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預(yù)應(yīng)力連續(xù)配筋混凝土路面的預(yù)應(yīng)力損失分析

2021-12-28 13:04:08吳超凡
福建交通科技 2021年9期
關(guān)鍵詞:錨具徐變鋼絞線

■吳超凡

(福建省交通科技發(fā)展集團(tuán)有限責(zé)任公司,福州 350004)

連續(xù)配筋混凝土路面(CRCP)是布設(shè)連續(xù)縱向鋼筋,無橫向接縫,采用連續(xù)澆筑的一種高性能長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)形式,其具有耐久性高、整體性好、舒適度高等優(yōu)點(diǎn)[1]。 但由于縱向鋼筋易發(fā)生銹蝕,鋼筋有效截面積減小,造成傳荷能力下降,甚至產(chǎn)生板底脫空,引發(fā)沖斷破壞[2],極大限制了該類型路面在我國的應(yīng)用及推廣。 對(duì)此,本文提出對(duì)鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力以提高面板抗變形能力,從而延長(zhǎng)連續(xù)配筋混凝土路面的使用壽命。 通過理論方法,對(duì)鋼絞線的預(yù)應(yīng)力損失開展計(jì)算分析,為預(yù)應(yīng)力連續(xù)配筋混凝土路面的張拉控制提供理論支撐。

1 預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算理論方法

由于預(yù)應(yīng)力連續(xù)配筋混凝土路面的材料性能、施工工藝和環(huán)境影響等因素,鋼絞線的應(yīng)力值從張拉、錨固直到路面使用的整個(gè)過程不斷降低,產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失[3]。 一般認(rèn)為,預(yù)應(yīng)力損失主要包括五部分,即錨具變形和預(yù)應(yīng)力回縮引起的損失σl1、預(yù)應(yīng)力筋與周圍接觸的套管之間的摩擦損失σl2、混凝土的彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失σl3、預(yù)應(yīng)力筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失σl4和混凝土的收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失σl5。 在預(yù)應(yīng)力連續(xù)配筋混凝土路面中,預(yù)應(yīng)力筋采用超張拉,可大幅降低后張法分批張拉引起的彈性壓縮損失,因此混凝土彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失σl3可忽略不計(jì)[4-5]。 由于各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失并非同時(shí)發(fā)生, 根據(jù)其出現(xiàn)的先后和全部完成所需的時(shí)間,可將預(yù)應(yīng)力損失劃分為施加階段(σl1+σl2)和使用階段的預(yù)應(yīng)力損失(σl4+σl5)。

1.1 錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失σl1

預(yù)應(yīng)力筋張拉完成后,由于錨具與墊板自身的變形以及鋼絞線的內(nèi)縮使其與錨具產(chǎn)生相對(duì)滑移等原因,當(dāng)預(yù)應(yīng)力通過錨具向構(gòu)件傳遞時(shí),會(huì)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失[6],該部分預(yù)應(yīng)力損失可按式(1)計(jì)算:

其中,a 為張拉端錨具變形和鋼絞線內(nèi)縮值(mm),粘結(jié)型錨具一般可取值1~2 mm,夾片型錨具可取為8 mm;l 為張拉端至錨固端之間的距離(mm);Efp為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的彈性模量(N/mm2)。

1.2 鋼絞線與套管壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失σl2

鋼絞線在自重作用下,會(huì)產(chǎn)生撓度。 此外,當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋在結(jié)構(gòu)中采取斜向布置時(shí),由于存在一定錨固角度, 張拉時(shí)使得預(yù)應(yīng)力筋與套管壁發(fā)生摩擦,從而產(chǎn)生擦阻損失。 因此,與套管摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失可通過式(2)計(jì)算:

其中,σcon為預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉控制應(yīng)力;κ 為管道每米長(zhǎng)局部偏差的摩擦系數(shù),可取為0.004;μ 為鋼絞線與護(hù)套壁間的摩擦系數(shù),可取為0.09;x 為張拉端至計(jì)算截面的曲線長(zhǎng)度(m),可近似取水平投影值;θ 為從張拉端至計(jì)算截面曲線部分切線夾角,對(duì)于直線混凝土路面板可近似取0。

