項梁，朱浩，黃燦

（中交第二航務工程局有限公司技術(shù)中心，長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040）

0 引言

港珠澳大橋非通航孔橋承臺及墩身采用全預制裝配化施工方案，為了確?；炷恋氖┕べ|(zhì)量，提高施工效率，降低施工風險，縮短施工周期，深水區(qū)非通航孔橋墩身連接采用干接縫方案，節(jié)段間采用粗鋼筋預應力系統(tǒng)保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于國內(nèi)尚無海上干接縫的應用先例，而且墩身豎向預應力損失計算缺乏理論和實踐的支持，特別是受到人為因素和海上復雜施工氣候環(huán)境的干擾，難以建立有效的計算模式[1]。因此，開展預制墩身豎向應力損失研究意義深遠。

1 工程概況

港珠澳大橋工藝試驗墩身結(jié)構(gòu)斷面尺寸為5 m×3.5 m，下墩身高度2.75 m，上墩身高度2 m，采用陸上立式預制，墩身接縫通過剪力鍵連接，節(jié)段間采用粗鋼筋預應力系統(tǒng)保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。下墩身墩壁設(shè)置8根φ120/90波紋管和相應的預應力系統(tǒng)錨固端，包括螺旋筋、熱縮套、隔離墊板及連接管等；上墩身同樣設(shè)置8根φ120/90波紋管和相應的預應力系統(tǒng)張拉端。

試驗選取其中4根（1號、4號、6號、7號），對稱設(shè)置4個錨索計（因7號鋼筋需安裝保護罩將錨索計移至5號鋼筋），每個錨索計下需設(shè)置1塊6 cm厚的鋼板（規(guī)格：300 mm×300 mm×60 mm），測試張拉過程及張拉完成后一段時間內(nèi)預應力粗鋼筋所受拉力，計算得其有效應力和預應力損失，共4種對比工況：1）標準張拉（1號預應力粗鋼筋）；2）10%超張拉（5號預應力粗鋼筋）；3） 錨墊板與混凝土夾角為5°（6號預應力粗鋼筋）；4）預應力粗鋼筋偏心張拉（4號預應力粗鋼筋）。具體布置如圖1，測試采用自動數(shù)據(jù)采集箱采集，每隔30 s采集1次。

圖1 墩身預應力粗鋼筋布置圖Fig.1 Prestressed reinforcing rebar layout of the pier body

文獻[2]規(guī)定預應力高強精扎螺紋鋼筋的張拉采用雙控法，油壓值的誤差不得超過±2%，伸長量的誤差不得超過±5%。直線配筋張拉程序為0→初始預應力k→σ（持荷2 min）。

2 墩身豎向粗鋼筋理論與試驗研究

根據(jù)JTGD 62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱規(guī)范）中6.2.1的規(guī)定，后張法預應力構(gòu)件主要考慮以下幾個因素引起的預應力損失[3]：

1）預應力鋼筋與管道壁之間的摩擦σl1；

2）錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮σl2；

3） 混凝土的彈性壓縮 σl4；

4） 預應力鋼筋的應力松弛 σl5；

5） 混凝土的收縮和徐變 σl6。

將總的預應力損失分為瞬時損失和長期損失，瞬時損失包括 σl1，σl2，σl4；長期損失包括 σl5，σl6。下面將分別對比分析2種預應力損失的理論值和實測值。

2.1 預應力瞬時損失

管道直徑120 mm，預應力筋直徑75 mm，可以不考慮管道摩阻引起的應力損失σl1。

根據(jù)規(guī)范中表6.2.3的規(guī)定，螺帽縫隙按照1 mm計算，環(huán)氧樹脂砂漿接縫壓縮按照1 mm計算，錨具變形和接縫壓縮總量按照2 mm計算：σl2=2/4 000×2.1×e5×π×752/4/1 000=464 kN

后張拉鋼筋所引起的混凝土彈性壓縮的預應力損失σl4=αEP∑Δσpc，則第1根預應力筋σl4=59 kN；第4根預應力筋σl4=33.8 kN；第5根預應力筋σl4=25.4 kN；第6根預應力筋σl4=16.9 kN。

各預應力鋼筋實測瞬時預應力值為：1號、4號、5號、6號錨索計實測張拉控制力分別為3 302 kN、2 991 kN、3 602 kN、3 299 kN。各預應力筋瞬時預應力損失見表1。

表1 瞬時預應力損失Table 1 The transient prestressing loss

由表1可見，1號錨索計（標準張拉）實測σl2較大，理論分析時接縫變形按理論值1 mm，實際存有一定縫隙，建議按規(guī)范計算σl2時可以乘以1.5的放大系數(shù)。

6號錨索計實測σl2最大，即當墊板與錨面存在夾角時，錨具回縮和變形要大于理論值1 mm，對比5號與6號錨索計的實測σl2，兩者差值為341 kN，假設(shè)兩者接縫變形引起的預應力損失相等，則相當于6號錨索計（墊板與錨面夾角5°）處錨具回縮和變形2.5 mm。

4號錨索計（偏心）實測σl2較小，說明偏心張拉錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的預應力損失沒有明顯的改變。

