预应力混凝土箱梁桥腹板竖向预应力回缩损失控制与测试分析.pdf
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1、第 3 6 卷 第 8 期 2 0 1 4年 8月 铁 道 学 报 J OURNAL 0F THE CHI NA RAI LWAY S 0CI ETY Vo 1 3 6 Au g u s t NO 8 2 O1 4 文章编号 : 1 0 0 1 8 3 6 0 ( 2 0 1 4 ) 0 8 0 0 9 8 0 5 预应力混凝土箱梁桥腹板竖向预应力回缩 损失控制与测试分析 钟新谷,颜永先,沈明燕,刘学伟 ( 湖南科技大学 土木工程学院,湖南 湘潭4 1 1 2 0 1 ) 摘要 : 竖 向预应力损失过大是导致混凝 土箱梁腹板开裂 的主要 原因之一 , 在竖 向预应力损失 中钢筋 回缩损 失 占
2、绝大部分。本文提出一种操作简单、 传感器可以重复使用的竖向预应力回缩损失测量方法, 对 6 座实桥竖向 预应力回缩损失进行实测 , 共获得 2 3 9 个实测样本。样本检验表明竖向预应力回缩损失服从皮尔逊 曲线 一 , ( x, C , C s ) 分布, 得到满足工程可靠度 0 9 5的竖向预应力损失值为 7 3 6 k N。 关键词 :混凝 土箱梁 ;竖 向预应力损失 ;测 量方法 ;皮尔逊 曲线 中图分类号 : T U3 7 8 2 文献标志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 8 3 6 0 2 0 1 4 0 8 0 1 6 Re s
3、 e a r c h o n Ve r t i c a l Pr e s t r e s s Lo s s i n W e b s o f Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Bo x Gi r d e r d u e t o An c h o r a g e S l i p ZHoNG Xi n - gu, YAN Yo ng xi a n, SH EN M i n g ya n, LI U Xue we i ( S c h o o l o f Ci v i l e n g i n e e r i n g,Hu n a n Un i v e r s i t
4、 y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y,Xi a n g t a n 4 1 1 2 01 ,Chi n a ) A b s t r a c t : An e x c e s s i v e l o s s o f v e r t i c a l p r e s t r e s s e s i s o n e o f t h e ma j o r c a u s e s l e a d i n g t o c r a c k i n g i n t h e we b s o f a c o n c r e t e b o x g i r d
5、e r , a n d t h e ma i n r e a s o n l e a d i n g t o t h e e x c e s s i v e l o s s o f v e r t i c a 1 p r e s t r e s s e s i s a n c h o r a g e s l i p I n t h i s p a p e r , a s i mp l e t e s t me t h o d wi t h wh i c h s e n s o r s c a n b e r e u s e d wa s p r o p o s e d t o t e s t
6、v e r t i c a l p r e s t r e s s 1 o s s e s d u e t o a n c h o r a g e s l i p W i t h t h i s me t h o d, t e s t s o f v e r t i c a l p r e s t r e s s l o s s e s we r e c o n d u c t e d o n s i x b r i d g e s , a n d 2 3 9 s a mp l e s we r e o b t a i n e d Th e s a mp l e s i n d i c a t
