先張法預應力混凝土橋梁壓漿質量與耐久性的調查

先張法預應力混凝土橋梁壓漿質量與耐久性的調查

1張拉臺座的結構與性能根據(jù)預制混凝土的制備工藝，可分為先張法和后張法。構件混凝土澆注之前在張拉臺座上張拉預應力束,然后再澆注混凝土,待混凝土強度達到設計強度后釋放預應力束的拉力,借其與混凝土之間的粘結力對混凝土施加預應力稱為先張法;后張法則是在構件混凝土達到設計強度后,在預應力混凝土構件內的孔道,穿入永久性預應力束,以混凝土構件自身為支承張拉預應力束,然后用錨具將預應力束錨固,形成永久預應力,最后在預應力束孔道內壓注水泥漿,使預應力束和混凝土粘結成整體。就先張與后張的工藝對比可知,先張預應力混凝土便于工廠化預制,具有施工周期短、工序簡潔、節(jié)省材料、維修養(yǎng)護工作量少、耐久性好等特點,因而在國內外得到了廣泛應用。先張梁與后張梁相比,雖然增加了預制場張拉臺座的工作量,卻可以省去成孔、穿束、壓漿工藝。更為重要的是,它完全避免了后張法中可能出現(xiàn)的堵孔、壓漿不密實、預應力失控等影響結構質量與耐久性的問題。很多預應力混凝土連續(xù)梁橋的裂縫和持續(xù)下?lián)?均與預應力鋼材的后期銹蝕有關,而采用不正確的壓漿工藝和潮濕空氣的侵蝕是其中的主要原因。建于1958年倒塌于1985年的英國YNYS-GMAS橋,在這方面向人們敲起了警鐘,英國為此曾一度禁止后張工藝在英國的應用。在我國此問題亦引起了高度注意,本世紀初東南大學交通學院利用滬寧高速公路拓寬改建的契機,對其中實施拆除的3座后張法預應力混凝土橋梁進行了實橋孔道壓漿飽滿率的調查,其結果如下:A橋73.3%、B橋66.6%、C橋77.7%,三座橋的壓漿情況都不是太好,存在較為嚴重的質量缺陷。其他省市類似調查情況亦如此。2002年,根據(jù)我國高速公路建設質量的檢查情況,交通部將后張預應力鋼筋管道壓漿不實列為高速公路工程建設質量的八大病害之一。很明顯,如果采用先張法則可以很好地避免這些問題的出現(xiàn)。然因工程習慣所限,傳統(tǒng)的預應力混凝土先張工藝一般均采用直線配筋,因而限制了它的應用范圍,導致跨徑20m以上的鐵路橋梁和跨徑30m以上的公路橋梁一般均采用后張法施工。為在較大跨徑橋梁工程中應用先張法,工程界開始了先張法預應力混凝土梁折線配束的應用研究,在這方面某些發(fā)達國家的研究應用走到了我們的前面。為解決高原嚴寒地區(qū)橋梁耐久性問題,我國鐵路部門在本世紀初于青藏鐵路建設中開始了先張預應力混凝土梁折線配束的研究與應用,跨徑為24m,而在公路橋梁領域中,這項研究尚屬空白。為此河南省高速公路建設發(fā)展有限公司按王用中大師的建議,結合河南省高速公路建設的實際情況,以“公路工程折線配束先張法預應力混凝土梁的研究與應用”為題,開展了這項工作,經(jīng)過近一年的努力,基本解決了在公路工程中應用折線配束的先張法預應力混凝土梁的關鍵技術問題,并在河南驛宛高速公路淮河橋、嶺南高速公路黃鴨河大橋工程中獲得了成功的應用。