雙預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋頂壓工藝的試驗(yàn)研究

雙預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋頂壓工藝的試驗(yàn)研究

1“雙預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋研究”“雙差”也被稱為“拉壓氣泡”，是指在混凝土截面的壓力量中向混凝土中施加壓力，同時(shí)在受拱面的受拱面上施加壓力。這種牽引壓力法可以提高梁的承載能力，降低梁的建筑高度。從理論上講,可使主梁在全部使用荷載作用下控制截面上的應(yīng)力,達(dá)到“零點(diǎn)”應(yīng)力狀態(tài),從而在梁高受到嚴(yán)格限制的情況下,能有效降低梁高?！半p預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋研究”是交通部“九五”交通行業(yè)聯(lián)合科技攻關(guān)項(xiàng)目。1997年12月,我院作為主研單位承擔(dān)了該項(xiàng)目的研究。我們采用放在雙向扁管內(nèi)的粗鋼筋為頂壓筋,用螺帽和墊板將其錨固于混凝土中,通過錨固端的傳力在混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力,我們稱之為“后壓法”,試驗(yàn)橋是國(guó)內(nèi)第一次采用這種施工工藝設(shè)計(jì)、施工的大跨徑橋梁。試驗(yàn)橋于2000年10月建成通車。試驗(yàn)橋橋址在國(guó)道112線承德灤平縣大屯鎮(zhèn),3孔跨徑40m,正交于牦牛河,橋梁寬度12.4m,凈寬11.4m,橫向由5片梁組成,梁高1.35m,兩側(cè)各設(shè)0.5m防撞護(hù)欄,橋面鋪裝為5cm瀝青混凝土+8～16.55cm的40號(hào)防水混凝土。2計(jì)算的設(shè)計(jì)2.1基本信息(1)包括標(biāo)準(zhǔn)跨徑L=40.00m,計(jì)算跨徑L0=39.00m,縱向單元?jiǎng)澐譃?個(gè)截面即支點(diǎn)、L0/8、L0/4、3L0/8、L0/2。(2)載荷汽車-超20級(jí),掛-120。(3)材料松弛效果by預(yù)拉鋼筋采用ASTMA416-90a標(biāo)準(zhǔn)的高強(qiáng)度,低松弛(初始荷載為70%持續(xù)1000h的松弛值≤2.5%)270級(jí)ue001φj15.24mm鋼絞線,Rby≥1860MPa,Ay=140mm2;Ey=1.9×105MPa;預(yù)壓鋼筋采用ue001φ32mm精軋螺紋鋼,屈服強(qiáng)度≥735MPa,抗拉強(qiáng)度≥935MPa,A′y=804mm2,E′y=2.0×105MPa。非預(yù)制材料直徑≥12mm者用Ⅱ級(jí)鋼筋,直徑<12mm者用Ⅰ級(jí)鋼筋。ra,rlb,rbaab、wbllb主梁采用50號(hào)混凝土,Eh=3.5×104MPa,Ra=28.5MPa,Rl=2.45MPa,Rbaab=35MPa,Rbllb=3.0MPa。(4)施工方法后張、后壓法。2.2預(yù)應(yīng)力的計(jì)算過程(1)初步擬定斷面形式。經(jīng)過對(duì)矩形、T形和箱形斷面的比較,最終確定斷面形式采用箱形梁;(2)采用TurboC2.0語(yǔ)言編寫程序,計(jì)算毛截面幾何特性;(3)計(jì)算邊梁、中梁、橋面鋪裝、護(hù)欄等恒載內(nèi)力;(4)計(jì)算橫向分布系數(shù);(5)采用“橋梁綜合程序”計(jì)算各截面活載內(nèi)力;(6)按規(guī)范進(jìn)行內(nèi)力組合;(7)估算預(yù)拉、預(yù)壓鋼筋面積,并初步布置預(yù)拉、預(yù)壓鋼筋,經(jīng)試算確定鋼筋布置位置并計(jì)算鋼筋布置要素;(8)采用TrueBasic2.03語(yǔ)言編制程序,分階段計(jì)算邊梁、中梁凈截面和換算截面幾何特性;(9)對(duì)鋼筋布置進(jìn)行束界校核;(10)驗(yàn)算主梁正截面和斜截面強(qiáng)度;(11)確定錨下控制應(yīng)力并用TrueBasic2.03語(yǔ)言編程估算預(yù)應(yīng)力損失;(12)分階段驗(yàn)算主梁各截面正截面應(yīng)力及鋼筋應(yīng)力;(13)驗(yàn)算主梁各截面剪應(yīng)力及主應(yīng)力;(14)預(yù)拉、預(yù)壓鋼筋錨固區(qū)局部承壓驗(yàn)算;(15)主梁變形(撓度)計(jì)算與校核。