桥梁工程中竖向预应力筋的设计与施工

2022-09-10

连云港港疏港航道北接连云港, 南连灌河、通榆河, 西接京杭大运河, 其通航等级为三级。沿线需改建的桥梁较多, 大部分桥梁采用预应力砼变截面连续箱梁 (以下简称“箱梁”) , 其上部结构除设置纵向预应力钢束外, 还设置了竖向预应力筋。其主要作用是和纵向预应力钢束共同控制腹板的主拉应力, 从而达到控制箱梁腹板的斜裂缝。由于前期国内对竖向预应力损失研究较少和对竖向预应力筋的设计与施工重视程度不够等原因, 造成少量桥梁出现了一些病害。为了尽可能避免类似情况发生, 在该工程中高度重视竖向预应力筋设计的完善与施工工艺的合理与可行性。对于预防箱梁腹板开裂和延长桥梁寿命, 具有十分重要的意义和工程运用价值。

1 竖向预应力损失的分析

对于箱梁构件而言, 其竖向预应力损失是由孔道摩擦引起的损失、锚具变形、钢筋回缩和锚垫板下砼压缩引起的损失、砼的弹性压缩引起的损失以及温度变形、收缩徐变等引起的应力损失。

1.1 孔道摩擦损失

箱梁中的竖向预应力筋与纵向预应力钢束是有所区别的, 竖向预应力粗钢筋长度较短, 且为直线布置, 因此, 它与管道壁之间的摩擦引起的损失不大, 以某桥为例, 预应力钢筋长度以3.5m计, 其摩擦引起的损失为:

如果孔道没有砂浆堵塞, 该损失值较小, 仅占损失的8‰左右。

1.2 竖向预应力筋锚固时回缩和锚垫板下砼回缩的损失

竖向预应力筋的拉力通过锚具传递到砼上, 在传力过程中, 锚具的各个部件都有应力并引起变形, 根据竖向预应力筋张拉端螺母在锚固前是否拧紧情况, 存在竖向预应力筋的回缩变形, 竖向预应力筋锚固后, 锚垫板将竖向预应力传至其下的砼上, 如果锚垫板下的砼不是很密实, 将存在锚垫板下砼回缩现象, 如果这两种回缩变形值按3mm考虑, 其预应力损失 (3.5m长的竖向预应力筋) 为:

占设计张拉应力的27.3%, 预应力筋越短, 这种回缩变形引起的预应力损失越严重。

1.3 砼弹性压缩、温度等引起的竖向预应力筋的损失

箱梁腹板上的竖向预应力筋较多, 一般均采用分批张拉, 将造成预应力筋产生弹性压缩损失。文献[2]研究表明能够引起砼弹性压缩损失的预应力筋, 其范围仅限于相邻1排、前后共1.0m~1.5m以内的预应力筋张拉, 该损失很小, 仅占设计张拉应力的1%左右。

1.4 钢筋应力松弛损失

按照文献[3]中的相关规定:对预应力钢筋, 仅在传力锚固时钢筋应力σp≥0.5fpk的情况下, 才考虑由于钢筋松弛引起的应力损失。按照要求, 还应考虑砼收缩徐变引起的损失, 限于篇幅, 可参考纵向预应力的砼收缩徐引起的损失。

根据上述理论分析和工程实践情况看, 竖向预应力损失主要是由竖向预应力筋在锚固时回缩变形引起的。孔道摩擦、砼弹性压缩、温度等也会造成竖向预应力损失, 但损失的量较小;因此, 在工程实践中, 要高度重视张拉锚固时应将螺母拧紧, 锚垫板预埋位置应准确, 不得倾斜, 锚垫板下的砼一定要密实。而对竖向预应力筋进行二次张拉即在预应力筋灌浆前进行补偿张拉是减小这一损失的最有效措施之一。

