张拉工艺对预应力混凝土桥梁徐变的影响研究
0 引言
目前, 我国普通铁路上早期建造的预应力混凝土梁, 徐变上拱问题较严重, 以跨度32m预应力混凝土梁为例, 实测徐变上拱值平均达60mm。显然, 这样一种大变形量不能满足高速铁路预应力混凝土桥梁对徐变上拱限值的要求。如果桥梁徐变过大, 会导致桥面的轨道不平顺, 将严重影响高速铁路轨道线形, 高速行车时, 必然会影响行车的平稳性, 进而还可能威胁行车安全
影响预应力混凝土桥梁徐变的因素较多, 从施加预应力角度来说有以下几种:张拉流程、张拉龄期 (包括初张拉和终张拉) 、张拉控制应力、持荷时间等。笔者期望通过用试验对比的方法研究这几种因素对预应力混凝土桥梁徐变的影响规律, 为预应力梁长期变形的控制研究提供参考
1 试验设计
1.1 试验方案设计
以某客运专线32m预应力混凝土箱梁为原型, 根据相似关系理论, 按1∶4缩尺设计, 制作了5根计算长度为8m的T形截面梁, 开展徐变试验。经计算确定, 沿梁截面中心线布置2束 (4-s15.2) 共8根预应力钢绞线, 2束预应力筋编号分别为N1, N2, 梁体结构尺寸和预应力钢筋布置情况如图1所示。预应力筋全部采用7s15.2高强低松弛钢绞线
预应力梁参数设计如下:L-1为基准梁;初张拉控制应力为0.5 fpk, 终张拉控制应力为0.72 fpk;初张拉龄期为3d, 终张拉龄期为15d;初张拉半数预应力筋4根, 终张拉全部预应力筋8根。
L-2梁只进行预应力终张拉 (张拉1次完成) , L-3梁减小终张拉控制应力到0.65 fpk, L-4梁推迟初张拉的时间到7d龄期, L-5梁延后终张拉时间到混凝土28d龄期。5根预应力梁的编号、预应力张拉批次、张拉龄期和张拉控制应力等设计参数如表1所示。
图1 梁体尺寸及预应力钢筋布置
Fig.1 Beam size and layout of prestressed reinforcement
表1 T形梁设计参数
Table 1 Design parameters of T-beam
注:fpk表示预应力钢筋抗拉强度标准值
1.2 试验流程
5根预应力梁浇筑完成后, 采用蒸汽养护工艺进行养护, 然后预应力张拉作业, 最后开展徐变应变和徐变变形的观测, 试验流程如图2所示。试验观测方法简述如下。
1) 应变观测在每根梁的3个控制截面 (跨中截面和两支座截面) 的顶板、腹板、底板各设3个观测点, 每个点各埋设2只相互垂直的应变计, 用于测试竖向和纵向2个方向的应变。
2) 位移观测在模型梁的跨中位置底部架设位移计, 测跨中竖向变形;在两端支座位置底部架设位移计, 测支座沉降。
2 张拉工艺对预应力箱梁徐变变形的影响试验结果
2.1 张拉批次对徐变的影响对比研究
由图3可知, 不进行初张拉的L-2梁模板拆除后, 梁体在自重荷载作用下产生向下的挠曲变形, 由于此时混凝土强度和弹性模量尚未充分发展, 徐变挠度发展很快。混凝土龄期3d时拆模, L-2梁体弹性挠度为-1.654mm, 到混凝土龄期15d时, 总挠度为-2.012mm, 其中徐变挠度为-0.358mm, 而此时L-1梁的徐变挠度仅为-0.044mm。
图2 试验流程
Fig.2 Experimental process
图3 张拉批次对徐变变形的影响
Fig.3 Influence of tensile batch on creep deformation
L-2梁未初张拉, 其徐变上拱度小于基准梁L-1, 主要原因在于终张拉前L-2梁体在自重作用下产生较大的下挠徐变变形, 使得终张拉后积累的上拱变形减小。但L-2梁在早龄期时出现较大下挠变形可能会对结构内力有不利影响, 分析如下。
显然, L-2梁的下缘混凝土主应力和上下缘应力之差都小于基准梁L-1, 但由图4b可看到, L-2梁7d龄期时跨中截面下缘的拉应力达2.512MPa, 15d时拉应力达3.061MPa, 明显已超出此时混凝土的抗拉强度极限值。测试时也观察到跨中下缘位置处出现2条宽约0.3mm的非贯穿裂缝, 终张拉后发生愈合, 这对于全预应力混凝土梁显然不允许。
图4 L-1梁和L-2梁的跨中截面应力时程
Fig.4 Stress history of L-1 and L-2 beams in mid-span section
虽然L-2梁的总上拱度和徐变上拱度都小于L-1梁, 张拉工艺一次完成更节约工程量, 但终张拉前梁体下挠度较大, 并且跨中下缘产生过大拉应力, 形成局部裂缝。因此, 综合比较, 两次张拉成型工艺较一次张拉成型工艺更合理。
2.2 终张拉控制应力对徐变的影响对比研究
