保证箱梁桥竖向预应力筋有效预应力的探讨

保证箱梁桥竖向预应力筋有效预应力的探讨 保证箱梁桥竖向预应力筋有效预应力的探 讨 2010年3月 第3期(总138) 铁道工程 JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETY Mar20l0 NO.3(Ser.138) 文章编号:1006—2106(2010)03—0052—05 保证箱梁桥竖向预应力筋有效预应力的探 徐华轩 (中铁十六局集团有限公司,北京100018) 讨 摘要:研究目的:通过理论分析,试验,实践,研究混凝土箱梁腹板内竖向预应力筋预应力损失大,作用效果差 的成因,提出对策与措施,以保证竖向预应力作用效果,避免腹板出现主拉应力裂纹. 研究结论: 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中,对竖向筋控制应力与屈服强度的比值进行控制;计算由锚具变形和缝隙压缩等引起的 预应力损失时,取1.65mro的回缩值;增加由锚垫板安装误差引起的预应力损失,并取3.3mm的回缩值;考 虑混凝土和水泥浆水化热引起的预应力损失,施工中重视施工工艺的改进和完善;控制锚垫板安装倾角误差, 做到"两平一直",控制锚垫板与螺帽的夹角在1.以内;使用扭矩扳手拧紧螺帽,对632和币25竖向筋的锚固 扭矩分别取1200N?m和600N?m;采取二次张拉和超张拉工艺;前段梁与后段梁连接处的4组竖向筋与 后段梁的竖向筋同步张拉. 关键词:预应力混凝土;箱梁;竖向预应力;预应力损失;控制 中图分类号:U445.4文献标识码:A DiscussionontheMeasuresforGuaranteeingEffectivePrestressofVertical PrestressedReinforcementofBoxGirderBridge XUHna—xuan (ChinaRailway16thGroupCo.Ltd.,Beijing100018,China) Abstract:Researchpurposes:Basedonthetheoreticanalysis,testandpractice,theresearchisdoneonthereasons f0rthebigpretresslossandpooreffectofprestressedreinforcementofthewebplateofconcreteboxgirder,andthe measuresforthemarepresentedtoguaranteetheeffectoftheve~iealprestressandavoidtheappearanceofstresscrack onthewebplate. Researchconclusions:Indesign,theratiobetweenthestressandyielddegreeofverticalreinforcementshouldbe controlled.Thereboundvalueof1.65mmshouldbeadoptedwhencalculatingthestresslOSScausedbyanchor deformationandgapcompression.Thestresslosscausedbyinstallationerrorofanchorbackershouldbeaddedandthe reboundof3.3mmshouldbeused.ThestresslOSScausedbywaterthermalizationofconcreteandeementgroutshould beconsideredandtheattentionshouldbepaidtoimprovementoftheconstructiontechniqueinconstruction.Theerrorof inclineangleshouldbecontrolledtomaketwoflatandonestraightandmaketheincludedanglewithin1.wheninstalling