豎向預(yù)應(yīng)力在箱梁腹板斜裂縫中的應(yīng)用

豎向預(yù)應(yīng)力在箱梁腹板斜裂縫中的應(yīng)用

隨著混凝土連續(xù)大口徑一座梁、連續(xù)剛結(jié)構(gòu)、連續(xù)中橋的廣泛應(yīng)用，其腹部板的撕裂現(xiàn)象日益嚴(yán)重，尤其是在靠近現(xiàn)柱斷面和中室內(nèi)板的斜槽段上。另外,為了節(jié)約造價(jià)、簡便施工,減少彎起索、下彎索的做法也很普遍。這樣一來,把限制腹板主拉應(yīng)力的任務(wù)相當(dāng)大地轉(zhuǎn)移給了豎向預(yù)應(yīng)力,而目前一般大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋梁高較矮,導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力束很短,難以建立有效預(yù)應(yīng)力。因此,尋求設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力的有效途徑以控制裂縫的出現(xiàn),便成為廣大橋梁工程師亟待解決的課題。1豎向預(yù)應(yīng)力筋對(duì)混凝土構(gòu)件的預(yù)壓力實(shí)踐表明,箱形截面整體性好,結(jié)構(gòu)剛度大,承受正、負(fù)彎矩和抗扭的能力強(qiáng),是一種經(jīng)濟(jì)合理的截面形式。從受力角度來講,采用單箱單室薄壁截面,可以提高單位面積的慣性矩,同時(shí)也可以采用箱梁橋頂板橫向預(yù)應(yīng)力配筋與腹板內(nèi)豎向預(yù)應(yīng)力配筋來解決長懸臂箱梁橋的受力問題,以適應(yīng)箱形截面目前總的發(fā)展趨勢(shì)。隨著箱形截面預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的大量應(yīng)用,在一部分橋梁上出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性的腹板斜裂縫,豎向預(yù)應(yīng)力不足是引起這一現(xiàn)象的重要因素。在對(duì)一些橋梁的實(shí)際調(diào)查中,常有豎向預(yù)應(yīng)力筋永存預(yù)應(yīng)力不到位的情況,甚至在施工完成以后,有的豎向預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)無預(yù)應(yīng)力。同時(shí),由于箱梁橋高度有限,對(duì)施工要求較高,稍有不慎,豎向預(yù)應(yīng)力可能會(huì)損失過半。這對(duì)箱體的受力是極為不利的,因?yàn)樨Q向預(yù)應(yīng)力對(duì)箱梁橋截面主拉應(yīng)力的貢獻(xiàn)是相當(dāng)大的。在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中,由于預(yù)壓應(yīng)力的存在,各混凝土微分體除了承受使用荷載所引起的剪應(yīng)力和法向應(yīng)力外,還承受預(yù)應(yīng)力所引起的法向應(yīng)力。當(dāng)僅有縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí),法向預(yù)壓應(yīng)力的作用是水平的,即沿構(gòu)件的縱軸向;當(dāng)還有預(yù)應(yīng)力彎起鋼筋和豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí),法向預(yù)壓應(yīng)力的作用方向是傾斜的,既有水平方向的預(yù)壓應(yīng)力,又有垂直方向的預(yù)壓應(yīng)力。不難理解,縱向和豎向預(yù)應(yīng)力共同作用下所產(chǎn)生的在傾斜面上的主拉應(yīng)力將比僅有使用荷載作用時(shí)小得多。由于腹板斜裂縫的出現(xiàn)取決于主拉應(yīng)力的大小,因此預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件斜截面的抗裂性也比普通鋼筋混凝土好,特別是在有預(yù)應(yīng)力彎起鋼筋或豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)。