预应力混凝土箱梁桥的预应力损失成因及控制方法

　　摘要：随着我国高速公路建设的蓬勃发展，桥梁建设进入了前所未有的高潮时期。由于预应力损失的影响，结构的实际应力与设计应力很难完全吻合，即计算应力不能很好地反映结构的实际应力状态，从而留下安全隐患，严重影响了工程建设质量，文中简单阐述了预应力混凝土箱梁桥预应力损失的成因及控制方法。

　　关键词：箱梁桥；预应力钢绞线；预应力损失

　　1.概述

　　随着我国高速公路建设的蓬勃发展，桥梁建设进入了前所未有的高潮时期。特大型桥梁的结构安全性已成为当今社会普遍关注的问题。对大跨度预应力混凝土桥梁而言，由于结构预应力损失的影响，结构的实际应力与设计应力很难完全吻合，即计算应力不能很好地反映结构的实际应力状态［1］。目前，在部分已建成运营的大跨度预应力混凝土连续梁桥的不同部位出现了不同程度的开裂现象，其多数是由于设计时对预应力钢绞线（特别是长钢绞线）的应力损失估计不足而造成的。因此，在大跨度混凝土结构桥梁设计时，对结构施工中的预应力损失要有足够的估计，尽可能根据实际施工情况，合理地配置预应力筋。这样才能准确地估算结构的预应力损失，确定施工时必须施加的预应力值，保证预应力混凝土结构的承载能力，确保桥梁结构在设计运营时期的安全性和可靠性［2］。

　　2.工程概况

　　天峻路高架桥及海湖路互通立交桥位于丹（东）拉（萨）国道主干线西宁过境公路西段第三合同段，是西宁过境公路西段的重点工程。设计荷载：公路—I级，主线桥设计车速为100km/h。主线桥采用预应力箱梁设计，梁体基本截面形式为：单箱双室腹板箱梁，桥面变宽处采用单箱多室直腹板箱梁（最宽处为单箱五室直腹板箱梁）。主线桥采用后张法施工，单向预应力体系，纵向预应力采用高强度低松弛钢绞线，布置在腹板及顶板内，锚具均采用OVM锚固体系，预应力管道采用镀锌钢波纹管成型。对预应力混凝土箱梁桥在施工中张拉时所产生的预应力损失进行分析，并对如何在施工中控制预应力损失进行研究。

　　3.预应力混凝土箱梁桥的预应力损失产

　　生原因

　　⑴预应力损失原因：加到混凝土构件上的初始预应力，由于种种原因会随着时间增长而发生应力损失。在先张构件中，应力损失的原因有：混凝土的弹性压缩、收缩、徐变以及预应力钢筋的松弛；在后张构件中，还有摩阻力和锚具造成的损失。弹性压缩、摩阻力和锚具损失是瞬时性的，而钢筋松弛损失、混凝土收缩和徐变则是随着时间变化的［3］。

　　⑵预应力损失的组成如下：

　　①预应力筋与孔道壁之间摩擦引起的应力损失。包括弯道影响引起的摩擦力和孔道偏差影响引起的摩擦力。摩擦损失，主要由管道的弯曲和管道位置偏差两部分影响所产生。

　　②变形、预应力筋回缩和分块拼装构件接缝压密引起的应力损失。工具夹片的老化也会对张拉施工造成很大的影响，主要表现为测量得出的伸长值完全符合控制伸长值的要求，但千斤顶油表的读数确不能达到控制要求。这就要求做到每次张拉前检查工具夹片的老化情况，防止出现张拉控制应力达不到要求的情况。

　　③凝土加热养护时，预应力筋和台座之间温差引起的应力损失。

　　④凝土弹性压缩引起的应力损失。

　　⑤应力筋松弛引起的应力损失。

　　⑥凝土收缩和徐变引起的应力损失。

　　⑶控制张拉量：设计控制预应力筋张拉伸长量的主要目的是通过控制施工过程中的预应力损失，来保证构件截面的控制应力，使之符合设计要求。但实际施工中发现由于多跨预应力混凝土连续箱梁的预应力束均按空间曲线布置，管道摩阻影响预应力损失很大。而《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第6.2.1条规定：“预应力损失宜根据试验确定，当无可靠的试验数据时，可按本节的规定计算”，大多数设计者按其提供的公式和参数计算延伸量，所以就产生了延伸量不符的情况。

　　4.预应力混凝土连续梁桥施工控制

　　桥梁结构施工控制的目的就是确保施工过程中结构的安全，保证桥梁成桥线形及受力状态基本符合设计要求。为了达到施工控制的目的，必须对桥梁施工过程中每个阶段的受力状态和变形情况进行预测和监控。因此，通过合理的理论计算分析来确定桥梁结构施工过程中每个阶段在受力和变形方面的理想状态，以便控制施工过程中每个阶段的结构行为，使其最终的成桥线形和受力状态满足设计要求。从这个意义上讲，施工控制中的结构计算方法不仅能对整个施工过程进行描述，反映整个施工过程中结构的受力行为，而且还能确定结构各个阶段的理想状态，为施工提供中间目标状态［4］。