theanchorbacker.Theanchortorqueof1200N?mand600N?mwithtorquespannershouldbeusedto632 reinforcementand+25reinforcement.Thetensionandsupertensiontechniquesshouldbeused.Thefourgroupsof verticalreinforcementsonthejointplaceofthefrontpartandtherearpartofthegirderandthere inforcementsonthe rearpartofthegirdershouldbetensedatthesametime. Keywords:prestressedconcrete;boxgirder;verticalstress;prestrsessloss;control 收稿日期:2009—08—29 作者简介:徐华轩,男,1969年出生,高级工程师,中铁十六局集团有限公司哈齐客运 专线项目部总工程师. 第3期徐华轩:保证箱梁桥竖向预应力筋有效预应力的探讨53 随着交通基础设施建设步伐的不断加快,预应力 混凝土连续(刚构)箱梁桥因具有跨越能力较大,建造 成本较低等优点,近年来发展迅速.为了控制箱梁腹 板主拉应力和防止箱梁腹板开裂,在腹板内设置竖向 预应力钢筋是结构设计的重要措施.但在施工,运营 过程中仍存在不同程度的箱梁腹板开裂现象,这种现 象在大跨径连续梁桥中更加明显. 因高强度精轧螺纹钢筋施工工艺简单,经济性好, 常作为箱梁腹板的竖向预应力筋.但在实际应用中, 设计施工中的许多因素可能造成精轧螺纹钢筋预应力 损失过大或失效,使实际的永存预应力低于预期值,竖 向预应力筋起不到应有的作用,造成腹板出现主拉应 力裂缝,对桥梁的刚度和耐久性产生不利影响,降低桥 梁使用寿命,并存在安全隐患. 近年来,上述问题已引起国内外的广泛重视,国内 外学者致力于预应力损失的研究,并提出了多种确定 预应力损失的方法.但是,国内外对预应力损失的研 究,一般主要针对的是桥梁的纵向预应力损失,而对竖 向预应力损失的研究,国内外的相关文献报导还较少. 目前,关于竖向预应力的研究从已发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的研究成果来 看,主要有:竖向预应力施工工艺及测试手段,竖向预 应力缺陷分析,处治及改进建议,竖向预应力设计参数 及指标的理论分析,无粘结竖向预应力技术研究,竖向 预应力的有效设置方法研究等.由此可见,对竖向预 应力所做的研究还不够系统,深入和全面,有待进一步 提高. 本文基于现场长期实践和试验,结合已有研究成 果,提出了保证预应力混凝土箱梁竖向预应力有效预 应力的若干措施,以期为设计和施工提供参考. 1影响竖向预应力钢筋有效预应力的 因素分析 近年来不少学者对确定预应力损失的方法进行了 大量研究,但由于砂石等材料特性,外界环境,锚固损 失,施工工艺,水泥浆水化热,施工设备性能等都会影 响竖向预应力钢筋的有效预应力值,这些因素对竖向 钢筋预应力损失的影响程度仍需要进行深入,系统的 研究. 由于竖向预应力体系安装中操作不认真造成浇注 混凝土后锚垫板与预应力钢筋不垂直,在张拉过程中 操作不细致而使千斤顶,拉杆与预应力钢筋的中心没 有保持在同一直线上,在锚固中螺帽没有拧紧到位,在 超张拉,二次张拉和2次张拉时间间隔上没有认真研 究,在张拉时机选择上没有全面考虑,在预应力管道压 浆水化热控制上不够重视等,这些因素的综合作用造 成竖向预应力损失过大而达不到设计要求,从而造成 箱梁腹板开裂 2保证竖向预应力钢筋有效预应力的 措施 根据多年研究试验研究成果和现场施工实践,采 取如下综合措施,可以有效保证竖向预应力的作用 效果. 2.1对精轧螺纹钢筋控制应力与屈服强度的比值进 行控制 张拉锚固过程是在利用千斤顶施加控制张拉力的 基础上,利用扳手施加扭矩拧紧螺母进行锚固.施加 一 定扭矩后,对竖向预应力钢筋产生附加张拉力,扭矩 产生的附加张拉力预先压缩了螺母,锚垫板,混凝土之 间的缝隙,限制了钢筋的回缩量,减少了应力损失.