5號錨索計（10%超張拉）實測σl2最小，說明超張拉可以有效減小鋼筋回縮引起的預應力損失。

4個錨索計實測σl4與理論值都基本吻合，而且數(shù)值較小，即混凝土的彈性壓縮損失σl4的影響相對較小，且不同的張拉方式不會對混凝土的彈性壓縮引起的預應力損失造成影響。

2.2 預應力長期損失

根據(jù)文獻[3]，預應力筋松弛引起的預應力損失極值按照0.05倍的張拉應力計算，7 d松弛引起的預應力損失值按照0.57倍的損失極值計算，則預應力筋松弛引起的預應力損失σl5=0.57×0.05×3 300=94 kN；對于超張拉，預應力筋松弛引起的預應力損失極值按照0.035倍的張拉應力計算，則預應力筋松弛引起的預應力損失：

根據(jù)文獻[3]，由混凝土收縮徐變引起的預應力損失：

式中：σ′pc為構(gòu)建受壓區(qū)全部縱向鋼筋截面重心處由預應力產(chǎn)生的混凝土法向壓應力；Ep為預應力鋼筋彈性模量；αEP為預應力鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值；ρ′為構(gòu)件受壓區(qū)全部縱向鋼筋配筋率；εcs（t，t0）為預應力傳力錨固期為t0，計算考慮齡期為t時的混凝土收縮應變；φ（t，t0）為加載齡期為t0，計算考慮齡期為t時的徐變系數(shù)，當加載齡期7 d，計算齡期按14 d，這兩個參數(shù)分別為8.7e-5、0.64。由上式混凝土的收縮和徐變引起的預應力損失σl6=79 kN。

對各預應力鋼筋預應力進行了連續(xù)14 d的測試，時程曲線見圖2所示（以錨索計1為例），各預應力筋長期預應力損失見表2所示。

圖2 預應力監(jiān)測時程曲線Fig.2 Time-history curve for monitoring the prestress

表2 長期預應力損失Table 2 The long-term prestressing loss

由圖2可見，墩身豎向預應力損失的曲線在錨固后120 h（5 d）后變得緩和。即，在豎向預應力壓漿前若可進行一次補張拉，在工期允許的情況下，二次張拉宜在5 d之后進行。

由表2可見，5號錨索計（10%超張拉）實測σl5+σl6較小，說明采用超張拉可以有效降低預應力鋼筋的應力松弛引起的預應力損失σl5。其余3根預應力筋的長期預應力損失實測值與理論值的比值均在90%左右，即按照規(guī)范計算出的預應力長期損失較大，規(guī)范值偏于保守。

由于現(xiàn)場試驗采用混凝土結(jié)構(gòu)加載，因此無法將σl5+σl6分開，只能放在一起當做長期預應力損失來研究。建議可在后續(xù)研究中同時采用鋼結(jié)構(gòu)加載架進行預應力筋張拉和長期監(jiān)測，通過與混凝土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，可以單獨得出混凝土的收縮和徐變引起的預應力損失σl6。

由表3可見，采用10%超張拉的鋼筋預應力損失率最小，為12.2%；其余3根鋼筋預應力損失率都在25%左右。采用偏心張拉和墊板與錨面夾角5°的鋼筋預應力損失比標準張拉的預應力損失大。

表3 有效預應力及預應力損失Table 3 The effective prestress and theprestressing loss

3 結(jié)論與建議

1）在墩身豎向預應力損失中σl2最大，且比規(guī)范的理論計算值大，錨具變形和接縫壓縮的取值與現(xiàn)場施工工藝密切相關(guān)，受施工因素影響較明顯，建議在按規(guī)范計算墩身豎向預應力損失σl2時，考慮乘以1.5的放大系數(shù)。

2）在墩身豎向預應力損失中σl4最小，與規(guī)范的理論計算值比較吻合，且張拉方式不會對混凝土的彈性壓縮引起的預應力損失造成影響。

3）通過查閱文獻以及對試驗數(shù)據(jù)的分析，提出幾種改進建議，以指導施工：

①在實際工程中，應保持墊板與錨面平行，避免偏心，在預埋墩身墊板時，應采用水準尺進行量測。

②墩身豎向預應力超張拉可以有效降低預應力鋼筋的回縮和應力松弛引起的預應力損失，在預應力筋容許應力滿足設(shè)計要求的情況下，可適當超張拉。

③墩身豎向預應力壓漿前，進行一次補張拉，在工期允許的情況下，二次張拉宜在5d后進行。

[1]劉學偉.豎向預應力鋼筋錨墊板安裝傾角對預應力損失的影響[D].湖南：湖南科技大學，2008.LIUXue-wei．Influenceof vertical prestressed steel anchor backing plate installated dip on prestressed loss[D].Hunan:Hunan Universityof Scienceand Technology,2008.

[2]交通部公路規(guī)劃設(shè)計院.預應力高強精軋螺紋粗鋼筋設(shè)計施工暫行規(guī)定[K].北京：交通部公路規(guī)劃設(shè)計院，1984.Highway Planning and Design Institute,Ministry of Communications.Design and construction specification for high-strength prestressed steel[K].Beijing:Highway Planning and Design Institute,Ministry of Communications,1984.

[3]JTGD 62—2004.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].JTG D 62—2004.Code for design of highway reinforced concrete and prestressed concretebridgeand culverts[S].