在最初的設(shè)計(jì)計(jì)算中,對(duì)于預(yù)加力引起的上拱度考慮不足,預(yù)應(yīng)力鋼材用量偏多。第二次設(shè)計(jì)時(shí)考慮了8cm的橋面鋪裝參與受力,預(yù)拉鋼束每個(gè)腹板減少了3束?？缰薪孛驿撌贾萌鐖D1所示,初次設(shè)計(jì)各鋼束為:①為12ue001φj15.24mm;②③為9ue001φj15.24mm;④為7ue001φj15.24mm;⑤⑥為ue001φ32mm精軋螺紋鋼筋。后將①②③改為9ue001φj15.24mm其余不變。中梁各截面各階段應(yīng)力狀態(tài)見表1、表2。從表中可以看到,第一次設(shè)計(jì)時(shí),過多考慮了使用階段“全預(yù)應(yīng)力”的要求,使得在預(yù)加力階段中,有3個(gè)截面超限。第二次設(shè)計(jì)時(shí),充分考慮了有關(guān)專家的建議,從而使主梁在各個(gè)階段截面的應(yīng)力狀態(tài)較好。同時(shí),也使主梁在預(yù)加力時(shí)變形大大減少,預(yù)加力引起的變形見表3。兩次設(shè)計(jì)中,實(shí)驗(yàn)橋梁每平方米橋面的材料用量見表4。為提高全橋的整體剛度,將橋面鋪裝鋼筋和接縫鋼筋連接在一起,以使橋面鋪裝的一部分參與整體受力。3主梁的預(yù)制施工技術(shù)3.1張拉力和n4束第一片試驗(yàn)梁為:N1、N2、N3束,張拉力為1757.7kN;N4束,張拉力為1367.1kN;N5束、N6束頂壓力為586.9kN。3.2頂壓鋼筋頂壓力控制(1)當(dāng)預(yù)制梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%時(shí)方可進(jìn)行頂壓;(2)頂壓鋼筋與張拉鋼束交替進(jìn)行,其順序?yàn)?2N1→2N6(內(nèi))→2N2→2N6(外)→2N3→2N5→2N4;(3)安裝頂壓桿及頂壓千斤頂,使千斤頂、頂壓桿、鋼筋的中心線同軸,并預(yù)壓緊鋼筋;(4)初頂壓:兩端同步對(duì)千斤頂加載達(dá)初應(yīng)力為0.1NK(NK為張拉鋼筋時(shí)的錨下控制拉力)時(shí)測(cè)量初壓量L1;(5)頂壓:兩端同步逐級(jí)加壓,升壓速度應(yīng)與千斤頂伸長(zhǎng)相對(duì)應(yīng),注意觀察有無(wú)突然縮短情況發(fā)生,當(dāng)達(dá)到控制頂壓力時(shí),測(cè)量最大壓縮值L2,其總壓縮量ΔL=L2-L1+L0(L0為頂壓預(yù)緊后與初壓力0.1NK時(shí)的壓縮量),允許誤差為±6%,若超差較大須查找原因后調(diào)整有關(guān)參數(shù);(6)錨固:把配套螺母旋緊在墊板上,然后千斤頂緩慢卸荷;(7)壓漿;(8)封槽口。由于頂壓槽口的應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜,為防止在頂壓過程中,槽口混凝土被拉壞,原設(shè)計(jì)采用了鋼板箱的方法保證槽口混凝土的局部承載能力。在施工中發(fā)現(xiàn)槽口的承載能力是足夠的。故在后期的主梁施工時(shí),取消了槽口鋼板箱。實(shí)際證明槽口的承載能力是足夠的。頂壓鋼筋頂壓力的控制,原設(shè)計(jì)取鋼筋拉壓強(qiáng)度的0.8倍,實(shí)際發(fā)現(xiàn),這種取值偏高。這不僅體現(xiàn)在鋼筋屈服點(diǎn)比標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度低很多,而且在大噸位的頂壓施工中,會(huì)增大施工難度(如施工中易出現(xiàn)鋼筋彎曲變形)。變更設(shè)計(jì)后,頂壓鋼筋的強(qiáng)度取鋼筋抗拉強(qiáng)度的0.78倍,即略小于鋼筋的屈服強(qiáng)度。最初的鋼筋錨固采用的是廠家生產(chǎn)的配套螺母,實(shí)際施工發(fā)現(xiàn),在擰緊螺母的過程中,螺母存在著一定的松動(dòng)值。為減少鋼筋錨固時(shí)的瞬間損失(主要是螺距偏大,螺紋深度不均勻),改進(jìn)了頂壓錨固工藝。即在近錨固端1m范圍內(nèi)采用特制擠壓細(xì)螺紋鋼筋,使得錨固后螺母和鋼筋的回縮減少。擠壓細(xì)螺紋鋼筋和原頂壓鋼筋也采用特制的連接器相連。4梁靜載破壞試驗(yàn)4.1預(yù)制構(gòu)件的布置首先設(shè)計(jì)和制作一個(gè)靜載試驗(yàn)加載反力臺(tái)座,采用千斤頂作為加載設(shè)施;再將預(yù)制構(gòu)件按要求置于臺(tái)座上,在構(gòu)件上布置應(yīng)變、撓度測(cè)點(diǎn);用千斤頂進(jìn)行逐級(jí)加載,測(cè)試構(gòu)件各主要控制截面的應(yīng)變、撓度及裂縫擴(kuò)展情況。