2 箱梁竖向预应力筋设计和施工存在的不足及其对策

2.1 目前箱梁竖向预应力筋的设计

早期的箱梁腹板中没有设置竖向预应力筋, 主要是当时设计的跨径较小与认识的不足等原因造成的。而现在施工图设计, 在墩顶附近的箱梁腹板布置双排, 向跨中方向布置成单排, 间距50cm~80cm。

竖向预应力筋的施工工艺, 按照类似于纵向预应力钢束施工方法, 将预应力钢筋一端固结在箱梁底, 另一端露出箱梁顶面, 待箱梁悬浇段的纵向预应力钢筋张拉完成后, 开始张拉竖向预应力筋, 然后进行压浆。

2.2 目前箱梁竖向预应力筋设计和施工存在的不足及其对策

根据上述的箱梁竖向预应力筋设计情况, 通过大量的工程实践, 存在以下不足之处。

(1) 箱梁竖向预应力筋间距过大, 致使竖向预应力筋之间存在间隔性的应力“空白区”。

竖向预应力是通过锚垫板把应力传给砼, 使砼产生压应力, 但其有效作用范围是有限的。研究表明, 竖向预应力筋间距不宜超过50cm, 否则, 将出现竖向预应力筋之间存在间隔性的应力“空白区”, 规范规定竖向预应力筋间距为50cm~100cm, 在设计时建议采用规范规定的低限值。

(2) 竖向预应力筋张拉顺序没有明确规定, 致使腹板压应力分布可能出现不均匀现象。

规范[1]对于竖向预应力筋的张拉顺序没有明确的规定, 大部分箱梁设计文件也没有涉及到竖向预应力筋的张拉顺序, 造成施工单位对竖向预应力张拉带有明显的随意性。为确保腹板竖向压应力均匀, 竖向预应力筋的张拉与悬臂施工不能同步, 必须采用滞后张拉。但这种张拉会影响未张拉梁段的主拉应力, 在设计时应予以考虑可适当加强防裂钢筋的设置。

(3) 竖向预应力筋孔道漏浆, 造成压浆管被堵实, 致使压浆不密实或孔道积水。

由于竖向预应力筋成孔是采用金属波纹管, 其两端与锚垫板直接接触, 没有很好地密封与固定。砼中的浆体将从金属波纹管两端漏入孔道中, 出现漏浆现象。如果压浆管被堵实后, 雨水以及砼养生的水沿孔道上端凹槽渗入孔道, 造成孔道积水, 这样就影响压浆, 还可能造成孔道波纹管及竖向预应力筋的锈蚀, 对竖向预应力筋施工质量极为不利。

3 结语

为尽可能避免预应力砼变截面连续箱梁在施工及运营期间因为竖向预应力损失过大而造成腹板出现斜裂缝。疏港航道桥梁建设期间, 就十分重视这方面的工作, 一方面要求设计单位不断完善竖向预应力筋设计, 另一方面要求施工单位更加严格地进行预应力筋的施工。

(1) 竖向预应力筋设置间距不宜过大, 应避免出现应力“空白区”。 (2) 竖向预应力筋孔道设计时应考虑波纹管与两端锚垫板密封, 避免孔道漏浆和积水。 (3) 应要求竖向预应力筋必须进行复拉, 并明确复拉时间间隔。 (4) 竖向预应力筋孔道必须设置压浆管和出浆管。 (5) 高度重视锚垫板预埋的位置准确性, 应与竖向预应力筋垂直, 并保证锚垫板下的砼密实。 (6) 竖向预应力筋上端多余长度必须采用砂轮切割, 避免由于温度造成预应力损失过大。

通过以上措施的落实, 将进一步提高疏港航道桥梁的工程质量和耐久性, 为今后同类型桥梁建设提供宝贵经验。

摘要：结合疏港航道桥梁工程, 介绍预应力砼变截面连续箱梁桥中的竖向预应力筋设计与施工的重点及其质量控制措施, 对于提高预应力桥梁的耐久性, 具有很好的参考价值。

关键词：桥梁,竖向预应力筋,设计与施工