2彎起器彎折極限強度折減及預應力束性能分析折線配束的彎起器張拉,需借助固定于臺座制作后埋置于混凝土中的彎起器來實現(xiàn),青藏鐵路用的彎起器形式如圖1所示,這種彎起器通常稱為輥軸式彎起器,而圖2所示的用于臺灣高速鐵路的彎起器則稱為音叉式彎起器,不同之處僅在于彎起器與臺座底板的錨固裝置,按照這些彎起器工作的機理,其設計應符合下述原則。(1)彎起器的設計應盡量減小對預應力束強度的折減,因此彎折半徑不宜過小。(2)應使彎起器能沿梁體縱向轉動,使得彎起器在工作時主要承受拉力。(3)預施應力后梁體將產(chǎn)生壓縮,因此彎起器應具有放張時能隨著梁體縱向位移的功能。(4)彎起器在梁體以下部分需重復使用,應堅固耐用,拆卸方便;而彎起器在梁體內部分因不能重復使用,因此應盡可能地簡化結構,減少材料用量。基于上述一般原則,考慮公路中、小跨橋梁的預應力束拉力不大,彎折角度又較小的特點,于試驗研究中我們提出如圖3所示的加勁板式彎起器。針對這種形式的彎起,我們做了鋼絞線通過彎起器彎折后的強度折減及預應力摩擦損失的測定。試驗結果表明,與無彎折角度鋼絞線相比,有彎折角度鋼絞線的極限抗拉強度均有所降低,且彎折角度越大極限抗拉強度降低程度越大。經(jīng)過可靠度分析,實際工程中,鋼絞線彎折極限抗拉強度計算值,建議采用下面偏保守的簡化公式:式中:fpt*為鋼絞線的彎折極限抗拉強度;fpt為無彎折角鋼絞線的極限抗拉強度;x為彎折角,以度為單位。由試驗結果可知,摩擦損失σL1隨著張拉控制應力σcon的增大而增大,大致成線性關系;鋼絞線彎起角度α越大,摩擦損失σL1的值也越大,大致與σconsinα成正比;且鋼絞線穿過彎起器孔洞處,接觸面放置減摩片和不放置減摩片對摩擦損失σL1的影響不明顯。根據(jù)試驗結果回歸的公式為:σL1=0.28×σcon×sinα(3)預應力損失值的大小主要影響預應力梁的抗裂性能,為保證梁的抗裂性能,彎起器摩擦損失的計算σL1不宜偏小,建議在實際工程中彎起器摩擦損失按下式計算:σL1=0.3×σcon×sinα(4)施工現(xiàn)場測定結果與試驗結果基本一致,本試驗研究結果與鐵道專業(yè)研究設計院研究結果亦基本一致。37.5預應力混凝土梁受力性能試驗梁梁高為40cm,梁長7.5m,計算跨徑7.2m,按同一配筋情況做4根先張梁,3根后張梁。試驗時量測施工階段的預應力損失,進行先、后張法預應力混凝土矩形梁在豎向荷載作用下的彎曲試驗,檢驗梁在正常使用荷載下的變形和抗裂性能,測定梁的最大承載力,試驗情況見圖4所示。試驗結果顯示,先、后張法折線配束混凝土梁的受力性能有以下特點。(1)試驗梁在自重作用下的反拱約為10mm;試驗梁在正常使用荷載作用下的抗裂性能及豎向撓度均能滿足要求,當預應力度相當時,折線配束的先、后張預應力混凝土梁受力性能基本一致。(2)試驗梁在超過正常使用荷載后,裂縫發(fā)展均勻、裂縫寬度一直很小,臨近破壞時(90%破壞荷載)最大裂縫寬度僅為0.2mm。由于折線配束的作用,在試驗梁的彎剪段未出現(xiàn)斜裂縫,僅出現(xiàn)一些垂直裂縫,且裂縫寬度也一直很小。(3)試驗梁有足夠的承載力安全儲備,在達到設計破壞荷載的130%時,才發(fā)生破壞;破壞時跨中撓度接近l/50,表現(xiàn)出較好的延性;破壞形式為受壓區(qū)混凝土被壓碎。鋼絞線和非預應力鋼筋均未發(fā)生斷裂。