2預(yù)應(yīng)力錨固端設(shè)置目前,豎向預(yù)應(yīng)力的設(shè)置主要采取箱梁腹板中配置精軋螺紋鋼筋YGM錨固體系的豎向預(yù)應(yīng)力,其中有Φ32和Φ25兩種。實(shí)際上豎向預(yù)應(yīng)力筋一般都很短,大跨徑變高度連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)一般在3～10m左右,而頂推法施工連續(xù)梁一般只有3m左右。鋼筋的張拉伸長量都較小。從錨固損失σL2=∑ΔLLEPσL2=∑ΔLLEΡ的計(jì)算式可以看出,在鋼筋特別短的情況下,錨固損失特別明顯,實(shí)際有效預(yù)應(yīng)力喪失殆盡。另外,在實(shí)際工程中,精軋螺紋鋼筋被拉斷的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生,鋼筋拉斷的位置都在張拉端錨墊板下。這是由于錨墊板平面與預(yù)應(yīng)力鋼筋軸線不垂直,或張拉時(shí)千斤頂?shù)睦瓧U與鋼筋不在同一直線,造成預(yù)應(yīng)力筋截面偏心受拉。由于拉力不均勻,拉力的一端大于鋼筋的極限應(yīng)力,鋼筋一旦拉斷,無法補(bǔ)救,危害更大。關(guān)于豎向精軋螺紋鋼筋預(yù)應(yīng)力損失大的問題,有人提出采用其他預(yù)應(yīng)力錨固體系代替。比如采用Φs7平行刻痕鋼絲,鐓頭錨體系,即錨固端用鋼絲穿過錨墊板,直接鐓頭;張拉端采用A型鐓頭錨具。由于張拉伸長量小,錨杯長度可以減短,故可以降低成本。這主要是利用平行鋼絲比精軋螺紋鋼筋強(qiáng)度高,預(yù)應(yīng)力噸位任意選擇,壓漿后與水泥漿粘結(jié)握裹效果好,鐓頭錨預(yù)應(yīng)力損失小的優(yōu)點(diǎn)。另外,在設(shè)計(jì)方面也有人提出了以下2種豎向預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置的新方法:(1)采用整體錨墊板(圖1)優(yōu)點(diǎn):采用整體錨墊板使預(yù)應(yīng)力可通過多點(diǎn)連續(xù)傳遞,減少應(yīng)力空白區(qū),減少預(yù)應(yīng)力損失,提高腹板縱向整體性和抗剪能力。缺點(diǎn):由于混凝土受壓時(shí)的剛度一般要大于錨墊板的剛度,要想充分發(fā)揮此方法的優(yōu)勢(shì),勢(shì)必錨墊板要加厚以增加其剛度。若不如此,預(yù)應(yīng)力損失將很大,使豎向預(yù)應(yīng)力難以建立,且錨墊板的使用會(huì)增加費(fèi)用。(2)采用環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋方法1:將2根豎向力筋連在一起,在梁頂面張拉,錯(cuò)位布置(圖2(a))。方法2:利用橫向預(yù)應(yīng)力筋間隔在梁底下張拉(圖2(b))。優(yōu)點(diǎn):通過加長預(yù)應(yīng)力長度,可增加預(yù)應(yīng)力筋的伸長量和保存有效預(yù)應(yīng)力,有效發(fā)揮豎向預(yù)應(yīng)力筋的作用,減少剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力。缺點(diǎn):由于預(yù)應(yīng)力筋的曲折布置,可導(dǎo)致額外的預(yù)應(yīng)力損失,且鋼筋定位困難,施工復(fù)雜。另一方面,由于存在彎角,現(xiàn)行規(guī)范預(yù)應(yīng)力損失公式也難以適用,難以精確計(jì)算有效預(yù)應(yīng)力。3預(yù)應(yīng)力損失的比較國際工程界從上世紀(jì)80年代后期開始將碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)作為鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼材的替代材料加以研究,并陸續(xù)將其作為PC橋梁的張拉材料等。