扳 手施加到螺母上的拧紧扭矩T与施加扭矩后轴向力 的变化Q之间存在关系式:T=K×QXd(d为钢筋直 径,K为扭矩系数).根据其式,与Q之间存在对应 关系,当K值确定时,与Q呈线性关系.随着锚固 扭矩逐步增大,附加张拉力逐步压缩了螺母,锚垫板, 混凝土之间的缝隙,由这些缝隙引起的钢筋预应力损 失逐步减小,当锚固扭矩达到一定程度时,应力损失值 可减少到理想程度(5%Or"以内).但随着锚固扭矩增 大,精轧螺纹钢筋锚固应力瞬时值上升较大,在此情况 下,容易使瞬时应力接近或超过钢筋的屈服强度而发 生破坏. 因此,建议在设计中适当控制精轧螺纹钢筋锚下 控制应力,以便在施工中适当增大锚固扭矩,减小钢筋 预应力损失的前提下,还能保证钢筋的安全可靠. 2.2加强锚固螺母与锚垫板的安装质量控制 箱梁腹板中配置的精轧螺纹钢筋直径多为+32 和+25,长度一般为3—10m,张拉伸长量较小,对短筋 更是如此.根据锚固损失计算式:=E×?/L,在接 触面缝隙?值一定的情况下,钢筋长度L值较小时, 锚固应力损失值就大,有效预应力就小.影响接触 面缝隙?值的主要因素有:钢筋上螺纹与螺母的间隙 及变形1mm左右;螺母与垫板的间隙及变形.若螺 母与垫板为球形接触,在施工工艺不当的情况下(如 张拉过程中锚垫板与钢筋的垂直度,锚垫板与钢筋及 千斤顶的同心度偏差过大),该接触面会造成3,5mm 以上的损失.据查,斜面接触的初衷是将螺母上张拉 力向四周分布,扩散锚下的局部力.但这种球面接触 存在如下缺点:首先对预应力筋,锚垫板的安装精度要 求高,容易造成锚固时螺母拧不到位,放张时回缩较 大;其次,由于锚垫板和竖向筋通常是临时固定在钢筋 54铁道工程2010年3月 骨架上,施工中多种原因都可造成其移动,而使竖向筋 中心与垫板球面中心不一致.而施工中若要减少螺母 与垫板之问的间隙和变形,则对施工质量控制要求较 高,从而在施工中很难实现. 根据实测,在目前的工艺水平下,计算由锚具变 形,钢筋回缩和缝隙压缩引起的竖向预应力钢筋预应 力损失时,取1.65mm的回缩值比较切合实际. 2.3重视锚垫板安装倾角对预应力损失的影响 根据对多座大桥施工过程中竖向预应力钢筋锚垫 板安装情况的调查,运用概率统计程序对采集的大量 随机样本数据进行统计整理和概率分析后,得到如下 结论: (1)实测的钢筋回缩量与通过锚固预应力损失公 式(AL=tan0×D/2+1,其中0为螺母与锚垫板因安 装误差存在的夹角,D为螺帽直径)计算的回缩量吻合 程度很高,表明试验中采用数显倾角仪采集的数据稳 定可靠.实测数据显示:锚垫板安装质量较差,倾角误 差普遍偏大,个体差异较大,离散程度较高,最大值达 8.. (2)锚垫板安装倾角引起螺母与垫板之问的缝隙 超过一定数值后,在锚固过程中并不能被轴向压力完 全压紧,且在千斤顶放张后也不能被完全压紧.其中 当安装倾角在0—4.之间变化时,钢筋回缩量与安装 倾角呈线性关系;当安装倾角大于5.后回缩量明显增 大,并可能使竖向预应力钢筋进入塑性变形状态或被 拉断,从而彻底失去作用,放张前后的锚具和精轧螺纹 钢筋变化情况如图1和图2所示. 图1放张前锚具图 图2放张后锚具图 (3)竖向预应力锚垫板安装倾角总体分布为: P=0.741,Z:0_95=4.75.,即总体分布小于3.的概 率P,=0.741,满足可靠度0.95的角度Z:0_9= 4.75..很明显,若以安装倾角4.75.计算预应力损 失,比铁路和公路 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 规定值都要大. (4)锚固应力损失与垫板安装倾角的大小有直接 关系,同一长度钢筋的锚固应力损失随垫板安装倾角 增大而增大.对于锚垫板安装倾角相同的钢筋,钢筋 越短锚固应力损失越大.根据实测,某些情况下,当垫 板安装倾角为0.(钢筋长度4.5m)时,锚固应力损失 达到设计张拉力的13%;当垫板安装倾角为5.(钢筋 长度2.5m)时,锚固应力损失为设计张拉力的57%. (5)根据回归分析,垫板安装倾角0与钢筋回缩 长度?间的关系式为: AL=0.010504—0. 