4.2結(jié)構(gòu)計(jì)算公式與試驗(yàn)曲線各主控截面應(yīng)變分布隨截面高度基本呈線性變化,符合平面假定;跨中撓度隨荷載增加而基本呈線性變化,符合結(jié)構(gòu)計(jì)算理論;在整個(gè)檢驗(yàn)試驗(yàn)過程中,各級(jí)荷載作用下各主控截面均未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值分布均勻,應(yīng)變分布曲線未出現(xiàn)尖銳變化。結(jié)構(gòu)抗裂安全性滿足設(shè)計(jì)要求,結(jié)構(gòu)處于全預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。試驗(yàn)梁靜載檢驗(yàn)合格。4.3結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力度計(jì)算確定平均開裂荷載為455kN,相應(yīng)的開裂彎矩為10763.19kN·m,抗裂安全系數(shù)kf=1.12;確定平均消壓荷載為396kN,相應(yīng)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力度λ=1.04。當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到872kN時(shí),最大壓應(yīng)力約為32.5MPa,已超過混凝土的軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度Ra,梁體未出現(xiàn)有關(guān)試驗(yàn)規(guī)范所表述的破壞跡象,表明該試驗(yàn)梁足以滿足設(shè)計(jì)及使用要求,故中止試驗(yàn)。4.4管道密封損失試驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)通過傳感器測(cè)得Pk、Ps(錨下控制拉力、距張拉端x處預(yù)應(yīng)力的損失),進(jìn)而求得β,μ及k。結(jié)果分析如下。(1)錨銷丟失N1為3.57%,N4為3.45%,平均為3.51%。(2)管道的磨損系數(shù)k=0.001,μ=0.247。(3)結(jié)論錨口損失和管道摩阻系數(shù)均符合設(shè)計(jì)及施工規(guī)范要求。4.5頂壓過程的0.試驗(yàn)中,為全面掌握頂壓效果,對(duì)全部頂壓鋼筋都進(jìn)行了測(cè)試。每根頂壓鋼筋的兩端都布置了傳感器,這是出于3個(gè)考慮:一是如果頂壓不對(duì)稱,其摩阻分布不同;二是頂壓鋼筋可能彎曲,與管壁相抵觸,也導(dǎo)致兩端應(yīng)力不同;三是對(duì)頂壓過程的對(duì)稱性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)測(cè)證明了此考慮是正確的。試驗(yàn)結(jié)果:頂壓最大損失為73.9%,最小損失為17.6%,平均損失為47.2%,局部損失明顯過大。建議改進(jìn)頂壓工藝,兩端必須同步頂壓,而且頂壓速度應(yīng)緩慢均勻。改進(jìn)錨固工藝,錨固螺母應(yīng)精密加工,以盡量減少回縮損失。頂壓錨固時(shí)錨固螺母應(yīng)盡量緊固。施工中頂壓區(qū)域鋼筋外露不宜過長(zhǎng),以防止頂壓時(shí)鋼筋屈曲。由于試驗(yàn)需要,本次頂壓施工鋼筋外露較長(zhǎng)也是實(shí)測(cè)損失較大的原因之一。5車列施工質(zhì)量分析2000年10月22日開始對(duì)大屯試驗(yàn)橋進(jìn)行靜、動(dòng)載試驗(yàn)。以接近或相當(dāng)于設(shè)計(jì)荷載的車列,對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)加載,實(shí)測(cè)控制截面的撓度、轉(zhuǎn)角、結(jié)構(gòu)應(yīng)力,以及橋梁在車輛動(dòng)力加載下的動(dòng)力特性,從而判斷和評(píng)定橋梁的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量是否滿足規(guī)范要求和使用要求。通車荷載試驗(yàn)一般屬于基本荷載試驗(yàn),要求荷載效率系數(shù)不小于0.8,不大于1.0。