緩粘結低回縮預應力短索在箱梁橋腹板中的應用

0腹板斜裂縫及高溫預應力混凝土體系隨著橋梁施工技術和預制施工技術的改進，中國的預制混凝土箱梁橋廣泛應用于三個方向（垂直、垂直和垂直）的預測設計中。三向預應力箱梁橋具有設計成熟、施工迅速、經濟指標優秀的特點,但是由于施工過程倉促、車輛荷載嚴重超出預期、后期養護不到位等原因,造成很多該類橋梁在其服役期內產生各種病害。腹板斜裂縫是目前預應力混凝土箱梁橋中存在的最常見的病害。關于箱梁橋在其使用壽命前期出現腹板斜裂縫的報道已屢見不鮮,如三門峽黃河公路大橋、東明黃河大橋、風陵渡黃河公路大橋均在其使用壽命早期出現了腹板斜裂縫,而黃石長江大橋更是在通車僅僅一年后便出現了腹板斜裂縫。緩粘結預應力混凝土體系既具有無粘結體系施工方便、布筋靈活的優點,又具備有粘結體系混凝土強度利用率高且更耐腐蝕的特點。目前環氧樹脂可以克服緩凝砂漿保質期短、工廠化生產難度大等缺陷,并且環氧樹脂填充在套管和預應力筋之間,使腐蝕介質很難進入,從而對預應力筋起保護作用(圖1),這種緩粘結預應力筋的截面尺寸與無粘結預應力筋基本相同,因而對混凝土構件橫截面的削弱較小。以環氧樹脂作為粘結劑的緩粘結預應力體系因其所具有的特性(可高效施加預應力、可減小對截面的削弱、無需壓漿、耐腐蝕)而十分適用于大跨、薄壁的結構以及需要快速施工、長期運營的工程項目。目前,緩粘結預應力技術已經在我國工業1腹板斜裂縫的變化箱梁橋腹板裂縫的開裂角度集中在25°~45°之間,為結構性的主拉應力裂縫,主要出現在連續箱梁橋的邊孔現澆段、L/4截面附近或者腹板厚度變化區段。腹板斜裂縫隨著時間的推移從支座附近不斷向受壓區發展,裂縫數也不斷增加,且裂縫區逐漸向跨中方向擴展。從裂縫的總體分布特征來看,此類裂縫多處于與腹板內主拉應力垂直的方向,基本可以確定為是主拉應力超出混凝土抗拉極限強度所導致的開裂裂縫1.1門梁橋腹部板的垂直垂直精混合鋼鏈的固定收縮損失很大箱梁橋腹板產生斜裂縫的最主要原因在于豎向有效預應力不足,甚至在局部腹板完全損失殆盡1.2豎向預應力筋孔道面積占比增1985年12月位于英國南威爾士的Ynys-yGwas橋發生倒塌,倒塌原因為預應力孔道灌漿質量不足,部分縱向鋼絞線銹蝕。事后檢查發現:38根縱向和橫向預應力孔道中,26根孔道符合設計標準,12根孔道存在不同程度的局部空洞或全空現象。在國內,同樣有預應力混凝土橋梁灌漿不實的報道。錢江三橋倒塌事故發生后,國內研究人員對錢江三橋豎向預應力筋的壓漿質量隨機抽檢了35根,結果表明:無漿的占71.42%;不飽滿的占11.42%;開孔流水的占40%近年來,真空灌漿技術為了追求箱梁橋的穩定性,近年來箱梁橋的發展趨勢以寬箱薄壁為主導。目前大部分跨徑在100m以內的箱梁橋腹板厚度一般從跨中的40cm左右漸變到支座處70cm左右。腹板的薄壁化趨勢使得豎向預應力筋孔道所占的截面面積比例增大。以一個50cm厚的腹板截面為例:若采用雙排布置的直徑d=32mm的精軋螺紋鋼施加豎向預應力,則需要兩個直徑不小于64mm的孔道,豎向孔道面積占截面面積的25%左右。若考慮到縱向孔道也會通過此截面,則該比例還會進一步增大。由于一座橋的箱梁腹板共幾百個豎向孔道,豎向孔道壓漿質量問題無法完全避免,因此孔道中空會對薄壁腹板帶來兩個問題:一是豎向孔道壓漿不密實(尤其是全空時)會減小有效受力面積,增大截面的正應力和剪應力2緩慢連接和低收縮預測短盒一種新型的緩粘結低回縮預應力短索(簡稱緩粘結預應力短索)體系如圖2所示,應用該體系會給預應力混凝土箱梁橋腹板帶來如下優勢:(1)豎向預應力二次張拉錨固體系的研究應用緩粘結預應力短索體系將有助于減小豎向預應力損失,增大豎向有效預應力。由于鋼絞線在傳統夾片式錨固體系下錨固回縮量很大,在以往的箱梁橋施工中應用精軋螺紋鋼是施加豎向預應力的唯一手段。但是,近年來出現了一種新型的二次張拉低回縮鋼絞線豎向預應力短索錨固體系常用鋼絞線的極限抗拉強度為1860MPa,施加豎向預應力的精軋螺紋鋼的極限抗拉強度一般為930MPa,且預應力鋼絞線的彈性模量較螺紋鋼更低。這就使得在充分利用其極限抗拉強度的情況下,鋼絞線的張拉伸長量為精軋螺紋鋼的張拉伸長量2倍左右。