鋼絞線張拉后48 h內錨下預應力隨時間衰減效應研究

蔣慶， 徐嵩基， 李濤， 高華睿， 周昆， 徐傳昶

(1.山東高速建設管理集團有限公司， 山東 濟南 250014； 2.山東高速湖北發展有限公司；3.山東大學 巖土與結構研究中心； 4.山東高速工程檢測有限公司)

1 前言

在中國橋梁建設工程中，預應力混凝土梁橋長期存在典型的下撓、開裂病害，其原因主要有：預應力混凝土施工質量不過關，預應力張拉施工質量不過關，預應力波紋管道壓漿施工質量不過關。其中，預應力張拉施工是最難以控制的一個環節，屬于隱蔽工程。早期的預應力鋼絞線張拉施工基本是由人工操作電動油泵進行張拉，這種施工方法最大的缺陷是：受施工人為因素影響，很難滿足橋梁施工技術規范中張拉速率和穩壓時間等各項要求。除有效張拉力不達標的情況外，同時還存在同束預應力鋼絞線各根張拉力不均勻的現象，這種情況下容易導致鋼絞線出現拉斷或者滑絲。此外，外界環境條件以及材料自身特性的共同作用容易導致預應力混凝土梁橋有效預應力不斷衰減。設計階段，主要采用規范中理論公式估算各項預應力損失值，但未對整個施工及運營過程中預應力變化進行準確計算。施工階段，目前普遍利用張拉控制力與鋼絞線延伸量雙控張拉施工過程，較之前的張拉工藝相比，其施工質量得以提升，但是其對每根鋼絞線能否達到設計值仍無法精確保證。

基于以上情況，需要一種預應力鋼絞線有效張拉力的測試技術來對工程質量進行動態檢測，進而達到全面提升預應力張拉施工質量的目的。開展施工期預應力混凝土梁有效預應力檢測技術的研究對保障橋梁的安全性、耐久性十分重要，拉脫法檢測技術是目前工程應用性較強的一項技術。

通過拉脫法對預應力鋼絞線進行反拉，使得鋼絞線與夾片脫開，脫開瞬間用高精度儀器采集，從而得到預應力束內的有效預應力。檢測過程中，分析張拉力與位移之間的關系(即張拉力-延伸量曲線)如圖1所示，C點即對應得到錨下有效預應力值。

但是拉脫法的應用需要考慮以下關鍵問題：規范中規定張拉鋼絞線后48 h內需要壓漿，檢測人員需要在壓漿前進行張拉力檢測，不能保證“即拉即測”，為準確測試不同時刻的預應力剩余量，保證檢測時機的統一性，因此需要建立起48 h內鋼絞線隨時間衰減變化模型，準確評估時間衰減后錨下有效預應力的剩余量，以指導合理的檢測時機。

2 測試方案

該研究依托現場試驗得到20 m預應力混凝土箱梁鋼絞線48 h內錨下有效預應力的變化測試值，通過有限元模擬出施工階段預應力混凝土梁有效預應力損失變化的規律，通過對比分析確認實測數據和理論計算值的有效性，進行錨下預應力時間效應分析。

2.1 測試梁簡介

選取山東省某在建高速公路改擴建工程預制梁場中20 m預制箱梁4片，截面尺寸相同，其中箱梁的預應力束形式有兩種類型：A類和B類。主要材料：預制主梁混凝土采用C50混凝土，鋼絞線采用φs15.2 mm，抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，張拉控制應力σ=0.75fpk。預制混凝土梁抗壓強度達到設計混凝土強度等級的90%后張拉預應力鋼束。箱梁張拉順序為N1→N2→N3，具體梁體規格參見表1及圖2。

表1 梁體規格

圖2 試驗梁截面形式(單位：mm)

2.2 試驗設備及測試流程

自動化綜合測試系統由穿心式壓力傳感器、溫度傳感器及相關配件組成。并將實時采集的壓力值及溫度數據上傳至電腦內儲存。

在梁體混凝土澆筑并養生7～8 d后，進入預應力鋼束的張拉施工階段，在預應力筋穿束張拉前，將壓力傳感器安裝至錨具與梁端之間(僅在梁體單側放置)，即進入張拉階段；在張拉過程中，保持1次/min采集錨下預應力數值和環境溫度數值，實時監控錨下預應力變化過程。待張拉結束3 h后，將設備調成自動采集模式，采樣頻率為1次/(10 min)。

3 測試結果及討論

3.1 測試結果

2 880 min(48 h)內各束鋼絞線預應力剩余率隨時間及溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 鋼絞線預應力剩余率隨時間、溫度變化曲線

