钢绞线张拉后48 h内锚下预应力随时间衰减效应研究

蒋庆， 徐嵩基， 李涛， 高华睿， 周昆， 徐传昶

(1.山东高速建设管理集团有限公司， 山东 济南 250014； 2.山东高速湖北发展有限公司；3.山东大学 岩土与结构研究中心； 4.山东高速工程检测有限公司)

1 前言

在中国桥梁建设工程中，预应力混凝土梁桥长期存在典型的下挠、开裂病害，其原因主要有：预应力混凝土施工质量不过关，预应力张拉施工质量不过关，预应力波纹管道压浆施工质量不过关。其中，预应力张拉施工是最难以控制的一个环节，属于隐蔽工程。早期的预应力钢绞线张拉施工基本是由人工操作电动油泵进行张拉，这种施工方法最大的缺陷是：受施工人为因素影响，很难满足桥梁施工技术规范中张拉速率和稳压时间等各项要求。除有效张拉力不达标的情况外，同时还存在同束预应力钢绞线各根张拉力不均匀的现象，这种情况下容易导致钢绞线出现拉断或者滑丝。此外，外界环境条件以及材料自身特性的共同作用容易导致预应力混凝土梁桥有效预应力不断衰减。设计阶段，主要采用规范中理论公式估算各项预应力损失值，但未对整个施工及运营过程中预应力变化进行准确计算。施工阶段，目前普遍利用张拉控制力与钢绞线延伸量双控张拉施工过程，较之前的张拉工艺相比，其施工质量得以提升，但是其对每根钢绞线能否达到设计值仍无法精确保证。

基于以上情况，需要一种预应力钢绞线有效张拉力的测试技术来对工程质量进行动态检测，进而达到全面提升预应力张拉施工质量的目的。开展施工期预应力混凝土梁有效预应力检测技术的研究对保障桥梁的安全性、耐久性十分重要，拉脱法检测技术是目前工程应用性较强的一项技术。

通过拉脱法对预应力钢绞线进行反拉，使得钢绞线与夹片脱开，脱开瞬间用高精度仪器采集，从而得到预应力束内的有效预应力。检测过程中，分析张拉力与位移之间的关系(即张拉力-延伸量曲线)如图1所示，C点即对应得到锚下有效预应力值。

但是拉脱法的应用需要考虑以下关键问题：规范中规定张拉钢绞线后48 h内需要压浆，检测人员需要在压浆前进行张拉力检测，不能保证“即拉即测”，为准确测试不同时刻的预应力剩余量，保证检测时机的统一性，因此需要建立起48 h内钢绞线随时间衰减变化模型，准确评估时间衰减后锚下有效预应力的剩余量，以指导合理的检测时机。

2 测试方案

该研究依托现场试验得到20 m预应力混凝土箱梁钢绞线48 h内锚下有效预应力的变化测试值，通过有限元模拟出施工阶段预应力混凝土梁有效预应力损失变化的规律，通过对比分析确认实测数据和理论计算值的有效性，进行锚下预应力时间效应分析。

2.1 测试梁简介

选取山东省某在建高速公路改扩建工程预制梁场中20 m预制箱梁4片，截面尺寸相同，其中箱梁的预应力束形式有两种类型：A类和B类。主要材料：预制主梁混凝土采用C50混凝土，钢绞线采用φs15.2 mm，抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，张拉控制应力σ=0.75fpk。预制混凝土梁抗压强度达到设计混凝土强度等级的90%后张拉预应力钢束。箱梁张拉顺序为N1→N2→N3，具体梁体规格参见表1及图2。

表1 梁体规格

图2 试验梁截面形式(单位：mm)

2.2 试验设备及测试流程

自动化综合测试系统由穿心式压力传感器、温度传感器及相关配件组成。并将实时采集的压力值及温度数据上传至电脑内储存。

在梁体混凝土浇筑并养生7～8 d后，进入预应力钢束的张拉施工阶段，在预应力筋穿束张拉前，将压力传感器安装至锚具与梁端之间(仅在梁体单侧放置)，即进入张拉阶段；在张拉过程中，保持1次/min采集锚下预应力数值和环境温度数值，实时监控锚下预应力变化过程。待张拉结束3 h后，将设备调成自动采集模式，采样频率为1次/(10 min)。

