起拱度在公路桥预制箱梁张拉检验中的应用

起拱度在公路桥预制箱梁张拉检验中的应用
摘要：根据现行规范，采用张拉应力控制与伸长量控制的“双控” 标准来判别公路桥梁预制箱梁的后张拉工序中预应力筋的张拉效果。

这表明当张拉应力与伸长量都达到规范要求时，即完成后张拉工序，就可以进行下一步操作。

但由于施工过程中众多因素的影响，往往使得在张拉应力和伸长量满足设计要求的情况下，起拱度却未能满足设计要求。

就此问题，本文提出一种采用起拱度控制、张拉应力控制与伸长量控制的“三控”标准来判定预应力筋的张拉效果。

关键词：预应力混凝土桥；起拱度；后张法
1引言
根据现行规范《公路桥涵施工技术规范(JTG/T F50—2011)》中第7.12.2条的规定，在公路桥梁预制箱梁的后张拉工序中，采用张拉应力控制与伸长量校核的“双控”方式来判别预应力筋的张拉效果[[[]中华人民共和国交通部. 公路桥涵施工技术规范(JTG/T F50—2011). 北京：人民交通出版社, 2011. (Ministry of transport of The People’s Republic of China. Technical Specification for Construc tion of Highway Bridge and Culverts (JTG/T F50—2011). Beijing: China Communications Press, 2011. (in Chinese) )]]。

表明当张拉应力与伸长量都达到规范要求时，即完成后张拉工序，就可以进行下一步操作。

但由于施工过程中众多因素的影响，往往使得在张拉应力和伸长量满足设计要求的情况下，起拱度却未能满足设计要求。

在桥梁设计中要控制竖向挠度，以确保桥梁上部结构具有足够的刚度，保证高速行车的舒适性和安全性，并在车辆荷载的冲击作用下，不致使桥面铺装等结构受到损坏。

由于挠度产生的因素多而复杂，一旦发生过大挠度就难以纠正，将留下永久遗憾，所以预拱度的设置及施工过程中线形监控就显得至关重要[[[]郭玉峰.大跨度混凝土连续梁桥徐变对预拱度设置影响研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2009. (Guo Yufeng. The impact of long span continuous concrete beam bridge creep on precamber [D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2009. (in Chinese) )]]。

针对上述问题，本文提出一种采用起拱度控制、张拉应力控制与伸长量控制的“三控”标准来判定预应力筋的张拉效果。

2起拱度理论分析
预应力钢筋混凝土梁的挠度通常由三部分组成：即自重荷载产生的挠度；预加力所产生的挠度；混凝土收缩和徐变引起的挠度[[[]王凡.桥梁预应力混凝土施工技术及标准规范实施手册[M]. 长春：吉林电子出版社, 2004.(Wang Fan.
Prestressed concrete bridge construction technology and standards Implementation Manual [M]. Changchun: Jilin Electronic Press, 2004. (in Chinese) )]]。

其中把预加力所产生的挠度称为起拱度，由于与荷载引起的向下挠度方向相反，故又被称为反挠度。

①起拱度与预应力之间的关系。

预制箱梁在后张拉工序中，可以简化为简支梁分析，因此可用竖向等效荷载来代替预应力，从而可以求得预应力作用下的起拱度。

由抛物线型预应力钢筋对预制箱梁引起的竖直向上等效均布荷载可表示为式(1)：
(1)
式中：为竖直向上等效均布荷载(Pa)；为预应力筋的平均张拉力(N)；为等效系数预应力筋的平均张拉力偏心距(m)；为预应力筋的长度(m)。

对于简支梁而言，由均布荷载引起的跨中挠度可表示为式(2) [[[]《建筑结构静力计算手册》编写组. 建筑结构静力计算手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1998.(“Structural Static Calculation Manual” Writing Group. Structural Static Calculat ion Manual [M]. Beijing: China Building Industry Press, 1998. (in Chinese))]]：
(2)
式中：为均布荷载引起的跨中挠度(m)；为梁体的弹性模量(Pa)；为梁体弯曲方向的惯性矩(m4)。

将式(1)代入式(2)，得：
(3)
由(3)式可知，预制箱梁在预应力作用下的起拱度与预应力成正比。

②起拱度与伸长量之间的关系。

对于符合标准的预应力筋，由预应力引起的伸长量为式(4)[1]：
(4)
式中：为预应力筋的理论伸长值(m)；为预应力筋的截面面积(m2)；为预应力筋的弹性模量(N/m2)。

将式(4)代入式(3)，得：
(5)
由公式(5)可知，预制箱梁在预应力作用下的起拱度与预应力筋伸长量也成正比。

由此可见，在预应力箱梁后张拉工序中，当预应力和预应力筋伸长量达到规范要求时，预应力箱梁的起拱度在理论上也能达到规范要求。

但在实际操作中却无法完全避免出现当预应力和预应力筋伸长量达到规范要求时，预应力箱梁
的起拱度却未能满足要求的问题。

当预应力和预应力筋伸长量满足设计要求时，起拱度没有达到预拱度，可能的原因有：混凝土强度不达标，配筋率不达标，配筋位置偏差，张拉应力不达标，波纹管破裂漏浆或变形，梁体的外加质量较大以至于约束变形，混凝土浇注厚度偏差，台座上表面粗糙，温度因素等[[[]张燕.后张法预应力箱梁起拱度异常的原因分析[J].太原：山西建筑，2011,37(20):196-197. (Zhang Yan. Causes analysis on abnormal arching degree of prestressed box girder with post-tension method [J]. Taiyuan: Shanxi Architecture, 2011, 37 (20): 196-197. (in Chinese))]]。

