孫 莉 戴 瑋

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司 合肥 230088;2.公路交通節(jié)能與環(huán)保技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心 合肥 230088)

過去人們認(rèn)為體內(nèi)預(yù)應(yīng)力相較體外預(yù)應(yīng)力具有更好的耐久性。但現(xiàn)在一般均認(rèn)為體外預(yù)應(yīng)力體系不論從鋼束本身，還是從體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的構(gòu)造上來看，均具有更好的耐久性。首先體外束具有自己的多層防護(hù)體系；其次體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)由于鋼束布置在混凝土之外，腹板、底板內(nèi)的鋼束量減少，使混凝土灌注更容易；此外體外束具有可檢測(cè)、可補(bǔ)張、可更換等體內(nèi)束所不具有的特點(diǎn)[1-2]，因此體外預(yù)應(yīng)力在實(shí)際工程中的應(yīng)用越來越多。但由于國內(nèi)早期體外預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用案例較少，工程師們對(duì)其使用效果仍有懷疑。本文以一新建體內(nèi)體外混合配束大跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楸尘?，分析其上布置?2個(gè)磁通量傳感器在約5年內(nèi)獲得的4批索力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以評(píng)估體外預(yù)應(yīng)力的使用效果。

1 混合配束大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)簡介

曹河橋是岳武高速安徽段一座大跨度懸澆變截面連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置 63 m+115 m+63 m，橋梁立面布置見圖1。橋梁分左右幅，單幅橋面布置為0.5 m護(hù)欄+11.0 m行車道+0.5 m護(hù)欄。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室直腹板連續(xù)箱梁，頂板和底板分別寬12 m和6.5 m，主墩墩頂位置的梁高7 m，跨中梁高3 m。設(shè)計(jì)荷載采用公路-I級(jí)。該橋于2015年底建成通車。

圖1 曹河橋立面布置(單位：cm)

橋梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)采用雙向預(yù)應(yīng)力體系，在縱向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)中采用了體內(nèi)-體外混合配束。體內(nèi)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)主要為基本滿足結(jié)構(gòu)在施工與使用狀態(tài)的受力要求，而體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)則主要為抵消體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束長期損失的不確定性帶來的不利影響。單幅橋梁體外預(yù)應(yīng)力的配置為兩邊跨各布置了4束φs15.2-16，中跨布置了6束φs15.2-16，邊跨鋼束與中跨鋼束在中墩頂橫梁處交叉錨固，兩邊跨在約跨中位置、中跨在2個(gè)三分點(diǎn)位置設(shè)轉(zhuǎn)向塊。體外預(yù)應(yīng)力鋼束采用鍍鋅鋁合金無黏結(jié)鋼絞線，可單根張拉。全橋合龍后對(duì)體外束進(jìn)行初次張拉，設(shè)計(jì)張拉控制應(yīng)力0.45fpk=837 MPa，單根鋼絞線對(duì)應(yīng)的理論張拉力為F0=116.3 kN。后期運(yùn)營階段可以視橋梁的使用狀況，選擇合適時(shí)機(jī)對(duì)體外束進(jìn)行補(bǔ)張拉。

2 體外束索力長期監(jiān)測(cè)實(shí)施概況

曹河橋?yàn)榘不帐∈鬃捎皿w外預(yù)應(yīng)力的新建橋梁。為充分利用體外預(yù)應(yīng)力方便檢測(cè)與更換的特點(diǎn)，并為體外預(yù)應(yīng)力的進(jìn)一步推廣利用積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，該橋在體外束安裝張拉的同時(shí)，即安裝了一定數(shù)量的閉合式磁通量傳感器，以長期監(jiān)測(cè)體外束索力隨環(huán)境溫度、運(yùn)營時(shí)間等變化而產(chǎn)生的變化。

監(jiān)測(cè)方案受成本控制等因素影響，考慮鋼束在橋梁上對(duì)稱布置的特點(diǎn)，兩邊跨各選1束、中跨選4束對(duì)其2根鋼絞線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其余各束則只監(jiān)測(cè)其中1根鋼絞線，磁通量傳感器的平面布置見圖2。單幅共布設(shè)36個(gè)傳感器，其中中跨20個(gè)，兩邊跨各8個(gè)，左右幅共72個(gè)，左右幅橋梁的傳感器布置相同。

圖2 磁通量傳感器的平面布置示意(僅示意單幅橋梁的一半，另一邊跨的布置與示意邊跨對(duì)稱)

自2015年5月體外束初始張拉，至2020年5月，共進(jìn)行了4次測(cè)量，各次測(cè)量的具體時(shí)間及對(duì)應(yīng)的橋梁工況見表1。