09380+0.265802+ 0.07080+1.65(1) 根据式(1),表1给出锚固过程中钢筋回缩量与 垫板倾角间的关系值. 表1锚固过程中钢筋回缩量与垫板倾角间的关系 /mm12023262935钢筋回缩量1.71.1.1.1.1. 根据式(1)还可计算得到:满足工程可靠度为 0.95的锚垫板在安装倾角为Z:=4.75.时的钢筋 回缩长度?0:475=3.3mm. 综上所述,在设计计算竖向预应力钢筋预应力损 失时,应重视锚垫板安装误差引起的损失,在施工中控 制锚垫板安装倾角误差,保证两端锚垫板平面与竖向 预应力钢筋尽量垂直并定位牢固,做到"两平一直", 力争将锚垫板与螺帽的实际夹角控制在1.以内. 2.4使用扭矩扳手按一定的扭矩锚固拧紧螺帽 在拧紧螺母进行锚固的过程中,目前缺少明确标 准而仅由工人凭经验来锁紧.竖向预应力钢筋的锚固 端设在桥面预留槽内,锚固时工人要屈身用扳手拧紧 螺帽,若预留槽深而窄,施力较困难,则难以拧紧螺帽, 拧紧螺帽的扭矩产生的压力不足以把螺母与垫板间的 缝隙压紧,造成放张后钢筋回缩,从而产生较大的锚固 应力损失.根据试验,锚固中对螺帽施加确定扭矩的 工艺措施能较好地解决这一问题.具体做法是:竖向 预应力钢筋张拉到设计荷载并满足锚固条件后,使用 经过标定的扭矩扳手,均匀施加确定的扭矩拧紧螺帽, 然后放张千斤顶.根据测试,采用该法后锚固应力损 失有明显改善,并随着锚固扭矩值的增大而逐步减小, 且两者之间呈良好的线性关系. 需综合考虑操作的可行性,附加张拉力p和钢筋 第3期徐华轩:保证箱梁桥竖向预应力筋有效预应力的探讨55 直径D及张拉力确定锚固扭矩.现场测试表明,对 于非机械施加扭矩,长度1.8111的扭矩扳手由2人完 成大于1200N?ITI的扭矩难度较大,而且施加更大的 扭矩时因容易出现打滑而无法实施.假定将其最大值 定为1200N?in,根据公式T=K×p×D,当取钢筋扭 矩系数K=1.65,扭矩T=1200N?m时,对应+32, 担5预应力钢筋产生的附加力分别为p=22.7kN和 9=29.1kN,换算应力分别为=28.2MPa和= 59.3MPa.假定预应力钢筋抗拉强度为850MPa,锚 固扭矩产生的附加应力与抗拉强度的比值分别为3% 和7%,因为对锚固螺帽拧紧的过程,实际上是对竖向 预应力钢筋超张拉的过程,过大的扭矩会对其产生较 大的附加张拉力,该附加力可能会使预应力筋发生屈 服破坏而对结构安全不利.而1200N?ITI的锚固扭 矩对632的钢筋比较合适,但对于4,25钢筋显然不 合适. 根据上述分析,结合现场试验,对4,32和+25精 轧螺纹钢筋的锚固扭矩分别取1200N?m和600N?1TI, 比较符合工程实际.试验表明,扭矩扳手比其它方式 拧紧效果要好得多,可以将锚固应力损失控制在设计 张拉力的5%以内,而且现场操作简单. 2.5其它施工措施 2.5.1超张拉 在竖向预应力钢筋的张拉施工中,可进行适当超 张拉,以减小锚固和松弛应力损失.超张拉虽可提高 永存预应力,但在张拉锚固过程中,要注意控制其瞬间 最大应力,并满足设计和规范要求. 2.5.2二次张拉及2次张拉时间间隔的确定 为保证竖向预应力钢筋有效预应力,可采用二次 张拉工艺.二次张拉可起到如下作用:减少钢筋松弛 引起的预应力损失;预防施工中出现漏拉,欠拉现象; 补偿混凝土收缩徐变引起的预应力损失. 根据试验,张拉后的竖向预应力在锚固后的第一 周损失最大,占总损失的80%以上;2周后明显趋缓, 占总损失的90%以上;1个月后曲线平缓,张拉应力基 本稳定,即此后的预应力损失有限.该损失主要由精 轧螺纹钢筋松弛,混凝土收缩徐变引起,采取二次张拉 的方法可以部分消除,考虑到施工实际以及预应力钢 筋张拉后为防止预应力钢筋锈蚀应及时进行压浆的要 求,在设计许可的情况下,在压浆前可进行二次张拉以 增加有效预应力值. 2.5.3把握好张拉时机 对悬臂施工的连续梁,普遍做法是在张拉纵向预 应力束的同时分段张拉竖向筋.据分析,若按该方法 张拉悬浇梁竖向筋,由于后施工梁段的竖向预应力能 扩散到前施工梁段的临近腹板,在与后施工梁段相接 处的前施工梁段的腹板内产生一个竖向压应力较大的 区域;相反,因为前施工梁段的竖向预应力对后施工梁 段的腹板没有任何作用,后施工梁段与前施工梁段临 近区域内存在着一个竖向压应力较小的区域,即"应 力空白区".