预应力高性能混凝土桥的预应力损失比较.pdf
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1、预 应 力 高 性 能 混 凝 土 桥 的 预 应 力 损 失 比 较 编译朱琛 (中铁大桥局集团桥科院有限公司, 湖北 武汉 430034) 摘要: 在 5 片预制预应力高性能混凝土梁中埋设振弦式应变传感器, 从制作起测其应力已有 3 年。通过测 试梁预应力钢束处混凝土应变变化来反映预应力的变化。实测总预应力损失约为总张拉应力的 28% , 较高压应力 使高性能混凝土梁的预应力损失比普通混凝土梁大。按美国国家公路与运输协会标准制定的标准荷载抗力系数 ( AASH TO LRFD) 和美国公路合作研究组织( NCH RP) 18 07 课题中推荐的相关标准分别计算出预应力损失, 并与 实测值进
2、行对比。对第 2 跨梁的平均预应力损失进行评估, 采用 AASH TO LRFD 法估高了 20% , 而采用 NCH RP 法估低 16% , NCHRP 法更具包容性和地域适应性。按实测数据计算弹性压缩预应力损失并考虑第 2 跨连续梁不 均匀收缩所得平均实测预应力损失值与按照 NCHRP 法计算值之间误差在 10% 以内。 关键词: 预应力混凝土; 高性能混凝土;预应力损失; 收缩;徐变;桥梁设计 中图分类号: U448. 35文献标志码:A文章编号: 1671- 7767(2010)03- 0023- 05 收稿日期3 编译者简介 朱琛(63), 男, 工程师,年毕业于长安大学土木工程专
3、业(33 6 55 6qq)。 1引言 目前预应力损失计算执行美国国家公路与运输 协会标准(AASHTO 2004) 和预制预应力混凝土协 会标准(PCI 1975), 而这些标准是根据普通混凝土 制定的, 混凝土强度小于 41. 4 MPa, 且计算预应力 损失的经验方程与混凝土强度有关。 因为高性能混凝土梁通常比普通混凝土梁受压 大, 其预应力损失值将增大。预应力损失计算不准 将导致结构使用性能出现偏差, 因此高性能混凝土 的设计方法需进行合理评估。当前一些研究项目已 完成预应力高性能混凝土梁桥响应的量化分析。 Ahlborn 等人(1998 年)按照 AASHTO LRFD 对 2 座大
4、跨度高强度复合预应力梁桥的实测响应进行了 比较, 发现设计规范估高了高强混凝土弹性模量, 使 弹性压缩损失预测值过低而收缩徐变损失预测值过 高。Roller 等人( 1995 年) 对 4 座高强混凝土梁桥 进行了试验研究(2 座评估早期弯曲特性, 另 2 座评 估长期行为) , 得到以下结论: 若设计严格执行 AASHTO 标准, 则可充分保证高强混凝土制作的 预应力混凝土梁桥的强度。Kowalsky 等人( 2001 年)在北卡罗莱纳州测试了 4 座预应力高性能混凝 土梁桥预应力损失, 发现在总预应力损失中, 弹性压 缩与徐变引起的预应力损失比收缩引起的预应力损 失要大很多, 且大于预测值
5、, 这是由于实际混凝土弹 性模量小于预测值; 总预应力损失占初始应力损失 的% %。S、 K(年) 、 L ez 等人(2003 年)和 Waldron( 2004 年) 研究了其它 高性能混凝土桥梁。 Barr 等人 2001年研究了桥梁在活载作用下的 预应力损失响应, 2005 年研究了温度荷载作用下的 预应力损失响应。本文结合华盛顿州 SR18/ SR516 跨线桥工程实例, 介绍预应力混凝土桥的主要预应 力损失行为。 2SR18/ SR516 跨线桥概况 SR18/ SR516 跨线桥是一座三跨预应力混凝土 连续梁桥(见图1), 桥面宽 11. 6 m, 设计斜交角40 , 为 2 车