表1 各次測(cè)量的具體時(shí)間及對(duì)應(yīng)的橋梁工況

3 長期監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 體外束索力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4次測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)較多，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，左、右幅橋梁各傳感器的索力數(shù)據(jù)呈相似的變化規(guī)律；同一鋼束在2根鋼絞線上分別設(shè)置傳感器時(shí)，2個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)接近且變化趨勢(shì)相同，因此選取了單幅橋梁上有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，左幅橋梁上24個(gè)傳感器4次測(cè)量的數(shù)據(jù)見表2。

表2 左幅橋梁24個(gè)傳感器4次測(cè)量的數(shù)據(jù)

表2中傳感器編號(hào)的第一位L、R分別代表左、右幅橋梁，第二位X、Z、D分別代表小樁號(hào)邊跨、中跨和大樁號(hào)邊跨，第三位為體外束的序號(hào)，第四位ZL、ZR分別代表轉(zhuǎn)向塊左側(cè)與右側(cè)，最后一位為傳感器的流水號(hào)。在部署的72個(gè)傳感器中，L-X-L1-ZL-1傳感器在第4次測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)已損壞，無法測(cè)得數(shù)據(jù)，其余的傳感器工作狀況良好。

表2同步給出了各次測(cè)量的單根鋼絞線索力之間的差值與理論張拉力F0的比值，由于F4與F3很接近，(F4-F3)/F0均在±1%范圍內(nèi)，全部數(shù)據(jù)的平均值約為-0.02%，故表2未示出。同理由于F4與F3很接近，在全部傳感器各次測(cè)量的索力數(shù)據(jù)分布圖(見圖3)中，未示出第四次測(cè)量的數(shù)據(jù)。圖3橫軸1～36代表左幅橋梁的傳感器，36～72代表右幅橋梁的傳感器。

圖3 全部傳感器各次測(cè)量的索力數(shù)據(jù)分布

對(duì)該橋來說，已有的索力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均針對(duì)施工和正常使用狀況，這些狀況下體外束的應(yīng)力增量非常有限[3]，可認(rèn)為體外束的索力變化主要由預(yù)應(yīng)力損失所導(dǎo)致。引起體外預(yù)應(yīng)力損失的主要因素包括：

1) 鋼束在轉(zhuǎn)向和錨固構(gòu)造內(nèi)的摩擦。

2) 錨具變形、鋼束回縮。

3) 混凝土的彈性壓縮。

4) 預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力松弛。

5) 混凝土的收縮和徐變。

由于一些現(xiàn)實(shí)的原因，該橋的磁通量傳感器在體外束的實(shí)際張拉過程中同步標(biāo)定。采用這種標(biāo)定方法，需預(yù)估張拉過程中體外鋼束因轉(zhuǎn)向和錨固構(gòu)造內(nèi)的摩擦而導(dǎo)致的損失[4]，因此第一次測(cè)量的單根索力值F1與前述理論張拉力F0之間的差值，無法較真實(shí)地反映由摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失，并且由于標(biāo)定時(shí)做了較保守的估計(jì)，可認(rèn)為經(jīng)由測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的(F1-F0)比實(shí)際發(fā)生的摩擦損失大。此外，采用這種標(biāo)定方法，也導(dǎo)致鋼束通過轉(zhuǎn)向塊時(shí)所發(fā)生的預(yù)應(yīng)力損失無法觀測(cè)出。各次測(cè)量值之間的差值具有一定的實(shí)際意義，反映了鋼束的其他各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失，如(F2-F1)，反映了上述引起體外預(yù)應(yīng)力損失的因素中第二、三項(xiàng)，以及約10個(gè)月內(nèi)發(fā)生的第四、五項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失之和；而(F3-F2)、(F4-F3)則分別反映了相應(yīng)時(shí)長內(nèi)第四、五項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失之和。

3.2 索力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表2及圖3中數(shù)據(jù)，可以看出除個(gè)別傳感器外(L-Z-M1-ZR-1傳感器的F3較F2增大，而F4又回落到F2附近)，絕大多數(shù)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都反映了索力的損失，基于全部傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，第二次測(cè)量與第一次測(cè)量間發(fā)生的單根鋼束索力損失平均值為7.72 kN，達(dá)到理論張拉力F0的6.6%；隨著時(shí)間的推移，損失減小，第三次測(cè)量與第二次測(cè)量間發(fā)生的單根鋼束索力損失平均值為2.56 kN，達(dá)到理論張拉力F0的2.2%。而第四次測(cè)量的數(shù)據(jù)與第三次測(cè)量的數(shù)據(jù)非常接近，表明這一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的由鋼束的應(yīng)力松弛、混凝土的收縮和徐變所導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力長期損失很有限?？傮w來說，體外預(yù)應(yīng)力的長期損失早期發(fā)展較快，后期發(fā)展緩慢。