5.1靜態(tài)加載測(cè)試(1)橋面鋪裝的作用試驗(yàn)實(shí)測(cè)值普遍比理論設(shè)計(jì)值大,說明梁體橫向分布作用比理論計(jì)算稍差,可能是理論計(jì)算時(shí)考慮了橋面鋪裝的作用大了些,而實(shí)際上橋面鋪裝的作用沒有那么大;另一原因是橋梁的實(shí)際剛度要大,其他梁參與的作用小的原因。但綜合而言,與設(shè)計(jì)計(jì)算理論的趨勢(shì)是一樣的,且其值相差在5%之內(nèi),二者符合較好。(2)內(nèi)梁和內(nèi)梁之間斜彎曲截面上的應(yīng)變分布隨截面高度基本呈線性變化,符合平面假定;邊梁上防撞墻參與了工作,形成邊梁截面橫向不對(duì)稱,在荷載作用下梁體產(chǎn)生斜彎曲現(xiàn)象,而對(duì)于內(nèi)一梁來(lái)說則并未產(chǎn)生斜彎曲作用,兩側(cè)同高度位置應(yīng)變相差不大。實(shí)測(cè)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下工作。(3)分析了抗彎試驗(yàn)和交叉試驗(yàn)的結(jié)果結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下工作,結(jié)構(gòu)抗裂性滿足設(shè)計(jì)要求,橋梁處于全預(yù)應(yīng)力狀態(tài),與設(shè)計(jì)一致。5.2跳車時(shí)的沖擊行車試驗(yàn)中,實(shí)測(cè)最大沖擊系數(shù)為1+μ=1.039略大于設(shè)計(jì)值1.0375,這與橫向分布系數(shù)的測(cè)試結(jié)果類似。其原因是橋梁的實(shí)際剛度較大,產(chǎn)生的變形較小,而其波動(dòng)較大,所示顯示的沖擊系數(shù)稍大。但與理論值僅差0.1%,符合程度很好;跳車試驗(yàn)中,測(cè)試分析結(jié)果是跳車時(shí)最大沖擊系數(shù)為1.479,與行車相比,其沖擊必然要大,這是正常的;脈動(dòng)試驗(yàn)中,實(shí)測(cè)豎向1階撓曲振型:頻率為2.403Hz,阻尼系數(shù)(半功率帶寬分析)D=0.025,分析認(rèn)為這是正常的。5.3截面校驗(yàn)系數(shù)靜載試驗(yàn):測(cè)試截面的橫向分布系數(shù)與理論計(jì)算相差很小,符合程度良好;在最大試驗(yàn)荷載(相當(dāng)最大設(shè)計(jì)荷載)作用下,梁體沒有開裂,符合全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。在各級(jí)荷載作用下,截面應(yīng)變符合平面假定,截面應(yīng)變基本呈線性關(guān)系,梁體處于彈性工作狀態(tài)。測(cè)試截面校驗(yàn)系數(shù)滿足規(guī)范要求,安全儲(chǔ)備適當(dāng),能夠滿足橋梁運(yùn)營(yíng)期間安全使用要求。動(dòng)載試驗(yàn):從實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)來(lái)看,均符合設(shè)計(jì)要求。6徐變對(duì)撓度的觀測(cè)該項(xiàng)研究歷時(shí)3年,達(dá)到了預(yù)期效果。2001年12月在交通廳組織的課題鑒定會(huì)上,鑒定委員會(huì)認(rèn)為“該項(xiàng)研究成果的總體水平處于國(guó)際先進(jìn)水平”,同時(shí)指出“建議進(jìn)一步對(duì)徐變引起的撓度進(jìn)行觀測(cè)”。通過試驗(yàn)及研究,我們?nèi)〉昧艘恍┙?jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù),供廣大橋梁建設(shè)人員參考。6.1橋梁立交的作用這種“雙預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁”適用于建筑高度受限制的大跨徑預(yù)制吊裝施工的橋梁,特別是在立交以及公路與特殊管線的交叉等方面應(yīng)用前景廣闊,能夠降低橋梁兩側(cè)路基的填方高度,使得工程總造價(jià)有所降低。但就橋梁本身來(lái)講,并沒有太大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),單純?yōu)樽非蟆按蟆笨鐝蕉捎眠@種結(jié)構(gòu)是不明智的。6.2預(yù)埋金屬波紋管摩阻系數(shù)的確定現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ023-85)中,未提供預(yù)埋金屬波紋管的摩阻系數(shù)k、μ值,設(shè)計(jì)人員在計(jì)算摩阻損失時(shí),一般參考該規(guī)范的“預(yù)