6、道。 图 1SR18/ SR516 跨线桥布置示意 每跨支撑桥面的是 5 片华盛顿 W74MG 型号主 梁。混凝土强度和预应力钢束设计基于 HS25 荷载 标准, 即主梁工作时混凝土容许拉应力为 0。第 2 跨主梁混凝土 56 d 抗压强度应达到 68. 9 MPa, 施 加预应力时其强度应达到 5M。由于第跨、 第 3 跨跨径较小, 因此施加预应力时混凝土强度只 23 预应力高性能混凝土桥的预应力损失比较朱琛 : 2010- 0 - 10 :19-2001E mail: 17 00. com 12. 919. 1hamsahn 2000op 1. 0Pa1 学兔兔 w w w .x u e
7、t u t u .c o m 需达到34. 5 MPa。通过增加主梁混凝土强度(预应 力放张时其强度高于典型值约 38 MPa, 56 d 时高于 典型值 48 MPa), 主梁间距设计为 2. 44 m, 主梁数 由 7 片减少到 5 片。 桥面板混凝土的抗压强度仅 27. 6 MPa, 但由于 掺入粉煤灰并在水中养护了14 d, 提高了其耐用性。 主梁在浇筑约 6 个月后与厚 190 mm的钢筋混凝土 桥面板组合, 数月后该桥通车。 3监测系统 主梁浇注前, 在第 2 跨的 3 片梁( 2A、 2B 和 2C)、 第 1 跨的 2 片梁( 1A 和 1C)梁底布置 20 个带 有热敏电阻的
8、振弦式应变传感器, 监测每片主梁测 点混凝土的温度和纵向应变。测试断面位置在墩顶 E(测试断面 E 距离 2 号墩 1. 52 m)和跨中 M 处( 见 图 1)。第 2 跨梁每个测试断面在梁底的左下和右 下各布置 1 个振弦式应变计, 应变计与梁底预应力 钢筋绑扎(焊接)在一起。由于第 1 跨预应力钢束的 质心不同, 该跨梁应变计埋设位于梁的不同高度。 浇筑完成 3 年中应变计始终监测梁的应变和温 度变化。混凝土养护阶段每 15 min 测读 1 次; 预应 力放张时测读时间间隔减少到 1 min; 放张后 6 个 月中测读间隔为 1 h, 之后间隔 6 h 测读 1 次。 4总预应力损失
9、总预应力损失主要包括: 钢束的松弛、 施加预应 力时混凝土的弹性压缩、 主梁工作期间的混凝土收 缩和徐变。本项研究对弹性压缩、 徐变和收缩引起 的应力损失进行监测。一般认为钢束松弛引起的预 应力损失相对较小, 本文未涉及该问题。式( 1)为预 应力钢束处混凝土应变变化与由预应力损失导致的 应力变化之间的关系式。 fpPL= Epc( 1) 式中,fpPL为预应力损失引起的钢束应力变化; Ep 为预应力钢束的弹性模量( 196. 5 GPa);c为实测 钢束应变。 将测得预应力钢束平均应变代入式( 1) 得到每 片梁总的预应力损失(见图 2、 图 3)。 第 2 跨梁自浇筑后近 3 年的实测平均
10、预应力损 失值为 385 MPa, 相当于张拉应力(1 396 MPa) 的 5%。每片梁在初期预应力损失率很高, 但由于 低强度桥面板在后浇注, 损失率大大减小。 图还表明因梁不同, 实测预应力损失值也不同。 梁最大预应力损失大于和 B的。预应力放 图 2第 2跨梁总预应力损失的实测值和计算值 图 3第 1跨梁总预应力损失的实测值和计算值 张时梁 2C混凝土成熟度最小( 1 270 !h), 预应 力损失最大。梁 2A 和 2B预应力放张时, 混凝土成 熟度分别为 1 470 !h 和 1 620 !h, 放张时三 者预应力损失变化趋势相同。 梁 1A 和 1C的平均预应力损失为 227 M