為使單橋的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有可比照的對(duì)象，以下從兩方面，即就幾次測(cè)量間的索力變化范圍與規(guī)律，與該橋的有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；就預(yù)應(yīng)力的長期損失發(fā)展趨勢(shì)，與文獻(xiàn)[2]中的試驗(yàn)梁數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

3.3 與體外預(yù)應(yīng)力損失的有限元分析結(jié)果對(duì)比

采用midas Civil軟件建立該橋的桿系分析模型，對(duì)預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行估算。體外預(yù)應(yīng)力按鋼束預(yù)應(yīng)力荷載模擬，混凝土的收縮徐變根據(jù)JTG 3362-2018[5]計(jì)算。體外束的張拉順序?yàn)橄戎锌?，然后小樁?hào)邊跨，最后大樁號(hào)邊跨。建模時(shí)模擬了體外束的索力監(jiān)測(cè)過程，以從模型分析中獲得相應(yīng)的索力F1～F4。由此計(jì)算出橋梁各跨體外束位于其轉(zhuǎn)向塊小樁號(hào)側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的單根鋼絞線索力，結(jié)果見表3。

表3 橋梁各跨體外束位于其轉(zhuǎn)向塊小樁號(hào)側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)單根鋼絞線索力

續(xù)表3

由于該橋的索力監(jiān)測(cè)方案未能測(cè)得鋼束在轉(zhuǎn)向和錨固構(gòu)造內(nèi)的摩擦所引起的預(yù)應(yīng)力損失，在有限元分析中通過參數(shù)設(shè)置，消除該項(xiàng)損失，使F1=F0=116.3 kN。不考慮摩擦損失，會(huì)對(duì)其他項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算帶來影響，但考慮到該橋體外預(yù)應(yīng)力在全部預(yù)應(yīng)力中所占比例較小，以及體外束僅在轉(zhuǎn)向塊、錨固塊處有摩擦損失，并且通過調(diào)整有限元模型中的預(yù)應(yīng)力計(jì)算參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，不考慮摩擦損失帶來的影響相對(duì)較小。將表3的數(shù)據(jù)與表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)就幾次測(cè)量間的索力變化來說，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與基于有限元分析的預(yù)應(yīng)力損失估算結(jié)果，在變化規(guī)律和量級(jí)上比較相符。

3.4 與既往試驗(yàn)梁數(shù)據(jù)對(duì)比

文獻(xiàn)[6]為研究后張預(yù)應(yīng)力混凝土梁的預(yù)應(yīng)力長期損失，開展了8根簡支試驗(yàn)梁的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，對(duì)各試驗(yàn)梁中鋼束的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了近400 d的連續(xù)觀測(cè)。試驗(yàn)梁的基本尺寸均為計(jì)算跨度4.2 m，橫斷面200 mm×300 mm，布置了曲線鋼束的PC1～PC4的設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。對(duì)PC1～PC4，在鋼束的錨固處、四分點(diǎn)、跨中分別布置了測(cè)力計(jì)、磁通量傳感器、振弦應(yīng)變計(jì)等，以對(duì)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。各類傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)均表明，在加載約250 d后，預(yù)應(yīng)力的長期損失發(fā)展非常緩慢，進(jìn)入平臺(tái)期。

表4 布置了曲線鋼束的試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)參數(shù)

比較該橋的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)[5]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出預(yù)應(yīng)力的長期損失均表現(xiàn)出了早期發(fā)展較快，后期發(fā)展緩慢的規(guī)律，但由于該橋各次測(cè)量間隔的時(shí)間較長，數(shù)據(jù)的樣本數(shù)偏少，無法確定索力到達(dá)偏穩(wěn)定的F3的準(zhǔn)確時(shí)間，只能確定其時(shí)間范圍為張拉完成后的300～1 200 d之間。這一時(shí)間比試驗(yàn)梁的250 d長，考慮到該橋與試驗(yàn)梁的規(guī)模、所處的環(huán)境及荷載情況均不相同，該問題還待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1) 對(duì)該橋來說，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明體外預(yù)應(yīng)力鋼束的工作狀態(tài)符合預(yù)期。未來該橋還將持續(xù)對(duì)體外束的索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2) 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明體外預(yù)應(yīng)力的長期損失早期發(fā)展較快，后期發(fā)展緩慢。

3) 為能進(jìn)一步獲得體外預(yù)應(yīng)力鋼束因在轉(zhuǎn)向和錨固構(gòu)造內(nèi)的摩擦而引起的預(yù)應(yīng)力損失，磁通量傳感器的標(biāo)定最好在鋼束張拉之前進(jìn)行，然后在張拉施工時(shí)校核傳感器零點(diǎn)。