7、 e t h a t t h e v e r t i c a l p r e s t r e s s l o s s e s f o l l o w t h e d i s t r i b u t i o n o f Pe a r s o n t y p e 11 I c u r v e y =f ( X, C v , C ) a n d t h e ma g n i t u d e o f v e r t i c a l p r e s t r e s s l o s s c o r r e s p o n d i n g t o t h e e n g i n e e r i n g r
8、e l i a b i l i t y l e v e l o f 0 9 5 i s 7 3 6 k N K e y w o r d s : : c o n c r e t e b o x g i r d e r ;v e r t i c a l p r e s t r e s s l o s s e s ; t e s t i n g me t h o d s ;P e a r s o n t y p e I l I c u r v e 为减少和控制大跨度预应力混凝土连续( 刚构) 箱 梁桥腹板主拉应力, 防止箱梁腹板混凝土开裂 , 在腹板 布置竖向预应力筋。目前 , 竖向预应力筋大多为精
9、轧螺 纹钢筋, 具有连接不受焊接约束、 锚 固方便、 施工简单 、 强度高、 低松弛等优点。预应力混凝土连续( 刚构) 箱梁 桥腹板尽管施加了竖向预应力, 在施工和运营过程中腹 板还是存在不同程度的开裂, 尤其是大跨度预应力混凝 土箱梁桥的腹板 比较 明显。文献 1 8 表明: 施加腹板 竖向预应力并没有完全防止腹板开裂, 竖向预应力损失 过大是导致混凝土箱梁桥腹板开裂 、 达不到设计 目标的 收稿 日期 : 2 0 1 2 0 7 0 7 ;修回 日期 : 2 0 1 3 - 0 5 0 8 基金项 目: 国家 自然科学基金( 5 1 1 7 8 1 8 3 ) 作者简介 : 钟新谷 ( 1
10、 9 6 2 一) , 男 , 湖南宁乡人 , 教授 , 博士 。 E - ma i l : 4 6 4 3 7 0 7 0 q q c o rn 主要原因之一 。竖向预应力损失主要是张拉后的回缩 损失 6 - 7 。拧紧螺母的锚 固程度、 螺母锥体与锚垫板 的 配合度、 钢筋与锚垫板的垂直度等因素对竖向预应力回 缩损失有重要影响, 并具有明显的随机特性 , 主要影响 因素是拧紧螺母的锚固程度。研究减少影 响竖向预应 力 回缩损失主要因素的随机性和竖 向预应力回缩损失 的随机特征 , 对大跨度预应力混凝土连续( 刚构) 箱梁桥 设计和施工具有重要的参考价值。 1 拧紧锚 固螺母的扭矩下限值确定
11、 1 1 竖向预应力筋张拉工艺 如 图 1所示 , 工人安装锚固螺母 , 通过连接套筒将 待张拉的竖向预应力筋联结 , 安装反力架 、 千斤顶 、 自 第 8 期 钟新谷等: 预应力混凝土箱梁桥腹板竖向预应力回缩损失控制与测试分析 9 9 锁螺母等 。启动油泵张拉千斤顶, 通过反力装 置使竖 向预应力钢筋的张拉力达到设计值( 油表读数对应的 张拉力 ) , 关 闭油泵回油阀。拧紧锚固螺母后 , 放 松千 斤顶 , 拆除 自锁螺母 、 反力装置等 , 完成竖 向预应力张 拉。其中, 最为关键的是拧紧螺母 的扭矩大小 , 决定 了 放松千斤顶后 的竖向预应力回缩损失值 。 自锁螺母 难) j 传感
12、器 桥面 锚具及 I 垫板 分表 精轧螺纹钢 卜 锚具及 卜 垫板 图 1 张拉工艺及 回缩损失 测量不意 图 1 2 拧紧锚 固螺母扭矩 与所产 生的竖 向预应力筋附 加轴力的本构关系测试 如果锚固螺母 的锥体与锚垫板 的锥面是完全吻合 的 , 其接触面是无任何杂质颗粒的清洁面 , 竖 向预应力 筋与锚垫板完全垂直, 保 持锚固螺母锥体与锚垫板锥 面完全接触所需要的拧紧锚固螺母扭矩可以忽略不 计 , 其 回缩损失是锚垫板的弹性压缩产生的。实际上, 锚固螺母 的锥体 、 锚垫板的锥面存在加工误差 , 竖向预 应力筋与锚垫板的垂直度存在安装误差, 接触面存在 混凝土 、 砂等细小颗粒等杂质 ,