因此,竖向预应力筋分段张拉将在箱梁 腹板内产生间隔性的"应力空白区",这种现象与竖向 预应力的损失无关,提高有效预应力并不能消除这种 "应力空白区".因此,前施工梁段与后施工梁段连接 处的4组以上竖向预应力钢筋应与后施工梁段的竖向 预应力钢筋同步张拉. 2.5.4张拉锚固过程中尽量做到"三轴同心" 张拉时应使千斤顶,拉杆与预应力筋的中心尽量 保持在同一直线上,否则要调整或重新安装,以减少张 拉回缩量. 2.5.5重视混凝土和水泥浆水化热对竖向预应力的 影响 如果在梁段混凝土由于水化热产生的温度场还未 稳定的情况下张拉预应力钢筋会使梁段混凝土水化释 放出的热量传递到预应力钢筋上,而导致钢筋温度升 高.由于混凝土和预应力钢筋的线膨胀系数相近,随 着梁体温度趋于稳定,对张拉锚固后的竖向预应力钢 筋的预应力损失影响较小.但管道内压浆后,在浆体 固化过程中,浆体产生水化热,此时浆体的强度,弹性 模量较低,预应力钢筋受热后相对自由地膨胀,由于预 应力钢筋的两端已锚固,长度不变,因此其应力将随温 度升高而降低.待管道内水泥浆有较高强度和弹性模 量并与预应力钢筋黏结成整体后,随着浆体温度降低, 浆体将传递部分原锚下应力,预应力钢筋的锚下应力 则不能恢复到原有水平,预应力钢筋内应力分布发生 变化,因此应对孔道压浆使用浆体的水化温度进行适 当控制.根据计算,若温差为?,则该损失为2AT,按 保守估计取?=10?,则该损失可达20MPa,可见不 容忽视. 另外,观测表明日照温差也会对腹板外侧竖向预 应力筋的预应力产生影响,但对腹板内侧竖向预应力 筋的预应力影响不大. 3结论 通过探讨,得出如下结论: (1)结合工程实际,对影响箱梁腹板竖向预应力 损失的各项因素进行长期,深入,系统的现场试验研 究,以便合理准确地确定箱梁腹板竖向预应力损失的 因素和影响程度. (2)为保证有效预应力,需要进一步完善设计. 56铁道工程2010年3月 对精轧螺纹钢筋控制应力与屈服强度的比值进行控 制.计算由锚具变形,钢筋回缩和缝隙压缩引起的预 应力损失时,取1.65mm的回缩值.计算竖向筋预应 力损失时,应增加由锚垫板安装误差引起的损失,并取 3.3mm的回缩值.对混凝土和水泥浆水化热引起的 竖向预应力损失,要充分考虑. (3)为保证有效预应力,需要进一步改进和完善 施工工艺.施工中高度重视施工工艺的改进和完善, 并通过现场试验,采取有针对性的施工措施.控制锚 垫板安装倾角误差,保证两端锚垫板平面与竖向预应 力钢筋尽量垂直并定位牢固,做到"两平一直"和"三 轴同心",力争将锚垫板与螺帽的实际夹角控制在1. 以内.使用扭矩扳手拧紧螺帽,对+32和+25精轧螺 纹钢筋的锚固扭矩分别取值1200N?m和600N?m. 采取二次张拉和超张拉工艺,也是保证竖向筋预应力 的有效措施.前施工梁段与后施工梁段连接处的4组 竖向预应力钢筋应与后施工梁段的竖向预应力钢筋同 步张拉. 参考文献: [1]刘学伟.竖向预应力钢筋锚垫板安装倾角对预应力损失 的影响[D].长沙:湖南科技大学,2008. LiuXuewei.InflunceofVerticalPrestressedSteel AnchorBackingPlateInstallatedDiponPrestressed Loss[D].Changsha:HunanUniversityofScienceand Technology,2008. [2]方志,汪剑.预应力混凝土箱梁桥竖向预应力损失的实 测与分析[J].土木工程,2006(7):78—84. FangZhi,WangJian.VerticalPrestressingLossinthe BoxGirderofLong—spanPCContinuousBridges[J]. ChinaCiviIEngineeringJournal,2006(7):78—84. [3]陈礼彪.下白石特大桥竖向预应力钢筋施工工艺与测试 [J].公路,2003(9):21—22. 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