預應力施工對鐵路客運專線箱梁線形控制的影響

京石鐵路專業線路最大運營速度為350km。h、使用壽命為100年。公司對箱梁的線性控制要求非常嚴格。對二期恒載160kN/m~180kN/m的32m后張箱梁而言,扣除梁體836.8t自重后預應力產生的上拱度為11.53mm~11.64mm,終張拉30d上拱度最大為10.5mm,靜活載撓度最大為跨度的1/5278~1/5107,因此對箱梁線形控制的最重要因素——施工中的預應力瞬時損失進行分析,制訂切實可行的控制措施將有效地提高箱梁質量。1預測預測立即損失的分析1.1梁體應力松弛l3、l3根據預應力損失的時效來分,有瞬時損失和長期損失。其中瞬時損失主要是管道摩阻σL1、錨具變形和力筋回縮σL2、臺座與力筋間的溫度差σL3、混凝土的彈性壓縮σL4;長期損失主要是力筋的應力松弛σL5、梁體混凝土的收縮和徐變σL6。其中溫度差損失是針對先張梁而言,本文中僅討論后張梁的預應力瞬時損失σL3,即σL1、σL2、σL4。1.2管道摩阻損失后張梁每100孔要進行一次管道摩阻、錨口摩阻損失現場測試,涿州制梁場的三次測試結果見表1,設計方根據測試報告核算并調整了理論錨下控制應力,從而防止計算預應力損失偏小帶來結構安全隱患。根據TB10002.3-2005,管道摩阻損失按式1計算:式中σL1為管道摩阻損失;σcon為錨下控制應力;θ為曲線包角;x為管道長度;μ為力筋與管道壁之間的摩擦系數;為k每m管道對其設計位置的偏差系數。后張梁張拉時,由于力筋與管道壁接觸并沿管道滑動而產生摩擦阻力,摩阻損失可分為彎道影響和管道走動影響兩部分。顯然,曲線段比直線段的管道摩阻損失大得多。力筋過長或彎曲過多都會造成力筋的管道摩擦損失,特別是彎曲多、彎曲半徑小、彎曲角度較大的力筋,在兩端張拉時中段的有效預應力損失很大。另外管道在錨口處也存在應力損失,有力筋與錨圈口之間的摩擦、力筋在錨下墊板喇叭口處因彎折產生的摩擦。采用因素分析法對220孔箱梁的管道摩阻損失影響因素進行排查,主要影響因素見表2。1.3前張梁力筋受力分析由錨具變形和力筋回縮引起的應力損失按式2計算:后張梁的管道空間曲線較復雜,是由多段不同曲率的曲線組成的,因此必須考慮管道壁的反向摩阻,此時可按式3變形協調條件來分段計算:式2,式3中σL2為錨具變形和力縮損失;PE為力筋彈性模量;?L2為錨具變形和力筋回縮值;L為力筋有效長度;fL為反向摩擦影響長度。一般后張梁的力筋布置形式是“直線(梁端)—圓曲線—直線(跨中)”,以箱梁的N10力筋為例,可用圖1表示。設0L為梁端力筋直線段長度,反向摩擦影響終點位于圓曲線上,由錨具變形和力筋回縮引起的梁端預應力損失按式4計算:對錨具變形和力筋回縮損失的影響因素進行排查,主要影響因素見表3。1.4拉張拉預應力筋影響梁體混凝土彈性壓縮損失主要是由力筋分批張拉引起的。出于后張梁制梁工藝的要求,為了避免出現早期裂紋要進行預張拉,為了加快制梁臺座利用率而移梁要進行初張拉,最后在滿足彈模、齡期、時間的要求下才進行終張拉,先張拉的力筋相對后張拉的力筋會對梁體混凝土產生正應力。混凝土彈性壓縮損失可按式5計算:式中Pn為力筋彈性模量與混凝土彈性模量之比;Z為后張拉力筋根數;?σC為先張拉力筋合力相對單根后張拉力筋產生的混凝土正應力,一般取跨度1/4處應力。對于一個混凝土受壓構件來說,在長度、壓力、截面積一定的情況下,構件的壓縮變形與其彈性模量成反比,即混凝土彈性模量越大,梁體的壓縮量就越小,?σC越小。由此可見,梁體混凝土的彈性壓縮損失主要取決于梁體混凝土及力筋的彈性模量、張拉順序和張拉噸位。一般情況下,只要終張拉時梁體的彈性模量滿足設計要求,實測彈性壓縮損失往往小于設計值。對梁體混凝土彈性壓縮損失的影響因素進行排查,主要影響因素見表4。2預測不可避免損失的控制措施2.1管道密封損失控制措施針對表2中管道、力筋、混凝土三個方面的原因分析,結合9600余次張拉數據的統計分析、質量問題總結,制訂了四個方面的相應控制措施。2.1.1伸長值理論分析預應力施工“雙控”以應力控制為主,以伸長值作為校核,實際伸長值與理論伸長值的差值控制在6%以內,否則要暫停張拉查明原因。因此,控制管道損失的前提是要正確計算伸長值,包括理論伸長值和實際伸長值的計算。在計算理論伸長值的過程中,需要注意兩點:伸長值和力筋長度要分段計算,可采用定位網坐標或CAD三維繪圖求長近似計算,如果僅按設計圖紙給出的伸長值,或按圖紙上所標示的曲線包角計算的話,計算結果有1mm~3mm的偏差。