由图5可知, 终张拉控制应力对预应力混凝土的上拱度影响显著, 不论是上拱度还是徐变上拱, L-3梁均明显小于基准梁L-1。L-1梁与L-3梁相比, 终张拉控制应力从0.72 fpk降到0.65 fpk, 降幅约10%;相应的终张拉弹性变形由2.871mm降至2.468mm, 降幅约为14.0%;而210d的徐变拱度从0.462mm减小到0.371mm, 降幅达20%。这是因为弹性变形与张拉力 (外荷载) 基本呈线性关系, 而徐变变形与张拉力并不服从线弹性假设。
图5 终张拉应力值对徐变上拱变形的影响
Fig.5 Influence of final tensile values on creep deformation
L-3梁的跨中截面应力时程变化如图6所示, 由图可知, L-3梁的下缘混凝土应力和上下缘应力之差都小于基准梁L-1。
可见终张拉控制应力对梁体变形 (尤其是徐变) 影响显著, 适当降低预应力张拉控制应力可有效减小梁体后期变形和结构内力。建议精确设计计算预应力张拉值, 严格控制张拉工艺, 防止超张拉等问题给桥梁变形带来不利影响。
图6 L-3梁跨中截面应力时程
Fig.6 Stress history of L-3 beam in mid-span section
2.3 初张拉时间对徐变的影响对比研究
L-4梁 (延后初张拉至7d) 与L-1梁徐变上拱的对比如图7所示, 此时混凝土的强度和弹性模量高出3d时的约40%, 因而大幅度降低初张拉弹性变形, 也一定程度减小后期徐变变形。
图7 初张拉应力延后对徐变变形的影响
Fig.7 Influence of delaying initial tensile on creep deformation
但是, 由图8可知, L-4梁由于初张拉较晚, 造成跨中截面下缘早期出现小幅拉应力 (-1.157MPa) , 虽未开裂, 但对结构受力不利。另外, 由于预应力梁须在初张拉以后移梁, 此前都需占用制梁台座, 延后初张拉也意味着工期延后, 或增加制梁台座数量。
2.4 终张拉时间对徐变的影响对比研究
与L-1梁相比, L-5梁终张拉时间延后至28d龄期, 梁体混凝土进一步成熟, 此时 (28d) 混凝土的强度和弹性模量超过15d的15%。所以延后终张拉会减小梁体的弹性变形和徐变变形, 尤其明显降低后期徐变变形 (见图9) , 徐变降幅达26% (210d龄期时) 。虽然L-5梁终张拉前出现小幅度下挠变形 (0.177mm) , 但对整体结构无影响。
由图10可知, L-5梁体混凝土内部不但没有拉应力出现, 截面上下缘应力之差还较L-1小。另外, 终张拉都是在存梁区进行, 不产生额外的生产成本。因此, 合理的延后终张拉对预应力梁长期变形的控制有积极作用。
图8 L-4梁跨中截面应力时程
Fig.8 Stress history of L-4 beam in mid-span section
图9 终张拉延后对徐变变形的影响
Fig.9 Influence of delaying final tensile on creep deformation
图1 0 L-5梁跨中截面应力时程
Fig.10 Stress history of L-5 beam in mid-span section
3 结语
1) 张拉一次完成的L-2梁体其徐变变形小于基准梁L-1;但终张拉前梁体下挠度较大, 并且跨中下缘产生过大拉应力, 出现局部裂缝。可见, 两次张拉工艺 (初张拉+终张拉) 较张拉一次成型更合理。
2) 终张拉控制应力为0.65 fpk的L-3梁体, 其徐变变形明显小于基准梁L-1 (0.72 fpk) 。终张拉应力减小10%, 相应的徐变变形减小20%, 可见终张拉控制应力对梁体徐变变形影响显著。
3) L-4梁初张拉延后至7d龄期, 此时混凝土强度和弹性模量高出L-1梁的40%;因而L-4梁初张拉弹性变形大幅度降低, 也一定程度减小了后期徐变变形。但是初张拉延迟导致梁体局部出现拉应力, 而且会增加额外的施工成本。
4) L-5梁终张拉延后至28d, 此时混凝土强度和弹性模量超出基准梁的15%, 其后期徐变变形也明显降低 (约26%) 。L-5梁体内部无拉应力出现, 截面上下缘应力差较L-1梁小, 且不会产生额外费用。因此, 合理的延后终张拉对控制预应力梁长期变形有积极作用。
[2]沈明燕, 钟新谷, 舒小娟.箱梁桥竖向预应力张拉工艺与张拉时机的研究[J].施工技术, 2007, 36 (10) :38-40.
[3]胡狄, 陈政清.预应力混凝土桥梁收缩与徐变变形试验研究[J].土木工程学报, 2003 (8) :79-85.
[4]朱建.预应力张拉工艺对连续刚构桥应力及变形影响[D].武汉:武汉理工大学, 2012.
[5]童勇江.大跨度预应力混凝土无碴轨道连续梁桥后期徐变变形的研究[D].长沙:中南大学, 2008.
[6]罗俊礼.高速铁路预应力箱梁收缩徐变和温度时变效应试验研究[D].长沙:中南大学, 2014.