基于大跨度预应力结构张拉施工过程预应力损失的研究

王彦峰

摘要：连续刚构桥因其独特的结构优点，在国际大、中型桥梁的设计竞赛中崭露头角，成为国际大、中型桥梁最为喜爱的桥种。但随着中国连续刚构桥建设的日益多，其梁体裂缝、跨中下挠等的疾病，给中国重大交通工程的建设也造成了难以忽视的冲击，而这种疾病甚至还会威胁大桥的安全性。连续刚构桥中出现这种病害的原因，主要是由于钢束预应力破坏的原因，所以，分析大跨径连续刚构桥的钢筋浇筑情况，是一项迫切需要解决的课题。因此本文主要依托于某桥，通过采用有限元模拟方法开展预应力损失分析，并与预应力破坏的实测值进行比对，可为大跨径连续刚构桥的张拉方式设计提供技术依据。

关键词：大跨度;连续刚构桥;张拉;预应力损失;

一、工程概况

某桥桥处于高速公路二百一十二线上，路面等级为三类，均为三跨预应力砼连续刚构桥梁。桥面跨径形式为102m+168m+102m，桥面横向布置方式为(0.3m护栏+1.2m人行道+7m车行道+1.2m路面+0.3m护栏)=10m，为双边二机动车道。箱梁零现浇段宽度为十五点一m，各个桥墩二端相对分割为二十个悬臂浇筑段，每段长度为7X3.35m、13X4.0m、2.0m(合龙段)，最大悬臂结构宽度为83m，1~20梁段均采取吊篮悬臂结构进行施工，合龙段所用钢柱均为合龙段强劲性骨架。

二、连续刚构桥预应力损失的研究现状

从上世纪五十年代开始，世界各国的建筑专家和学者们就花费了巨大物力资金对钢筋浇筑结构展开分析研究，进而给出了估算钢筋束预应力的损失数值的近似方式。在现阶段，测算预应力钢筋混凝土预应力损失的方式，主要包括了"时一步"分析法、预应力综合损失测算法和分项预应力损失测算法等三种。

二十世纪五十年代末之前，中国国内外通常使用近似计算方法来测算预应力损失，或干脆使用预应力的最大损失值推算方法。其所采用的总破坏数值，是由科学家们按照最常见的钢筋、常见的钢绞线、最常见的张应力，及其规范要求的标准养生条件等而制定的。所设计的预应力损失值主要包含：混凝土浇注钢束松弛、钢筋弹性扭曲和钢筋的压缩徐变，而不包含钢筋浇筑摩擦破坏和错具变形破坏。

中国预应力混凝土联合会预应力损失委员，于二十世纪70年代中期给出了影响各种有关参数间的相互作用的计算。国外预应力混凝土结构学会于上世纪八十年代年对《钢筋与预应力混凝土结构利用设计建议》(草稿)进行了调整，修时强调：对钢筋在收缩徐变和钢束松弛时产生的与时间有关的预应力损失估计，还需要充分考虑上述要素间的相互作用，并同时给出了估计方法。

目前，在世界各国的有关标准中所使用的钢束预应力损失计算公式，都是在本国的特殊国情下，通过自身多年来的实际操作经验和科学研究结果而产生的，其先张法的放张前预应力损失与后张法的瞬时经济损失的计算方式已经实实践证据是一致的，唯独在有关计算结果基本参数的选择上有所区别。由预应力钢束的应力松弛和混凝土收缩徐变等与时间有关的各种因素所导致的预应力损失，用单分项计算结果已被实践证明还存在着一些的不合理之处，正是由于这些预应力损失计算方法忽视了上述各种因素间的相互作用。

三、攻关方案选择

预应力损失数值计算结果的正确性对于预应力结构计算重要，所以将本报告连同四川交通运输厅重大科学技术工程项目《高强度抗震区深水无墩大跨度预应力桥梁规划施工关键技术》子项目之4：预应力箱梁的有效预应力检测。借助此项目成果，在大桥的部分钢束上设置了检测外部预应力筋有效预应力值的仪表设备，进而检测大桥的施工过程以及后期的运营阶段的钢束有效性预应力值，并根据符合国家现行标准的方法测算相应钢束断面宽度的各项有效性预应力损失理论值，同时使用midas/civil等有限元软件，模拟该大桥所有施工过程以及运营阶段的钢束预应力损失，并对比分析了预应力损失与各数值间的关联。本文章将主要以下几方面的内容：

1.利用中国现有标准提供的计算方法，利用有限元程序，计算桥梁的浇筑过程以及各运行阶段的预应力影响。

2.根据本章所利用工程技术一一设计建成白水大桥，并开展对大桥预应力钢束现场位置的检测，以探讨对大跨度连续刚构桥预应力作用的具体现象及其变化规律。

3.经过比较解析大桥在不同施工和后期经营发展阶段预应力损失的实际值、理论知识测算值和模拟计算值，探究了钢束预应力项目经济损失的规律以及理论知识测算的正确性;同样采用了线性回归分析方法，研究了大跨径的连续刚构桥在张拉阶段预应力摩擦损失的估算参数。