　　以左线第十二联箱梁为例，最初进行预应力张拉施工的时候，只有箱梁底板处负弯矩5孔的扁锚体系出现了伸长值不足的情况，有部分钢绞线不能达到理论设计值的下限，如下图所示：其中只有3号钢绞线能够达到控制伸长值，2号和4号钢绞线基本能够达到，而1号和5号钢绞线很难达到控制伸长值。

　　经过分析，伸长值不够的原因主要是因为钢绞线和扁型波纹管之间的摩阻损失所造成的，原设计采用的是镀锌钢波纹管，设计文件中预应力孔道摩擦系数为0.20，但一般来说，考虑到施工中的实际因素，金属波纹管应取0.25，更改摩擦系数后，再次计算该束钢绞线的伸长值，1号5号仍然不能满足伸长值下限要求，经过仔细分析，预应力损失仍为钢绞线和波纹管之间的摩阻损失，因此在后期施工中，将所有扁型镀锌波纹管更换为塑料波管。塑料波管与金属波纹管相比，具有很多优点，耐腐蚀性能远远优于金属，不怕酸、碱腐蚀，它本身不腐蚀，能有效地保护预应力筋不受腐蚀，很多预应力结构承受着外界严重的影响，如除冰盐或盐水。当后张构件由于防水层的崩溃、微裂缝漏水和排水设施的阻塞或失效时，预应力筋就会可能受到腐蚀作用。《FIP施工指南（1990）》中的“预应力筋的灌浆”指出，金属管没有永久的防腐能力，不足以抵抗水的渗漏和到达浆体以及预应力筋。而塑料波纹管能为预应力筋提供一种远远优于金属波纹管的屏障保护作用，能防止有害物质穿透管道的污染，从而保证了后张预应力结构具有更好的耐久性，同等条件下，塑料波管预留孔道的摩擦系数明显小于金属波纹管预留孔道的摩擦系数，减小了张拉过程中预应力的摩擦损失［5］。一般地，塑料波纹管的摩擦系数取0.14，而金属波纹管的摩擦系数取0.25；塑料波纹管的强度高，不怕踩压，不易被振捣捧凿破，其密封性能和抗渗漏性能高于金属波纹管，更适用于真空灌浆。经过更换波纹管后，张拉伸长值达到了控制伸长值的范围，保证了构件截面的控制应力。

　　按国内当前施工水平对预应力摩阻的损失的估计，规范取值要适当放大。具体原因如下：

　　⑴混凝土振捣时振捣棒难免挤碰波纹管及施工时波纹管逐段拼接定位不好，都会导致孔道沿纵向凹凸不平，平直度误差，即曲线半径变小，摩擦系数变大，损失就越大；

　　⑵波纹管局部破损导致浇混凝土时局部漏浆，从而使孔道内壁粗糙，即产变大，损失就变大；

　　⑶随着钢绞线长度的增大，预应力筋编束和穿束时相互缠绕的机率增大，损失就增大。

　　⑷张拉过程中预应力筋与孔道之间的摩擦系数及孔道局部偏差影响系数是波动的，应当按照工程实际进行取值。

　　通过上述分析，结合工程实践中已有的一些经验，建议在超长预应力结构的设计和施工过程中，可以采取一些措施以减小孔道摩擦损失或补足有效预应力、以建立设计要求的预应力值。

　　⑴工地现场的预应力筋应尽量盘卷存放于室内，防止雨淋后生锈；

　　⑵预应力筋在编束时，应梳理顺直、绑扎牢固，防止相互缠绕；

　　⑶波纹管应选用摩阻小的塑料波纹管，最大程度降低预应力损失；

　　⑷锚固前增加张拉持荷时间和反复张拉均可减小孔道摩擦损失；

　　⑸跨中区段适当增加预应力筋数量（可采用无粘结预应力筋），以弥补有效预应力的不足；

　　⑹有条件的情况，应根据实测结果调整张拉工艺或张拉控制应力，以满足设计要求。

　　5.研究展望

　　预应力损失的研究是一项十分复杂的工作，涉及面相当广泛，施工过程中的影响因素很多且复杂，不可能完全分析清楚。影响桥梁预应力损失的因素是多方面的，本文仅从管道壁与钢绞线摩擦引起的预应力损失的角度进行分析研究。而温度的变化、混凝土的收缩、徐变等都会对预应力损失产生深远的影响，所以在今后大跨度桥梁设计、施工控制中预应力损失的研究要重点把这些因素的影响分析清楚。

　　参考文献

　　［1］交通部公路规划设计院编.公路桥涵设计通用规范（JTJ021—2004）［S］.北京：人民交通出版社，2004

　　［2］交通部公路规划设计院编.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTJ023—2004）［S］.北京：民交通出版社，2004

　　［3］徐岳，王亚君，万振江编著.预应力混凝土连续梁桥设计.北京：人民交通出版社，2000

　　［4］范立础编著.预应力混凝土连续梁桥北京：人民交通出版社.1988

　　［5］李国平.预应力混凝土结构设计原理北京：民交通出版社，2000

　　房海军