考慮到橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)心的材料性能,可以發(fā)現(xiàn),CFRP材料與鋼材相比,具有抗拉強(qiáng)度高、彈性模量低、疲勞性能優(yōu)良、重量輕、抗腐蝕性能好、熱膨脹系數(shù)低等諸多優(yōu)點(diǎn)。但也有缺點(diǎn),主要是延性差,材料破壞是脆性破壞,剪切強(qiáng)度低。因此把CFRP棒材作為豎向預(yù)應(yīng)力筋正是利用其優(yōu)點(diǎn)。下面通過簡化模型計(jì)算CFRP棒材和精軋螺紋鋼分別作為豎向預(yù)應(yīng)力筋時(shí)的預(yù)應(yīng)力損失百分率,以此說明CFRP棒材能夠建立比較有效的豎向預(yù)應(yīng)力。工程中一般把豎向預(yù)應(yīng)力加在大跨徑箱梁腹板上,當(dāng)然腹板上還有縱向預(yù)應(yīng)力甚至橫向預(yù)應(yīng)力。為了簡化問題,不考慮它們之間的耦合影響,這里只研究2種材料在相同條件下(相同張拉力)豎向預(yù)應(yīng)力的損失情況。按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)中有關(guān)鋼筋預(yù)應(yīng)力損失的公式進(jìn)行估算,分別計(jì)算出2種材料在腹板高度為1～10m(每隔0.5m比較1次)時(shí)的預(yù)應(yīng)力損失百分率。計(jì)算結(jié)果見圖3,模型選用參數(shù)如表1所示。根據(jù)圖3可以得出結(jié)論:(1)在相近的張拉控制力下(鋼筋的張拉力是542.9kN,CFRP的張拉力是543.5kN),可看出鋼筋的預(yù)應(yīng)力損失百分率比CFRP的預(yù)應(yīng)力百分率損失高出3倍,而且這是在CFRP的控制張拉應(yīng)力的系數(shù)(僅為0.5,而精軋螺紋鋼是0.9)選取非常保守的情況下得到的。假如CFRP的張拉技術(shù)更趨于成熟,材料的性能更加穩(wěn)定,此系數(shù)勢(shì)必還將有所提高。而從預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算步驟中可以看出,CFRP控制張拉應(yīng)力的提高將顯著地縮減預(yù)應(yīng)力損失百分率。(2)隨著腹板高度的逐步遞增,鋼筋的預(yù)應(yīng)力損失百分率減少較快,也就是說當(dāng)腹板高度達(dá)到一定值,鋼筋的預(yù)應(yīng)力損失也不大,此時(shí)用CFRP代替鋼筋顯得不夠經(jīng)濟(jì)。如果要求腹板需要較大的預(yù)加應(yīng)力時(shí),顯然可以通過縮小鋼筋束的布置間距來達(dá)到所需的預(yù)加力以限制腹板裂縫的擴(kuò)展,可這樣一來,間距過窄勢(shì)必增加施工難度,減慢施工進(jìn)度,相應(yīng)地增加經(jīng)濟(jì)成本。但此時(shí)如果使用CFRP,其高強(qiáng)性能就得以充分體現(xiàn),能夠達(dá)到要求的預(yù)加應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力束的間隔也可相應(yīng)拉大,既可加快施工進(jìn)度,又可縮小施工規(guī)模,獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益?？梢奀FRP力筋取代精軋螺紋鋼作為豎向預(yù)應(yīng)力束是可行的,并且能夠建立有效的豎向預(yù)應(yīng)力。4特殊加固設(shè)備和施工技術(shù)4.1我國錨固結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展現(xiàn)狀高強(qiáng)鋼筋的錨具中,除了錨固高強(qiáng)鋼絲束的鋼質(zhì)錐形錨具是摩擦型的錨具外,螺絲端桿錨具、夾片式等錨具均是利用了高強(qiáng)鋼材橫向抗剪強(qiáng)度高的特性來進(jìn)行錨固。而CFRP力筋的抗剪強(qiáng)度較低,特別是在應(yīng)力集中處易發(fā)生由部分纖維絲斷裂導(dǎo)致的CFRP力筋的整體斷裂。因此,如何保證錨固處的CFRP力筋均勻受力且不被剪壞是CFRP力筋錨具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。