3工程案例
本文以广东省珠海机场高速公路土建工程第A3标段25m预制箱梁的生产检验为例，来说明起拱度在后张拉检验工序中的应用。

本标段的起止里程为YK22+300～YK30+332.827，全长8.032公里。

主要工程内容为乾务互通立交、珠峰大道高架桥、乾务一号大桥、锅盖栋一号隧道、乾务二号大桥、锅盖栋二号隧道、粤西沿海高速跨线桥、金台互通立交。

共计预制箱梁769片，其中30m 梁208片、25m梁561片。

本标段桥梁工程中所用到的25m标准跨度箱梁全部采后用张法、预制场集中预制、桥机架设的施工方案。

设计张拉顺序见图1，设计张拉程序为：0→0.1σcon→0.2σcon→张拉控制应力σcon(含锚口摩阻损失)→持荷5min→锚固。

25m预制梁预拱度值见表1。

图1 张拉顺序图
表125m预制梁预拱值
25m预制箱梁试生产过程中的跨中梁张拉记录见表2。

其中在理论伸长量计算中，首先由0.75fpk=1395 MPa，计算出的张拉力为195.3kN；然后按照实测钢铰线Ep=2.03×105MPa，钢铰线总长为梁体钢铰线长度加千斤顶张拉端钢铰线长
度，按直线段和曲线段分别计算后相加得出理论伸长量值。

由表2知，按设计张拉力进行预应力张拉时，实测伸长量与理论计算伸长量的比值均在±6%以内，满足规范要求。

然而在25m预制箱梁试生产的后张拉检验过程中，发现有部分预制梁的跨中起拱度在4~6mm，而未能达到10~16 mm的设计要求。

表225m中跨中梁张拉记录表
4起拱度异常原因分析
造成起拱度异常的主要因素有三种，分别是材料性能、张拉设备和张拉工艺。

对这三种影响因素进行分析，结果见表2。

由此可知，在此次预制梁后张拉工序中造成起拱度不合格的原因应与预应力损失有关。

预应力损失的主要原因有以下几种：张拉端锚具变形和预应力筋回缩引起的损失；预应力筋与孔道壁间的摩擦引起的损失；预应力筋与台座之间的温差引起的损失；预应力筋松弛引起的损失；混凝土收缩和徐变引起的损失；预应力筋挤压混凝土引起的损失[[[]王敏，沈成武，闻骥骏. 病桥成因的预应力损失研究[J].武汉：武汉理工大学学报，2006,30(1):103-105. (Wang Min, Shen Chengwu, Wen Jijun. Research on pre-stress loss of the sick bridge [J]. Wuhan: Journal of Wuhan University of technology，2006,30(1):103-105. (in Chinese))]]。

根据张拉程序的设计原理和张拉后挠度变化的时效性，除张拉端锚具的变形和预应力筋回缩引起的损失外，其他原因对短期预应力损失的影响都比较小[[[]郑月秀,程鲁.预应力混凝土梁(板)起拱度异常原因分析[J]. 北京：城市建设理论研究，2013(11). (Zheng Yuexiu, Cheng Lu. Causes analysis on abnormal arching degree of Prestressed concrete beam (plate) [J]. Beijing: ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu，2013(11). (in Chinese))
]]。

因此本文只对预应力筋回缩和张拉端锚具变形引起的预应力损失进行分析。

参考《桥梁预应力混凝土施工技术及标准规范实施手册》，张拉控制应力σk≤0.75Rjy(Rjy为预应力筋的抗拉强度)，传力锚下的钢筋应力σy≤0.65Rjy[3]。

则锚外张拉应力与锚下钢筋应力允许偏差为(0.75-0.65)/0.75×100%=13.3％。

如果将锚圈口的摩擦应力损失按4％(铁道部大桥局测验的经验数据，锚具变形量很微小忽略不计)计算，那么预应力筋回缩量造成的应力损失率不应大于9.3％。

然后对表2中梁张拉记录结果进行预应力损失计算，结果见表3。

表2影响因素分析表
表325m中跨中梁张拉预应力损失计算表
另外起拱度与张位的顺序密切相关，其关联程度如图2所示。

图2 张位关联图
根据表3计算结果看，由于预应力筋回缩量的影响，锚下预应力值并未达到《预应力钢筋混凝土桥梁设计规范》的要求，特别是N7和N8未达到设计的张拉力，是起拱度达不到要求的主要原因。

5改进措施
以上所述，由于预应力筋回缩量的影响，部分锚下预应力值未达到设计要求，从而使起拱度达不到要求。

因此在张拉过程中应对预应力进行补偿。

在施工中，
预应力补偿一般采用两种方式：一是超张拉，超张拉的最大应力必须小于钢绞线抗拉标准强度的0.8fpk；二是采用两端张拉，即达到设计张拉应力后一端放张、一端补偿张拉。

根据张拉原理和现场情况，决定先采用第二种方法，实施后若仍不能满足要求，再采取第一种张拉补偿方式。

在其他操作程序满足规范要求的前提下，对张拉程序进行重新设计。

更改后张拉程序为：0→0.1σcon→0.2σcon→张拉控制应力σcon→持荷3min→一端锚固，一端持荷→持荷端加压，达到张拉控制应力σcon→持荷2min→持荷端锚固。

按照改进后方案对三片梁进行张拉，结果表明，在设计张拉力下，实测伸长量和理论伸长量在±6%以内，满足规范要求。

三片梁张拉后起拱度分别为9.5mm、10.1 mm、10.2mm，满足设计要求。

6结论
在检验预应力筋的张拉效果时，本文提出的采用起拱度控制、张拉应力控制与伸长量控制的“三控”标准，是一种能够避免因预应力损失等其他原因造成起拱度异常的有效方法。

参考文献。