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1桥梁预应力施工隐患分析与精细化施工技术重庆交通大学王继成2梗概•一、预应力技术在桥梁中的应用•二、预应力对桥梁的作用•三、预应力混凝土桥梁病害分析与施工现状•四、预应力精细化施工技术•五、预应力精细化施工是降低桥梁全寿命成本的保障3一、预应力技术在桥梁中的应用预应力技术近年来发展迅速，在预应力混凝土桥梁的设计、结构分析、试验研究、预应力材料及工艺设备、施工工艺等方面日新月异。预应力混凝土连续梁桥是预应力桥梁中的一种，它具有整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能好，特别是主梁变形挠曲线平缓，桥面伸缩缝少，行车舒适等优点。我国已建成许多这类桥梁，如：云南六库怒江大桥（主跨154米）、上海黄浦江奉浦大桥（主跨125米）、湖南常德沅江大桥（主跨120米）、山东东明黄河公路大桥（主跨120米）等等。预应力混凝土连续刚构桥比连续梁桥有更大的跨越能力，我国于1988年建成的广东洛溪大桥（主跨180米），开创了我国修建大跨径预应力连续刚构桥的先例，二十多年来，预应力梁桥在全国范围内已建成跨径大于120米的有74座。世界已建成跨度大于240米预应力梁桥17座，中国占7座。1997年建成的虎门大桥副航道桥（主跨270米）为当时预应力连续刚构世界第一。近几年相继建成了泸州长江二桥（主跨252米）、重庆黄花园大桥（主跨250米）、黄石长江大桥（主跨245米）、重庆高家花园大桥（主跨240米）、贵州六广河大桥（主跨240米），近期还将建成一大批大跨径预应力连续刚构桥。4二、预应力对桥梁的作用预应力在桥梁结构中的使用，提高了桥梁构件的抗裂度和刚度，有效改善了构件的使用性能，增加结构的耐久性；节省钢材与混凝土用量，对大跨径桥梁，有显著优越性；减少了混凝土梁的竖向剪力和主拉应力，有利于减小梁的腹板厚度，使梁自重进一步减小；可作为结构构件连接的手段，促进了桥梁结构新体系与施工方法的发展。•2.1纵向、横向、竖向预应力的作用•2.1.1纵向预应力纵向预应力是预应力混凝土连续梁式桥的核心，纵向预应力的配束方案是根据受弯梁的弯矩包络图设计的，即根据不同应力状态下受弯梁的破坏形态设计，包括弯起索、连续索等。实际工程中腹板斜裂缝是预应力混凝土连续箱梁常见的裂缝形式，是结构裂缝，主要受腹板纵向预应力的大小控制。5式中:——荷载短期效应组合并考虑长期效应下的总挠度；——永存预加力所产生的上挠度；——由荷载效应组合计算的弯矩值引起的挠度值；——预加力反拱设置考虑长期效应增长系数；——短期荷载效应组合考虑长期效应的挠度增长系数。纵向预应力主要控制桥梁的预拱度，预拱度直接关系到成桥状态下的线形是否与设计线形相符，并且影响使用状态下桥梁结构的安全。根据预应力作用下桥梁挠度计算的基本理论，预应力混凝土结构受弯构件的挠度由偏心预加力引起的上挠度和外荷载（静、动载）所产生的下挠度两部分组成。即：MspewMspelw，，pelwMswpe，Ms，6由上式可见，为保证桥梁线形与安全，纵向预应力所产生的上挠度应能抵消荷载引起的下挠度，当预加力的长期反拱值小于按荷载短期组合计算的长期挠度时应设置预拱度。合理确定预加力作用点的位置对预应力混凝土梁是很重要的。在弯矩最大的跨中截面处，应尽可能使预应力钢筋的重心降低，使其产生较大的预应力负弯矩来平衡外荷载引起的正弯矩。如令沿梁近似不变，则对于弯矩较小的其他截面，应相应地减小偏心距值，以免由于过大的预应力负弯矩而引起构件上缘的混凝土出现拉应力。只要作用点的位置，落在束界的区域内，就能够保证构件在最小外荷载和最不利荷载作用下，其上下缘混凝土均不会出现拉应力。纵向预应力还会引起横向变形。在施工过程中，纵向预应力张拉吨位较大，根据泊松比，产生的横向变形也较大。这样，不但提高了对横向预应力筋束张拉质量的要求，同时也提高了对纵向预应力筋束张拉质量的要求，以便保证二者的相互合理性及影响程度，防止因施工不当引起变形过大造成桥梁线形的不足及结构的破坏。所以对纵向预应力张拉质量进行检测控制，使其符合设计的要求，是保证整个桥梁结构安全最重要的手段。7•2.1.2竖向预应力在桥梁结构中，竖向预应力和纵向预应力两者结合来控制腹板的剪应力和主拉应力。理论分析及实践经验表明，如果竖向预应力钢筋不能充分发挥作用，桥梁腹板的主拉应力就将超过规范规定的限值，有可能出现斜裂缝。