從圖3可以看出：2 880 min(48 h)內，環境溫度對錨下預應力值有明顯影響，預應力混凝土結構受環境溫度循環的作用會發生明顯的波動，因此每束鋼絞線內有效預應力值呈周期性正弦波形曲線衰減。

3.2 張拉結束后48 h內時間衰減效應

分析實測數據，得到48 h內16束鋼絞線預應力損失率曲線。分別提取N1、N2、N3及N4鋼絞線損失率進行分析，建立各束鋼絞線預應力損失變化數學回歸模型，如圖4所示。

擬合得到的各束損失率數學模型表達式為：

N1:

y=0.004 2lnt-0.004 8

(1)

圖4 鋼絞線損失率變化及線性擬合結果

N2:

y=0.004 3lnt-0.004 4

(2)

N3:

y=0.004 9lnt-0.011 6

(3)

N4:

y=0.004 8lnt-0.010 2

(4)

式中：y為鋼絞線預應力損失率；t為張拉后經過的時間(t>1)(min)。

4 預應力損失變化隨機有限元模擬

由于實際施工過程中，梁體施工受多重因素的影響，包括混凝土立方體抗壓強度X1、張拉控制應力X2、環境年平均濕度X3、混凝土彈性模量X4、混凝土實際重量系數X5、鋼絞線回縮量X6、實際加載齡期X7等。該7種影響因素對梁體結構的預應力體系性能影響較為敏感，施工過程中很難避免由于操作誤差導致的影響因素取值的變化，故針對7種影響因素的不確定性展開隨機有限元模型分析，采用拉丁超立方抽樣的方法抽取隨機影響參數，避免了重復抽樣，能以較小的樣本量反映總體的變異規律，抽樣的次數可大大減少。

研究建立了考慮施工過程的預應力混凝土梁橋實體有限元單元模型，采用拉丁超立方抽樣方法開展了隨機有限元分析。

根據已有研究基礎，對各個影響參數取值為：① GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》認為C50混凝土立方體抗壓強度X1的變異系數為0.149；② 有效預應力的大小對長期變形有直接的影響，取決于張拉控制應力的大小和預應力損失。規范規定考慮超拉后張拉控制應力X2最大為 0.8fptk(1 488 MPa)，張拉控制應力取用截尾正態分布，均值為1 395 MPa，截斷上限取1 488 MPa；③ 根據中國氣象官方網站的天氣預報信息，得到該研究所計算橋梁的橋址處年平均相對濕度X3=80%，同時認為年平均相對濕度服從x<100%、變異系數為0.039的截尾正態分布；④ 混凝土彈性模量X4服從變異系數0.04的正態分布；⑤ 橋梁施工期由于施工原因導致的實際重量X5分布服從正態分布，實際重量為設計重量的1.05倍，變異系數為0.1；⑥ 鋼絞線張拉施工結束后產生的瞬時損失是由于夾片回縮導致的，該鋼絞線回縮量X6服從均值為5.279的正態分布；⑦ 混凝土齡期X7服從μ=7 d的正態分布。影響因素參數如表2所示，采用拉丁超立方抽樣方法，得到21組隨機數，如表3所示。

表2 影響因素參數

表3 隨機參數

將48 h分為10個施工階段，每個施工階段時長為0.2 d，采用無黏結式預應力鋼絞線模擬無壓漿狀態下的鋼絞線，梁體單元采用平面桿系單元，計算模型參見圖5。

圖5 有限元模型

有限元計算結果和試驗測試擬合結果如圖6所示。

從圖6可以看出：

(1) 預應力損失率的實測擬合值比有限元數值分析結果偏大。

(2) 前500 min，實際測試擬合的預應力損失率變化增長明顯，500 min后損失率逐漸趨于平緩；有限元計算結果顯示預應力損失率也會隨時間趨于平緩，但是在前期發展過程中沒有實測值變化明顯。

圖6 實測值與有限元計算值對比

(3) 由統計數據可知在目前預應力張拉施工過程中，規范中規定的理論損失值計算偏小，設計時需注意。

5 結論

(1) 基于現場測試結果，通過擬合回歸得到3種類型鋼絞線預應力損失率數學模型表達式，該損失率模型呈對數函數形式變化。

(2) 前500 min測試中，實測值擬合的預應力損失率變化增長明顯，500 min后損失率逐漸趨于平緩；有限元計算結果顯示預應力損失率亦隨時間趨于平緩，但在前期發展過程中沒有實測值變化明顯。