆, 存在不饱满 (有空隙) , 或者浆体离析的现象。浆体离析, 往往使上凸的底板预应力束的跨中部分泡在水中, 易锈蚀而减小有效面积, 导致有效预应力不足。一些旧桥加固的实践也表明, 管道中流出的是带铁锈的黄水, 这不但会增大主梁跨中的下挠, 而且可能导致梁正截面强度的不足而出现垂直裂缝。因此如何确定预应力损失值的大小是预应力混凝土结构设计的一项重要内容。

1 长束预应力损失[2~4]

混凝土连续刚构桥纵长束的预应力损失的计算有其自身的特点, 与短束的预应力损失相比, 其预应力损失随着束长的增大, 呈非线性增长。究其原因, 显然是理论计算时对波纹管逐节段拼接定位、平直度误差及局部漏浆所引起的摩阻增大估计不足而引起的。因此, 对于长束预应力损失而言, 摩阻力成为影响其预应力损失的主要因素。如何合理而准确地给出摩阻损失系数和管道偏差系数, 找出其变化规律, 应成为长束预应力损失计算研究的主要方向。

1.1 预应力钢筋与管道壁间摩擦引起的应力损失

在预应力混凝土结构中, 一般是通过后张法工艺施加预应力的。在后张法构件中, 由于张拉钢筋使预应力钢筋与管道壁之间接触而产生摩擦阻力, 此项摩擦阻力与张拉力方向相反, 因此, 钢筋中的实际应力较张拉端拉力计中的读数要小, 造成钢筋中的应力损失。摩阻损失, 主要由管道的弯曲和管道位置偏差两部分影响所产生。对于直线管道, 由于施工中位置偏差和孔壁不光滑等原因, 在钢筋张拉时, 局部孔壁仍将与钢筋接触而引起摩擦损失, 一般称此为管道偏差影响摩擦损失, 其数值较小;对于弯曲部分的管道, 除存在上述管道偏差影响之外, 还存在因管道弯转, 预应力对弯道内壁的径向压力所引起的摩擦损失, 称此为弯道影响摩擦损失, 其数值较大, 并随钢筋弯曲角度之和的增加而增加。曲线部分摩擦损失是由以上两部分影响所形成, 故要比直线部分摩擦损失大得多。

1.2 参数μ、k取值讨论

预应力摩阻损失的大小除了与张拉控制应力有关外, 主要取决于µ、k的取值。µ为预应力钢筋与管道壁的摩擦系数。k为管道每米局部偏差对摩擦的影响系数。

查阅国内外文献比较参数k、µ的取值, 如表1、表2和表3所示。

通过对比表1、2和3可知, 我国规范对孔道偏差系数k的取值偏小, 所以建议适当放大。基于对几座混凝土梁桥的监控计算及监控结果的对比分析, 认为将孔道长度偏差系数k取0.0030/m~0.0040/m, 孔道摩擦系数µ取0.25~0.35比较合适。另外, 对于空间布置的长束, 其摩擦损失按现行规范取µ、k值计算结果偏小, 具体偏小程度与空间曲线夹角θ和空间曲线长度l有关。对于长束空间预应力钢束, 其预应力摩阻损失中由于长度所引起的损失占的比重比规范计算的要大, 即k值要比规范的取值大。美国桥梁设计规范中对k的取值要比中国规范的大, 而µ值对于波纹管成型的孔道, 比中国规范要小。

1.3 模型计算分析

运用大型有限元程序桥梁博士对主桥结构进行了分析计算。计算程序采用桥梁博士3.0 3专用程序对结构进行离散, 结构由主梁、桥墩、桩基组成。结构计算简图如图1所示。全桥共198个单元200个节点。

边界条件为:墩底部固结, 交界墩按活动铰支座模拟。

内部主从约束:墩与梁采用主从约束模拟为刚臂连接。

为了分析预应力钢筋与管道壁的摩擦系数µ和管道每米局部偏差对摩擦的影响系数k的改变对大跨连续刚构桥跨中挠度的影响, 本文结合实桥, 采用四种组合模拟了预应力损失计算参数k、µ的变化对挠度的影响, 如图2所示。

第一种组合取;

第二种组合取;

第三种组合取;

第四种组合取。

对图2中的计算结果进行分析, 以跨中为例:取第一种情况为基准, 则第二种情况下的相对位移是-2 c m, 而第三种情况下的相对位移是-7.7 c m, 第四种情况下的相对位移是-1 2.6 c m。由此可见:管道摩擦系数µ和局部偏差系数k的改变对大跨连续刚构桥主梁的挠度影响较大。

2 纵向长束预应力损失对挠度的影响

顶板悬臂施工束在大跨预应力连续刚构桥的悬臂施工中承担了整个大桥绝大部分荷载, 而底板预应力束在成桥阶段和运营阶段对抵抗正弯矩和主梁挠度也起着至关重要的影响。所以说如果顶板悬臂施工束和底板预应力束存在部分损失的话, 将对整个结构的内力产生很大的影响, 主梁的挠度也自然会受到相应的影响。

由于理论计算模式和计算结果往往与工程实际情况存在差异, 加上一些在设计时难以计入的因素, 因此在设计过程中, 有必要考虑结构各个截面的应力要有一定的安全储备, 即对使用荷载作用下截面的正应力和混凝土主拉应力, 提供一定的应力储备, 以便在设计上带来可靠保证。通过对黄石长江大桥分析发现, 主梁正弯矩和负弯矩区顶板总向预应力有效性的降低都会使主梁跨中产生下挠, 当底板纵向预应力有效性降低30%时, 主梁跨中将增加53mm的下挠, 顶板悬臂施工束失效1 0%时, 次边跨跨中下挠量增加1 3 3 m m, 中跨跨中下挠量增加137mm。

2.1 模型计算分析

为了得到纵向预应力的损失对主梁挠度的影响到底有多大, 本文采用对纵向预应力分别折减10%、20%、30%后计算出江安县长江公路大桥各自的主梁挠度, 然后进行比较。见图3所示。从图中的几条相对挠度曲线可以看出纵向预应力的损失对挠度的影响是成比例增长的 (在一定值之内) 。以跨中为例:折减10%的相对位移是-9.4 c m;折减2 0%的相对位移是-1 8.7 c m;折减30%的相对位移是-2 8.1c m。

由上面的分析可得:纵向预应力的损失对大跨预应力连续刚构桥主梁挠度的影响比较大, 可认为是主梁严重下挠的主要因素之一。

3结语

(1) 在预应力混凝土连续刚构桥中, 长索预应力损失值要比设计值大的多, 而且此损失值随着索长度的增大, 成非线性增长, 其原因主要是施工时波纹管逐段拼接的孔道偏差、弯道 (平弯) 以及接头漏浆的影响导致预应力索出现了局部摩阻力增大的情况。

(2) 在我国现有施工水平的条件下, 建议波纹管孔道的k和µ值适当放大, k值取0.0 0 3~0.0 0 4, µ值取0.2 5~0.3 5。通过模型计算对于同一座桥取不通的µ、k值算出的主梁挠度是不一样的。对预应力混凝土梁桥, 建议实测预应力摩擦损失参数µ、k, 以便准确地确定µ、k, 为设计、施工提供可靠依据。

(3) 通过模型计算可以看出纵向长索预应力损失对大跨度混凝土梁桥主梁挠度影响比较大, 可认为是主梁下挠的主要因素之一。

摘要：通过对预应力损失的研究, 结合宜宾江安长江公路大桥, 运用大型有限元程序建立全桥模型, 模拟了纵向预应力钢束对其挠度的影响。

关键词：预应力损失,挠度,方法