13、如果拧紧锚 固螺母的扭 矩达不到要求, 放松千斤顶后的回缩损失可能导致竖 向预应力失效。 目前 , 有的设计单位在设计说 明时提 出拧紧锚固螺母应采用扭力扳手 , 施加一定扭矩后竖 向预应力钢筋产生附加轴力 , 扭矩产生 的附加轴力预 先压缩 了螺母、 锚垫板 、 混凝 土之间的缝隙 , 限制 了钢 筋的回缩量 , 减少 了锚 固应力损失 。但采 用多大的扭 矩并没有说 明, 监理工程师和管理人员对 锚 固螺母 的 拧紧程度无法直观确定 。 如 图 1 所示 , 在竖向预应力筋张拉后 , 关闭油泵的 回油阀。采用扭力板手拧紧螺母 , 通过安装 的传感器 测量竖 向预应力筋轴力变化, 在桥梁施工
14、过程中共进 行 7根竖 向预应力筋试验 , 试验结果如 图 2所示 。由 图 2可知 , 扭矩增量与附加轴力增量近似直线 , 符合一 般规律 。拟合 由图 2所示的试验数据 , 计算 的 7根竖 向预应力筋扭矩系数为 1 7 2 1 6 。 5 o 4 0 3 0 羹 2 o l O O 2 o 0 4 o o 6 o o 8 o o i o o o l 2 o o 扭矩 N - m 图 2 扭矩 附加轴力关 系 扭矩系数计算表明, 试验中 7 根竖向预应力筋锚 固系统的拧紧锚固螺母扭矩与所产生的竖向预应力筋 附加轴力的关系具有一定的离散性和随机特性 , 主要 原因是钢筋与螺母在制造过程 中存
15、在误差, 使得 螺纹 尺寸、 形状存在差异, 有的甚至存在铁屑、 沙粒、 碰伤等 缺陷。同时 , 钢筋与螺母的垂直程度存在安装误差等。 1 3 拧紧螺母的扭矩下限值确定 如 图 2所示 , 所试验的 7 根竖 向预应力筋在扭矩 达到 1 2 0 0 Nm时产生 的附加轴力 为 2 6 4 0 k N, 平均值 为 3 3 k N。一般 大跨度预应力混凝土连续 ( 刚 构) 箱梁桥梁高大多为 4 1 2 m, 平均附加 轴力所产 生的延伸量为 0 8 6 2 4 1 mm, 最低值接近文献 9 中螺母类锚 固 回缩值 l mlT l 。附加轴力 产生 的延 伸 量基本上可 以抵消文献 9 规定
16、的回缩值, 由此推 断, 拧紧螺母的扭矩下限值不应小于 1 2 0 0 N m。 拧紧螺母的扭矩所 产生 的竖 向预应力 筋附加 轴 力 , 会在竖 向预应力 筋轴 向产生 竖 向延 伸量 , 使 千斤 顶 放松 , 从而使传感器显示 的轴力值逐渐减小 , 千斤顶 的油压表读数也相 应减少 。当扭 矩达到 1 2 0 0 N m 时 , 附加平均轴力达到 3 3 k N, 相 当于设计张拉力 ( 设 计张拉力一般为 5 3 0 k N) 的 6 。也就是说 , 无 论采 用何种方式拧 紧螺母 , 拧 紧螺母要 使油泵 油表 读数 减少 6 以上 , 拧 紧螺母 的紧密程度就能达到控制 回 缩损
17、失 的质量要 求 。同时 , 监理 工程师 和管理 人员 可以通过油表读 数 的减少值 判断 螺母拧 紧的程 度 , 因此 , 螺母拧紧程度有了直观确定依据 。 2 竖 向预应 力筋 回缩 损失的统计 规律 2 1 竖向预应力回缩损失测量 现场测量竖 向预应力 回缩损失测 量采用 如 图 1 所示 的方法 。竖 向预应力 筋张拉 过程 中 , 在 千斤 顶 的顶部安装压力传感器, 同时, 在连接套筒两侧对称 安装百分表, 测量 回缩值。千斤顶张拉竖向预应力 筋张拉 至设计 吨位 时关 闭 回油 阀 , 通 过测力传 感器 读 出竖 向预 应 力 钢筋 的张拉 力值 。拧 紧锚 固螺母 后 ,
18、锚 固段钢筋的拉力增加 , 增加产生 的变形使竖 向 预应力筋外露段的变形增加 , 应变 减少( 减少 的程度 与外露段的长度相关 ) 。不考虑腹板混凝土和反力架 1 O O 铁 道 学 报 第 3 6 卷 的弹性压缩 , 拧紧螺母前预应力筋受力如 图 3所示 。 预应力钢筋 的拉 力 F 为千斤顶 张拉 竖 向预应 力筋 张拉至设计 吨位时关闭 回油阀后测力传感器所测量 的值 , 即压力传感器或 千斤 顶油压表的读 数 。此时 , 预应力钢筋的变形为 F F L一 L1 + L2 , L1 一 1 , L2 一 2(1) ni n L 式中: A、 E分别为预应力钢筋的截面积和弹性模量 ;
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