日本、美國等國家CFRP的應(yīng)用要早于我國,其開發(fā)的錨具類型主要有3種:夾片型,灌漿型和壓鑄管夾片型。應(yīng)用最多的是灌漿型錨具,另外還開發(fā)了非金屬灌漿型錨具。國內(nèi)東南大學(xué)在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國現(xiàn)有張拉設(shè)備,研發(fā)了杯口灌膠式錨具、套筒灌膠式錨具、粘砂夾片式錨具、帶膠擠壓式錨具、帶護(hù)套夾片式錨具等5種錨具;方志等人研究了用環(huán)氧鐵砂和普通混凝土作為粘結(jié)介質(zhì)的粘結(jié)式錨具對(duì)CFRP力筋的錨固性能,通過試驗(yàn)研究,提出了有效錨固CFRP力筋的改進(jìn)方法;張鵬等人針對(duì)南京莫科研院所研制的碳纖維塑料筋,研制了適用于碳纖維塑料筋的預(yù)應(yīng)力夾片式錨具和灌注式螺絲端桿錨具,并成功地應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)中;高丹盈等人研究了纖維增強(qiáng)塑料筋錨桿的組成、生產(chǎn)工藝和這種錨桿的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用,并對(duì)纖維增強(qiáng)塑料筋錨桿錨具的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了研究。因?yàn)镃FRP筋材是用樹脂材料將CFRP纖維絲膠合而成的,樹脂與樹脂之間具有粘結(jié)性能,通過界面膠結(jié)力、摩擦力以及表面凹凸產(chǎn)生的機(jī)械咬合力來傳遞剪力,從而建立預(yù)應(yīng)力。灌注式錨具可以較好地利用這些優(yōu)點(diǎn),且能避開CFRP橫向抗剪強(qiáng)度低的缺點(diǎn),因而具有較好優(yōu)勢(shì),在目前也頗為流行。筆者提出的適用于CFRP豎向預(yù)應(yīng)力筋錨固的新型錨具也屬于灌注式錨具,是基于墩頭錨具并結(jié)合套管粘結(jié)技術(shù)提出的,適合CFRP的張拉及錨固。4.2灌注式套管頭錨的構(gòu)造錨固端:根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)并考慮到碳纖維的材料特性,錨固端可以在工廠預(yù)制成杯型的碳纖維棒或在施工現(xiàn)場穿束后澆筑一塊杯型的CFRP材料,然后外套杯型中空的鋼塊錨固。張拉端:把普通鐓頭錨具的一端改成中空套管,里面涂抹特殊樹脂。CFRP棒材直接插入套管中,套管尺寸可根據(jù)所需的粘結(jié)長度和CFRP的直徑確定,也就是說可以實(shí)現(xiàn)套管和CFRP棒材的100%粘結(jié)(即此處無預(yù)應(yīng)力損失或說預(yù)應(yīng)力損失小到可以忽略不計(jì))。灌注式套管鐓頭錨具體構(gòu)造見圖4。施工步驟:從腹板底部穿束→實(shí)現(xiàn)套管與光圓端CFRP的粘結(jié)→與千斤頂連接進(jìn)行張拉→擰入螺帽錨固,在壓漿孔中注入環(huán)氧樹脂封錨。4.3預(yù)應(yīng)力值與實(shí)際值的對(duì)比(1)豎向預(yù)應(yīng)力筋束比較短,其錨頭的損失占主體,故采用有效的張拉設(shè)備、嚴(yán)格的張拉工藝是克服短束預(yù)應(yīng)力損失,縮小預(yù)應(yīng)力損失,縮小預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值與實(shí)際值差距的有效措施。(2)預(yù)埋鋼板尺寸要合理選用,這直接關(guān)系到預(yù)加力的有效傳遞以及控制混凝土的豎向壓應(yīng)力。如果設(shè)計(jì)過大則較為浪費(fèi),過小則預(yù)加力無法有效擴(kuò)散傳遞,產(chǎn)生不必要的豎向壓應(yīng)力空白區(qū),同時(shí)可能導(dǎo)致混凝土豎向壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值,這也是有害的。(3)環(huán)氧樹脂起保護(hù)CFRP棒材不受腐蝕和粘結(jié)混