11、Pa, 相 当于张拉应力的 16. 2% 。第 1 跨梁所需施加的应 力较小, 因此预应力损失较小。经过近 3 年的监测, 第 1 跨 2 片梁实测预应力损失差值小于 6. 9 MPa。 实测值如此接近是因为梁为同期浇筑和同条件养 护。2 片梁预应力损失不同意味着预应力混凝土桥 养护的重要性。另外, 温度监测系统中热敏电阻高 度位置的细微变化可导致测试结果的显著差异。 无论梁是大跨径( 第 2 跨) 还是小跨径( 第 1 跨) , 按 AASHTO LRFD标准得到的预应力损失计 算值均大于按 NCHRP 18 07 的计算值。对于第 2 跨梁, 3 年的 AASHTO LRFD 计算值为 4
12、62 MPa, 比实测值高 20%, 而 NCHRP 18 07 方法所得的预 应力损失计算值比实测值小 16%。对于第 1 跨梁, STO LRFD 计算值与实测值误差小于 % , 而 NR计算值比实测值约小% 。为查明 这些误差产生的原因, 需对实测和计算中的预应力 损失因素进行比较。这些因素主要包括弹性压缩、 24世界桥梁 2010 年第 3 期 27. 200 d 2 2C2A2 AA H2 CH P 18 0722 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐变、 收缩和不均匀收缩等。 4. 1弹性压缩损失对比 放张时预应力损失为弹性压缩预应力损失, 在 总损失
13、量中占很大比例, 设计过程中需准确计入。 图 4 为每片梁平均实测弹性压缩预应力损失。第 2 跨梁平均实测弹性压缩预应力损失为 189 MPa, 张 拉应力损失了 13. 5%。第 1 跨梁平均弹性压缩预 应力损失为 71. 4 MPa, 张拉应力损失了 5. 1%。第 1跨梁跨度较小, 所需预应力钢束较少, 因此其弹性 压缩预应力损失较低。 图 4实测与预测的弹性压缩预应力损失 弹性压缩预应力损失计算值与计算方法和传力 时假定的弹性模量 Eci相关。由于传力时初始预应 力是主梁和钢束的函数, AASHTO LRFD 规范中 假定传力时初始预应力值为最终预应力值的 70% , 并用一个方程来计
14、算弹性模量, 此方程基于普通强 度混凝土并过高预测了高强混凝土的弹性模量。 NCHRP 方法并不能给出相近的初始预应力 值, 但采用有效截面方程可计算弹性压缩预应力损 失。计算弹性模量时, AASHTO LRFD 规范中的 方程适用于普通混凝土, 而 NCHRP 规范中的方程 适用于高性能混凝土。公式( 2)为弹性模量方程。 Ec= 33 000k1k2(0. 140+ f#c 1 000) 1. 5 f#c( 2) 式中, Ec为弹性模量(ksi, 1 ksi= 6. 84 MPa, 下同); k1为预测平均值时骨料类型的修正因子; k2为预测 预应力损失下限与裂纹控制上限时骨料类型的修正
15、因子; f#c为混凝土立方体抗压强度标准值( ksi)。 从图可知, 实测弹性压缩预应力损失比第、 跨梁的STO LRFD 计算损失值分别增大了 %和%。STO LRFD 方法得到的弹性 压缩预应力损失值偏低, 这是因为此方法估高了预 应力放张时钢束弹性模量。放张时实测预应力钢束 平均弹 性模量 约为 29. 6 GPa, 此数 值比 采用 AASHTO LRFD 法计算出的 37. 9 GPa 小。需注 意的是 AASHTO LRFD弹性压缩预应力损失的增 加导致总预应力损失增加, 总预应力损失已远高于 实测值。还应注意即便采用更精确的弹性模量值也 不能完全消除以下区别: AASHTO LR
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