(4)先張法折線配束的試驗梁,受力性能良好,按照現(xiàn)行橋梁設計規(guī)范進行設計,可滿足工程要求,并有足夠的安全儲備。4疲勞破壞及試驗結果試驗梁為矩形斷面,梁高40cm,梁寬30cm,梁長7.5m,計算跨徑7.2m,按統(tǒng)一配筋情況做2根先張梁,1根后張梁。按等幅疲勞試驗正弦波加載,加載頻率為3Hz;疲勞荷載下限值Qmin=10%Pu,疲勞荷載上限值Qmax=40%Pu,Pu為按橋梁設計規(guī)范計算的梁的極限荷載。試驗結果顯示,先張法折線配束梁的疲勞受力性能有以下特點。(1)試驗梁先張梁1和后張梁分別在疲勞荷載作用250萬次后未發(fā)生疲勞破壞,其中200萬次后先張梁1的疲勞裂縫只集中在跨中和兩個轉向器之間,兩邊各出現(xiàn)8條,見圖5所示;后張梁的疲勞裂縫分布在全跨范圍,兩邊各30條左右,見圖6所示。在疲勞荷載作用下,先張梁的轉向器附近出現(xiàn)裂縫寬度較小,向上發(fā)展高度明顯小于其附近的裂縫,可見先張法折線形預應力梁的轉向器是可行的,沒有在轉向器附近形成薄弱區(qū)域。(2)試驗梁先張梁1和后張梁分別在4000～5000次左右出現(xiàn)疲勞裂縫;其中先張梁1的疲勞裂縫僅出現(xiàn)在加載點下方,靠近支座的彎剪段未出現(xiàn)裂縫;而后張梁的疲勞裂縫分布在全跨范圍內,跨中部分較多,裂縫寬度也較先張梁大一些。(3)試驗時,對試驗用的先張梁2增大了應力幅值(Qmin=10%Pu,Qmax=60%Pu),在非預應力鋼束應力幅Δσ達到180MPa的疲勞荷載作用下,加載點下方,1根非預應力鋼筋首先發(fā)生疲勞斷裂,疲勞壽命Nf=38.1萬次;破壞后繼續(xù)加疲勞荷載1萬次左右,試驗梁的預應力鋼絞線完好,仍能承受較大荷載,沒有出現(xiàn)整根梁斷裂的情況。(4)所有試驗梁在一定循環(huán)次數(shù)的疲勞荷載作用后,反拱均有不同程度的減小,在靜載試驗中撓度、最大裂縫寬度增大,但卸載后,裂縫幾乎完全閉合,裂縫閉合性能良好。(5)先張梁1和后張梁在經(jīng)過250萬次疲勞荷載后,進行了靜載破壞試驗,試驗結果表明:梁仍有足夠的承載力安全儲備,在達到計算破壞荷載的160%時,才發(fā)生受彎破壞;破壞時鋼絞線和非預應力鋼筋均未發(fā)生脆性斷裂,鋼絞線和非預應力鋼筋都未屈服,僅受壓區(qū)混凝土被壓碎。破壞時跨中撓度接近L/50,表現(xiàn)出較好的延性;可見未發(fā)生疲勞破壞的梁的剩余承載力并不受疲勞荷載加載歷程的影響,其靜載極限承載力仍可按規(guī)范公式計算,而且有足夠的安全儲備。折線配束的概念易引起人們對其疲勞性能的關注,因此此問題的研究為世人所關注,公路橋一般不涉及疲勞問題,但為減少疑慮,我們做了此次試驗。5預應力束彎起器及張梁的確定橋面寬度:雙向四車道;單幅寬:0.5m(防撞欄)+11.5m(行車帶)+0.75m(內側防護欄)。橋梁橫斷面見圖7所示。結構體系:先簡支后連續(xù),計算時安裝階段按簡支梁計算,二期恒載及運營階段按4跨或5跨連續(xù)梁計算。施工工藝:折線配束先張法預制的小箱梁;支點處結構連續(xù)預應力束采用后張工藝,完成體系轉換。