四、施工过程模拟和预应力损失分析

1、施工过程模拟

利用有限元软件系统Midas civil 2015对桥梁结构开展了建筑流程模拟仿真，主要结构用梁单元实现模拟仿真，主墩边界条件下采用胶结，主墩和主桥连接处采取弹性连接中的刚性联接。研究考虑了混凝土的压缩徐变、预应力的损失、几何非线性变化等基本要求，并单独计算结果测量出了分别模拟的边跨底板束钢绞线B、边跨顶板束TB、顶板束T腹板束F、跨中底板束Z、跨中顶板TZ等各下降约百分之二十的时构件的变化情形。其中，大埠河大桥主梁采用C五十五混凝上，全桥共分一百七十三单元，有限元模拟结果如图显示。

2、预应力损失分析

导致预应力损失的原因较多，在施工阶段中影响因子包含混凝土压缩徐变、预应力钢绞线松动、挤压钢筋不饱满和主桥强度减少。同时，由于目前的外预应力张拉技术仍具有一定的缺陷，外预应力控制方法采取了油表读数和紧张度伸长测量二者结合的方法，仍存在着准确度较差、张拉施工不同步、质量监控难等缺陷，这样的施工技术将会导致有效外预应力缺失。而按照《公路工程钢筋及预应力混凝土设计规范》JTGD62-2004)标准，后张法结构中的有效外预应力计算公式如下式三点一所示，其中表示在安装错具时产生的瞬时损失，os表示在错固后随时效改变所产生的经济损失。

在施工中，由于预应力损失很大，因此深入研究施工的预应力损失机制，对限制高效预应力损失有着重大的意义本论文作者以桥梁纵向钢绞线上高效预应力的时程变化规律为例，通过有限元方法计算得出在不同施工的高效预应力损失状况，并分析了预应力在施工和运行过程中的时间变化情况。

顶板纵向预应力钢绞线T0、T5、T10、T14，依次为第1、5、10和十四块的顶部，预应力钢绞线均为公称尺寸为中=15.2mm，最大抗拉强度标准值为pk=一八六零年MPa的高强度低松弛钢绞线。以七为例，在浇筑过程中的砼施工随时程的表现如图二所显示，从图二可以得知，当T钢绞线的控制应力在4847.6kN时，当T钢绞线张拉浇筑进行时，有效砼施工瞬时破坏在四百五十五点六kN时，由于吊柱浇筑的进行，预应力损失逐步增大，直到二期摊铺进行时，有效砼浇筑/压制应力已从百分之九十点六下降为百分之七十六点七，减少了百分之十三左右造成错固后预应力损失的主要因素为强度缩短、钢筋收缩徐变和钢绞线的应力松弛，由于预应力钢绞线松驰所造成的破坏逐步趋于稳定，但在施工进行一块段时由于泵管线形的改变，T。钢绞线位移变化，所造成的预应力位放松经济损失也较大，当合龙结束时的钢绞线松动最大值经济损失为二百八十四点六kN时，约占最大值经济损失的百分之四十四;而弹性压缩和混凝土收缩徐变所造成的预应力损失也逐步增大，当弹性压缩经济损失最大值为二百三十二点三kN时，约占最大值经济损失的百分之三十一混凝土收缩徐变所造成的最大值经济损失为一百五十八点二kN时，约占最大值经济损失的百分之二十五。

四、结语

综上所述，通过对预应力各阶段损失测试值、理论计算值(按照规范给定的参数值)和模型计算值三者之间的比较分析，得出如下结论：

1.对于预应力摩擦损失而言，顶板束和腹板束的测试值比理论计算值小很多;底板束的测试值比理论计算值大很多。

2.对于钢束第二阶段的预应力损失而言，现场实测值均比理论计算值小。

3.竖向预应力钢束错固损失和理论计算值相差比较小，说明规范规定的计算方法计算竖向预应力钢束预应力损失值是比较可信的。

4.无论是第一阶段的预应力损失还是第二阶段的预应力损失，理论计算值和模型计算值都非常接近，说明 Midas/civil 在计算钢束预应力损失是满足规范要求的，有很好的参考价值。

5.在预应力摩擦损失中，依据上述顶板束和腹板束实测值比理论值小、底板束实测值比理论值大的结论，采用回归分析方法对影响预应力摩擦损失的参数μ和k进行分析，给出了新的取值意见。

参考文献：

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[2]王英，刘建新，赵人达.大跨桥梁预应力损失综合值法计算模型研究[J].世界桥梁，2011(05)：48-51.

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