因此當鋼絞線采用低回縮錨固體系時,其錨固回縮量與張拉伸長量的比值會顯著小于精軋螺紋鋼體系的錨固回縮量與張拉伸長量比值,更利于有效預應力的保存。二次張拉低回縮鋼絞線豎向預應力短索錨固體系在文明特大橋箱梁橋腹板豎向預應力施工中得到了采用。經現場施工檢測發現,文明特大橋短束鋼絞線豎向預應力二次張拉后的損失基本在10%左右(2)預應力筋的使用應用緩粘結預應力短索不存在豎向壓漿質量問題。緩粘結預應力筋采用了在聚乙烯護套和鋼絞線之間填充環氧樹脂的粘結方式,因此在早期也被稱為預灌漿預應力筋。使用緩粘結預應力筋可以保證所有的豎向預應力筋粘結可靠,耐久性能良好。此外,采用緩粘結預應力體系能在現場施工中節省豎向孔道壓漿的全部工時,這對于追求高效施工也是有益的。(3)第二、壓力大的緩粘結鋼絞線應用緩粘結預應力短索技術可減少對控制截面的削弱,這來自于兩個方面:一是緩粘結筋在控制截面內占用的面積將遠小于精軋螺紋鋼,如一根直徑為28.6mm的19股緩粘結鋼絞線(公稱截面面積為532.4mm3豎向預應力監控《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTGD62—2012)(簡稱混凝土橋涵設計規范)中的豎向預應力計算公式如下:式中:σ其中σ解決豎向預應力不足的關鍵問題是實現預應力短索測控一體,通過對張拉過程中的數據進行監控來提高張拉質量。下文將給出緩粘結預應力短索基于測控一體的張拉方法,測控一體張拉系統的必要組成部分除了受力單元外,還必須將數控千斤頂和位移傳感器相結合,通過計算機實時監控張拉力與位移的相關關系,并要求主機可以進行實時計算分析和力-位移曲線擬合。3.1單次張拉施工由于必須保證錨杯中螺紋與支承螺母咬合長度符合要求,而短索的張拉伸長量則與其長度成正比,因此需首先針對短索的長度進行判別,當符合下式時可進行單次張拉作業,否則應進行二次張拉作業:式中:H以螺紋有效高度H緩粘結預應力短索單次張拉的安裝示意圖見圖3,單次張拉的施工工序是:張拉鋼絞線至0.5σ在張拉過程中,應持續測量張拉伸長量和張拉力。當以拉線式或反射式位移傳感器測量千斤頂缸體位置變化值作為測量手段時,測量公式如下:式中:ΔL為張拉實測伸長量,mm;ΔL張拉理論伸長量即為從0.5σ需要強調的是,在張拉過程中不可省略“張拉鋼絞線至0.5σ3.2伸長量的檢測對于箱梁橋靠近支座的部位,其豎向索長度增長較快,故其ΔL緩粘結預應力短索二次張拉的順序是:張拉鋼絞線至設計的應力值0.8σ其中,前三步為第一次張拉的張拉過程,其后為第二次張拉過程。由于第一次張拉的過程主要作用是為第二次張拉消除部分張拉伸長量,因此,不必過于關注該次張拉過程中的力與伸長量是否匹配的問題,只需要滿足下式要求即可:式中:ΔL式(4)的要求等同于單次張拉過程中加載至0.5σ第二次張拉過程中應持續測量張拉伸長量和張拉力,此時測量公式如下:式中:ΔL為張拉實測伸長量,mm;ΔL由于第一次張拉后鋼絞線中已存在較高的預應力,第二次張拉理論伸長量計算公式如下:式中:ΔLσ將實測伸長量與理論伸長量進行比較,其誤差應在1mm之內,否則,應暫停張拉,待查明原因后方可繼續張拉施工。3.3張拉體系的預期目標采用緩粘結預應力短索體系會使鋼絞線的錨固回縮量得到極大的控制,錨固回縮損失小于使用精軋螺紋鋼體系的錨固回縮損失,提高了豎向有效預應力σ采用了測控一體的張拉方法能大幅減小張拉誤差,在張拉誤差減小后,同一組箱梁橋腹板中豎向預應力筋有效預應力的方差將會得到很好的控制。這就可以使整組箱梁橋腹板中的豎向預應力在完成全部損失后,與設計者計算的結果更為吻合。該體系的預期目標是使式(1)中的折減系數從0.6提高到0.9。綜上所述,基于測控一體的緩粘結低回縮預應力短索體系可以大幅提高箱梁橋腹板在使用階段的存留有效預應力。4預應力短索體系在橋梁施工中的效果將基于測控一體的緩粘結低回縮預應力短索體系應用于預應力混凝土箱梁橋,會給其帶來以下優勢:1)大幅提高箱梁橋腹板在使用階段的存留有效預應力;2)較小直徑的緩粘結預應力筋減小了對構件截面的削弱;3)外覆環氧樹脂和聚乙烯護套使得緩粘結預應力短索體系在橋梁中擁有良好的耐久性;4)應用目前橋梁施工中的張拉設備即可完成基