主要材料:預制箱梁采用C50混凝土,縱向預應力束采用1860級ue001φj15.24鋼絞線。設計計算:本次小箱梁結構縱向分析采用的程序為交通部公路科學研究所編制的公路橋梁結構設計系統(tǒng)(GQJS9.3版)。該程序在先張法中,只能自動計算σL5(預應力鋼束的松弛損失)及σL6(混凝土收縮和徐變損失),其余預應力損失采用人工計算,輸入程序數(shù)據(jù)時采用把張拉應力減少的方法,將這部分損失值計入。根據(jù)橋規(guī)第6.1.7條,應考慮先張法預應力束傳力長度的影響。程序計算中為體現(xiàn)預應力束的傳力長度,采用按3個點分3次輸入鋼絞線數(shù)量的方法進行模擬。先張法中折線預應力束在轉折處將對混凝土產(chǎn)生集中作用力,而GQJS程序只有曲線型布束方式。為體現(xiàn)折線影響,我們采用了小曲率半徑來模擬折線的方法,因此對折線束布置時,在轉折點輸入的圓角半徑為4m(程序限定的最小值),即將折線集中力化為3.33m長度內的均布力,這樣處理對最終計算結果影響甚微。折線束在彎起器處進行彎折,鋼絞線與彎起器之間存在摩擦,彎折點處應力復雜,從而使得預應力束的靜力破斷強度有所降低,故在極限承載力計算中,宜對彎起束的計算強度進行折減。技術經(jīng)濟指標及與原設計后張梁的對比結果,見表1。由表1可知,先張梁彎起器較后張梁在混凝土鋼筋預應力材料用量基本不變的情況下,節(jié)省了占梁造價20%左右的錨具、管道、壓漿費用,當工程規(guī)模較大時,因臺座攤銷費用減少,而有很大的經(jīng)濟效益。6先張法+后張法35m預應力混凝土箱梁的張拉臺座分短線、長線法兩套方案,短線法采用10.5m+12m+10.5m=33m鋼箱梁作反力梁,鋼箱梁截面為600mm×1200mm;長線法采用800mm×1200mm矩形截面的鋼筋混凝土梁作反力梁,全長72.54m;其中短線法臺座一次制1片梁,長線法可同時制2片梁。長線法臺座的優(yōu)點:由于采用鋼筋混凝土反力梁,最大的優(yōu)點是一次性投入少,造價低、澆注速度快,而且由于整體澆注,穩(wěn)定性較好。缺點是只能一次性使用,不可重復利用,施工完還需要處理臨時構造物;另一缺點是對于同時有2片35m先張小箱梁的長線臺座,在進行折線鋼絞線張拉時,相當于對單片35m先張小箱梁進行單端張拉,增大了彎起器處的摩阻力,增大了折線鋼絞線的預應力損失。短線法臺座優(yōu)點:反力梁采用鋼結構,可以工廠加工,結構精確,可以拆裝以重復利用,且受力性能較好,整體變形量較小。特別是兩端張拉,彎起器處摩阻力減小。缺點為一次投入大,現(xiàn)場安裝精度要求高。先張法施工中,鋼絞線錨固在張拉臺座兩端的張拉橫梁上,所以張拉橫梁采用上下兩根。上張拉橫梁錨固彎起鋼絞線,下張拉橫梁錨固直線鋼絞線。上、下張拉橫梁通過分離式機械鎖緊油壓千斤頂(下稱大千斤頂)將張拉應力傳遞到反力梁上,臺座兩側反力梁用臺座橫向的鋼筋混凝土聯(lián)結系梁固定。鋼絞線張拉大部分用單束張拉千斤頂完成,小部分用大千斤完成,鋼絞線放張用大千斤頂完成。驛宛高速公路淮河橋用長線法臺座,見圖8所示。先張法與后張法在張拉工藝上的最大差別在于:先張法張拉工藝要