1.3 鋼絞線松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失σl4

對(duì)于低松弛無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線來說,由應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失可根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力σcon與預(yù)應(yīng)力筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fptk的關(guān)系來決定,如式(3)所示:

1.4 混凝土收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失σl5

因混凝土收縮和徐變引起的鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失,可通過式(4)和式(5)計(jì)算得到:

其中,σpc為預(yù)應(yīng)力筋合力點(diǎn)處混凝土的法向壓應(yīng)力(N/mm2),當(dāng)該值大于0.5f ′cu,取0.5f ′cu;ρ 為預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋的配筋率;f ′cu為預(yù)應(yīng)力施加時(shí)的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度(N/mm2);As為縱向受拉非預(yù)應(yīng)力筋的截面面積(mm2);Afp為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的截面面積(mm2);An為凈截面面積(mm2)。

2 計(jì)算參數(shù)選取

模型尺寸4.5 m×15 m,板厚0.2 m,采用C35 混凝土, 彈性模量為30 GPa, 混凝土的彎拉強(qiáng)度為5.0 MPa, 線膨脹系數(shù)為1×10-5℃, 密度為2500 kg/m3,泊松比為0.15。 預(yù)應(yīng)力鋼絞線的直徑為15.2 mm,公稱截面積為184 mm2,極限抗拉強(qiáng)度為1860 MPa,彈性模量為195 GPa。 共選取6 個(gè)不同的布筋角度,分別為20°、25°、30°、35°、40°、45°。

3 預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算結(jié)果

3.1 縱向布筋下的鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失

與BFRP 筋類似,在縱向布筋方式下,所有預(yù)應(yīng)力鋼絞線均等長(zhǎng)布置, 預(yù)應(yīng)力損失與板寬無關(guān)。故以板寬4.5 m 為例,選取板長(zhǎng)為15 m,各階段鋼絞線的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算結(jié)果如下:施加階段預(yù)應(yīng)力損失σl1為5.6%,σl2為5.8%;使用階段預(yù)應(yīng)力損失σl4為3.5%,σl5為6.9%;預(yù)應(yīng)力總損失為21.8%。 也就是說,當(dāng)板長(zhǎng)為15 m 時(shí),縱向布筋時(shí)鋼絞線的預(yù)應(yīng)力總損失為21.8%。 其中,施加階段的預(yù)應(yīng)力損失之和為11.4%,在該階段由錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋回縮以及由鋼絞線與套管間的摩擦所引起的預(yù)應(yīng)力損失各占5.6%和5.8%; 使用階段的預(yù)應(yīng)力損失之和為10.4%,該階段的預(yù)應(yīng)力損失主要是由混凝土收縮和徐變引起的。

3.2 斜向布筋下的鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失

3.2.1 施加階段的預(yù)應(yīng)力損失

根據(jù)式(1)~(2),得到預(yù)應(yīng)力施加階段的預(yù)應(yīng)力損失結(jié)果,如表1 所示。 可知,當(dāng)布筋角度增大時(shí),布筋長(zhǎng)度隨之降低,錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失σl1增大, 鋼絞線與套管壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失σl2減小,σl1占該階段總預(yù)應(yīng)力損失的比例也增大;在預(yù)應(yīng)力施加階段,鋼絞線的預(yù)應(yīng)力總損失為11.5%~15.7%;當(dāng)布設(shè)角度增大至45°,σl1增大了6.8%,σl2降低了2.6%,施加階段總預(yù)應(yīng)力損失提高4.2%,σl1占比提高28.6%,表明該階段預(yù)應(yīng)力損失主要是由錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮引起的。