3 测试结果及讨论

3.1 测试结果

2 880 min(48 h)内各束钢绞线预应力剩余率随时间及温度变化曲线如图3所示。

图3 钢绞线预应力剩余率随时间、温度变化曲线

从图3可以看出：2 880 min(48 h)内，环境温度对锚下预应力值有明显影响，预应力混凝土结构受环境温度循环的作用会发生明显的波动，因此每束钢绞线内有效预应力值呈周期性正弦波形曲线衰减。

3.2 张拉结束后48 h内时间衰减效应

分析实测数据，得到48 h内16束钢绞线预应力损失率曲线。分别提取N1、N2、N3及N4钢绞线损失率进行分析，建立各束钢绞线预应力损失变化数学回归模型，如图4所示。

拟合得到的各束损失率数学模型表达式为：

N1:

y=0.004 2lnt-0.004 8

(1)

图4 钢绞线损失率变化及线性拟合结果

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为钢绞线预应力损失率；t为张拉后经过的时间(t>1)(min)。

4 预应力损失变化随机有限元模拟

由于实际施工过程中，梁体施工受多重因素的影响，包括混凝土立方体抗压强度X1、张拉控制应力X2、环境年平均湿度X3、混凝土弹性模量X4、混凝土实际重量系数X5、钢绞线回缩量X6、实际加载龄期X7等。该7种影响因素对梁体结构的预应力体系性能影响较为敏感，施工过程中很难避免由于操作误差导致的影响因素取值的变化，故针对7种影响因素的不确定性展开随机有限元模型分析，采用拉丁超立方抽样的方法抽取随机影响参数，避免了重复抽样，能以较小的样本量反映总体的变异规律，抽样的次数可大大减少。

研究建立了考虑施工过程的预应力混凝土梁桥实体有限元单元模型，采用拉丁超立方抽样方法开展了随机有限元分析。

根据已有研究基础，对各个影响参数取值为：① GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》认为C50混凝土立方体抗压强度X1的变异系数为0.149；② 有效预应力的大小对长期变形有直接的影响，取决于张拉控制应力的大小和预应力损失。规范规定考虑超拉后张拉控制应力X2最大为 0.8fptk(1 488 MPa)，张拉控制应力取用截尾正态分布，均值为1 395 MPa，截断上限取1 488 MPa；③ 根据中国气象官方网站的天气预报信息，得到该研究所计算桥梁的桥址处年平均相对湿度X3=80%，同时认为年平均相对湿度服从x<100%、变异系数为0.039的截尾正态分布；④ 混凝土弹性模量X4服从变异系数0.04的正态分布；⑤ 桥梁施工期由于施工原因导致的实际重量X5分布服从正态分布，实际重量为设计重量的1.05倍，变异系数为0.1；⑥ 钢绞线张拉施工结束后产生的瞬时损失是由于夹片回缩导致的，该钢绞线回缩量X6服从均值为5.279的正态分布；⑦ 混凝土龄期X7服从μ=7 d的正态分布。影响因素参数如表2所示，采用拉丁超立方抽样方法，得到21组随机数，如表3所示。

表2 影响因素参数

表3 随机参数

将48 h分为10个施工阶段，每个施工阶段时长为0.2 d，采用无黏结式预应力钢绞线模拟无压浆状态下的钢绞线，梁体单元采用平面杆系单元，计算模型参见图5。

图5 有限元模型

有限元计算结果和试验测试拟合结果如图6所示。

从图6可以看出：

(1) 预应力损失率的实测拟合值比有限元数值分析结果偏大。

(2) 前500 min，实际测试拟合的预应力损失率变化增长明显，500 min后损失率逐渐趋于平缓；有限元计算结果显示预应力损失率也会随时间趋于平缓，但是在前期发展过程中没有实测值变化明显。

图6 实测值与有限元计算值对比

(3) 由统计数据可知在目前预应力张拉施工过程中，规范中规定的理论损失值计算偏小，设计时需注意。

5 结论

(1) 基于现场测试结果，通过拟合回归得到3种类型钢绞线预应力损失率数学模型表达式，该损失率模型呈对数函数形式变化。

(2) 前500 min测试中，实测值拟合的预应力损失率变化增长明显，500 min后损失率逐渐趋于平缓；有限元计算结果显示预应力损失率亦随时间趋于平缓，但在前期发展过程中没有实测值变化明显。