曲線包角可理解為張拉端到計算截面管道各部分的轉角絕對值之和,要分清正負角度及曲線角度的概念;要考慮力筋的彈性模量對理論伸長值的影響。每批不大于60t的力筋都必須進行力學性能試驗,并將其彈性模量的比值反映到理論伸長值中。假設其理論伸長值?L0,實測力筋彈模與設計力筋彈模之比K1,實測管道摩阻系數與設計管道摩阻系數之比K2,參照圖2實際伸長值?L可按式6計算。式中?a即兩端力筋的伸長量之和,?b是兩端力筋錨固后工具錨夾片的回縮量之和。兩端伸長量相差不得超過10%,否則說明兩端張拉不同步。2.1.2管道定位安裝定位網片采用點焊加工,網眼尺寸誤差小于等于3mm,按加工精度的高低分類依次有:整體加工,即每孔梁的68道定位網提前在胎具上焊成整體,整體放置即可;分體加工后焊接,即分成底板、兩側腹板三部分,在卡具上再焊成整體;分塊加工后拼裝,即分成2m左右一塊,依使用部分不同分別拼裝焊接。管道定位的精度要求是距跨中4m范圍內偏差小于等于4mm,其余部位小于等于6mm。定位網安裝的要求是“聯結牢固、管道平順、定位準確、綁扎牢固”,管道定位注意的事項有:綁扎區場坪要重視地面標高控制,做好排水設施,防止地表下沉導致變形過大。胎卡具上的標高、間距定位要準確,每生產10孔梁要進行一次校核;定位網的檢測使用水準儀結合尺桿定位,對N9、N10等較高位置管道使用水準儀抄高,對低位置管道使用帶刻度的尺桿配合水平尺抄高。2.1.3機械牽引、人工配合力筋下料后要保持整潔、順直存放,用20#匝絲每隔1m~1.5m一道綁扎編束。穿束前先清理管道,遇死彎鑿開后要用鐵皮包裹隔開再行修復。穿束采用機械牽引、人工配合。鋼束頭原有處理方法是焊接后直接穿鋼絲繩,弊病較多;現場研究后改用自制穿束牽引器(圖3),利用錐體受力將力筋錨固,效果較好。2.1.4灌注部位使用振動器、混凝土灌注攪拌站的自動計量系統要堅持“三檢”,混凝土要攪拌均勻以保持塌落度的穩定。混凝土灌注入模時下料要均勻,每次振搗按混凝土所灌注的部位使用插入式振動器和相應區段上的附著式振動器,振動棒不得碰撞橡膠抽拔棒、不得長時間停留。混凝土灌注過程中,指定專人檢查模板、鋼筋、預埋件的設置情況,發現松動則及時擰緊,以防模板上浮或移位造成管道偏移。拔管在混凝土澆筑后4h~6h內自下而上進行。同時拔棒不超過3根,拔出速度均勻,拔出后及時清污、避免重壓;每個月要檢測其直徑,減少達3mm的應予以更換。2.2預應力筋張拉和壓車針對表2錨具變形和力筋受損兩個方面的原因分析,制訂了對應控制措施如下。避免同一孔箱梁使用不同廠家產品。同一孔箱梁所使用的工作錨、限位板和工具錨必須為同一廠家的產品,否則錨具變形引起的應力損失非常大;彈性模量不同的力筋不得用于同一孔梁;當同一孔梁使用彈性模量相同、批次不同的力筋時,采取兩側對稱穿束。比如,直徑15.2mm的力筋對應的限位板槽深為8mm,廠家建議力筋直徑增加0.1mm槽深增加0.4mm,即直徑15.3mm的力筋一定要配套使用8.4mm的限位板。切實執行張拉工器具使用前檢驗程序。千斤頂、油壓表配套使用,千斤頂標定有效期不超過一個月,校正系數不大于1.05;油壓表標定有效期不超過一周。工作夾片與工具夾片分開存放,使用前必須檢查其無裂痕、無損傷。冬季施工搞好保溫措施。北方地區冬季張拉時頂壓不穩,張拉時間長、不同步率大。建議經常清理油箱、泵體、管路,改用46#低溫液壓油;未工作期間將油泵、千斤頂和油壓表放置室內,工作時油泵下用電爐加熱到50℃左右。2.3側模及內模的下沉及時準確進行彈性模量檢測。要避免因彈性模量試驗時間長,抽檢試件數量少不具有代表性;并且每批進場的力筋要及時外委送檢,考慮彈性壓縮損失時要計入彈模比。定期檢修模板防止梁體高厚比超標。施工中發現每套側模制梁15孔時即有下沉,導致了腹板加厚,處理方法是在側模下增加支撐。另外,防止內模的整體上浮也很重要。端模的螺栓數量要足,以便內模上浮力能傳遞到底模和側模;對上浮力大的內模,必要時在橋面上增加與側模相連的橫梁以壓住內模;同時加強箱內定位銷的檢查,以防內模松動下沉。嚴格執行張拉設計工藝,不得擅自改動張拉順序,并且按張拉前“三控”、張拉中“三控”和“三同心、兩同步”進行控制。張拉時可由專人指揮,加載時每隔0.5MPa或1.0MPa讀數,伸長值測量人員按編號報數,盡可能保持兩端、兩側同步。3管道摩阻及探索箱梁預應力瞬時損失有三類:管道摩阻、錨具變形和力筋回縮、混凝土的彈性壓縮,本文給出了較合理的計算公式,并分析了