表1 施加階段的鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失

3.2.2 使用階段的預(yù)應(yīng)力損失

使用階段的預(yù)應(yīng)力損失包括預(yù)應(yīng)力鋼絞線松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失σl4與混凝土的收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失σl5。 根據(jù)式(3)~(5),可計(jì)算得到鋼絞線在使用階段的預(yù)應(yīng)力損失。 鋼絞線在使用階段的預(yù)應(yīng)力損失σl4和σl5均與布筋長(zhǎng)度無關(guān),所以該階段的預(yù)應(yīng)力損失是定值,不隨板寬的變化而變化。 計(jì)算結(jié)果顯示,σl4為3.5%、σl5為6.9%、σl4+σl5為10.4%,可知混凝土的收縮與徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失明顯高于鋼絞線松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失,該階段的總預(yù)應(yīng)力損失為10.4%,且不隨鋼絞線的布設(shè)角度改變。

3.2.3 鋼絞線的預(yù)應(yīng)力總損失

鋼絞線的預(yù)應(yīng)力總損失為預(yù)應(yīng)力施加階段和使用階段的各部分預(yù)應(yīng)力損失之和,各布筋角度和板寬下的預(yù)應(yīng)力總損失結(jié)果如表2 所示。 由表2 可知, 板寬為3.0 m 時(shí), 預(yù)應(yīng)力總損失為25.0%~31.8%;板寬為4.5 m 時(shí),總損失為21.9%~26.1%;板寬9.0 m 時(shí),預(yù)應(yīng)力總損失為21.8%~23.6%;板寬12.75 m 時(shí),預(yù)應(yīng)力總損失為22.0%~26.5%。 當(dāng)布筋角度為45°、板寬為12.75 m 時(shí),鋼絞線的預(yù)應(yīng)力損失最小,為22.0%;當(dāng)布筋角度為45°、板寬為3 m時(shí),鋼絞線的預(yù)應(yīng)力損失最大,高達(dá)31.8%。 當(dāng)布筋角度固定不變時(shí),隨著板寬的增加,預(yù)應(yīng)力總損失亦隨之改變。 當(dāng)布筋角度從20°增至45°時(shí),鋼絞線的預(yù)應(yīng)力總損失均是先降低后增大,且布筋角度越小,隨著板寬的增大,預(yù)應(yīng)力總損失的下降速率越大。當(dāng)板寬為3 m 和9 m 時(shí),隨著布筋角度的增大,鋼絞線的預(yù)應(yīng)力總損失先減小后增大,當(dāng)布筋角度分別為25°和40°時(shí), 板寬為3 m 和9 m 的鋼絞線預(yù)應(yīng)力總損失達(dá)到最低,分別為25.0%和21.8%;當(dāng)板寬為4.5 m 時(shí), 鋼絞線的預(yù)應(yīng)力總損失隨著布筋角度的增大而增大, 當(dāng)布筋角度為45°時(shí)達(dá)到最大值為26.1%;當(dāng)板寬為12.75 m 時(shí),鋼絞線的預(yù)應(yīng)力總損失隨著布筋角度的增大而降低,當(dāng)布筋角度為45°時(shí)達(dá)到最小值為22.0%。

表2 斜向布筋下預(yù)應(yīng)力總損失

4 結(jié)論

在縱向布筋方式下: 預(yù)應(yīng)力損失與板寬無關(guān),當(dāng)板長(zhǎng)為15 m 時(shí),預(yù)應(yīng)力總損失為21.8%,預(yù)應(yīng)力損失主要是由混凝土收縮和徐變引起的。 在斜向布筋方式下:(1)在預(yù)應(yīng)力施加階段,隨著筋的布設(shè)角度增大,鋼絞線的布筋長(zhǎng)度減小,σl1增大,σl2減小,且σl1占施加階段預(yù)應(yīng)力總損失的比重增大;(2)使用階段的預(yù)應(yīng)力損失不隨布筋角度變化而變化;(3)當(dāng)布筋角度為20°~45°時(shí),預(yù)應(yīng)力施加階段的預(yù)應(yīng)力損失為11.5%~15.7%,使用階段的預(yù)應(yīng)力總損失為10.4%,預(yù)應(yīng)力總損失為21.9%~26.1%。

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