如果施工质量控制不当，使箱梁腹板产生裂缝，对桥梁的刚度和耐久性将产生不利影响，最终影响桥梁的使用寿命。所以，在预应力混凝土箱梁结构中，为控制箱梁腹板的斜向裂缝，在腹板中配制竖向预应力筋。现行规范充分考虑了纵向预应力的弹性压缩损失的计算，但对竖向应力的弹性压缩损失没有作特别的说明，纵向预应力的弹性压缩损失是基于一维杆件轴向压缩计算得出的，而竖向预应力有其自身的特点：①竖向预应力筋比较短，与纵向预应力筋相比达到相同的应力水平，其弹性变形要小得多；②竖向预应力筋锚固端沿腹板轴向排列，而纵向预应力筋的锚固端则排列在箱梁的某个截面上，显然纵向预应力弹性压缩损失的计算方法不适于竖向预应力的计算。8目前我国在这方面的研究还不够深入，尽管对竖向预应力筋的有效预应力可能存在设计的问题，依据受力均匀及考虑摩阻等因素对有效预应力的影响，所以在施工中可对竖向预应力进行检测，如果允许的情况下可进行全部检测控制，发现其存在的规律，是解决竖向有效预应力建立的最直接、最有效的方法。竖向预应力筋常采用精轧螺纹钢筋，长度不大，因施工、徐变等诸多因素的影响而受到较大的损失，从而使竖向预应力筋达不到设计要求(这也是通车后有些桥腹板出现裂缝的主因)。根据现存预应力混凝土连续梁、连续刚构桥箱梁裂缝检查结果及文献记载，目前国内绝大部分箱梁在运营阶段都出现了不同形式的裂缝，其中距支座（或桥墩）L／4附近腹板斜裂缝数量较多，裂缝与主拉应力的方向基本垂直，通常腹板内侧的数量较多。此原因是腹板主拉应力过大，而在设计或施工时对竖向预应力损失估计不足有关。9•2.1.3横向预应力横向预应力对箱梁结构的主要作用是加强桥梁的横向联系，增加桥面板的刚度，增大悬臂板的抗弯能力，使悬臂部分增长，另外也减少了荷载对桥面的局压作用。增大结构的横向整体性后可以增大腹板的间距,悬臂部分宽度,这样可以减少下部工程量，减少造价。还有就是防止桥面开裂,尤其是温度应力导致桥面板的裂缝。变高度预应力混凝土箱梁的底板在垂直平面处具有一定的曲率，因此，预应力钢束必须按照这种曲率布置。根据预应力等效荷载的原理，钢束的曲率引起向下的径向荷载，这种荷载势必会受到两腹板之间底板横向弯曲的抵抗。当没有布置横向预应力束或底板截面尺寸不足时，会导致底板产生纵向裂缝。10•2.2有效预应力大小和不均匀度的影响有效预应力的建立直接影响到桥梁的安全性、可靠性和长期使用寿命。特别是连续刚构桥，由于其跨径大、张拉吨位大、预应力体系和结构受力复杂等特点，不少工程因预应力失控而带来灾难性的后果。预应力混凝土桥梁中，预应力的效应是比较大的，如果施工不当导致梁体内未能建立合格的有效预应力，在荷载作用尤其是活载作用下，对挠度的影响将更大：有效预应力偏小，直接影响预拱度，有效预应力不均匀将导致预应力筋的早期疲劳，危及桥梁使用寿命。不少连续刚构桥，成桥荷载试验验收合格，但不久则严重下挠，甚至断裂，就是同束有效预应力不均度太大所致。11•2.3数学模型的建立与理论计算分析专题桥梁（空心板）预应力施工工艺控制研究（桥梁预应力施工质量保证体系研究报告）课题，首先通过从30m足尺寸预应力空心板梁实验及有限元仿真分析两个方面对预应力空心板梁张拉有效预应力和各绞线受力均匀性以及预应力的施工顺序进行分析比较，通过对已施加预应力的梁进行锚下有效预应力和各绞线受力均匀性检测及对梁体变形进行综合评估，形成最优的预应力施工工艺，以保证梁体在施工中及服役中的最小变形和其性能优化，同时保证最均匀的预应力施加与综合控制从而达到延长服役年限的目的。12在课题的研究中，为了使试验符合实际情况，反映真实状态，我们采用足尺寸（30ｍ）空心板梁来做有关实验。这是因为比例模型处理的有关参数的选择及设定较复杂，试验中模型也不能完全真实反映实际情况，另外模型对预应力筋、锚夹具等的性能难以处理，对所施加的预应力在梁体中的情况（如摩阻影响、应力损失等）处理也很难，这些都会对试验结果带来很大影响。足尺寸空心板梁的制作工程量较大，试验工作量及试验数据量也相应的增大，但避免了采用比例缩小模型带来的一些工作及缺点，同时在整个施工过程中可完全按现行国家标准、规范、规程施工，也便于预应力的施加及检测等工作。空心板梁的制作,我们按四川省交通厅公路规划勘察设计研究院设计的国道主干线重庆——湛江公路（重庆段）上桥至界石段装配式后张法预应力砼空心板桥的“30m装配式后张法预应力砼空心板梁”图纸进行施工，待施加预应力的空心板梁如图2.3.1。13图2.3.1待施加预应力的空心板梁14通过对当前施工顺序下的张拉有限元分析，得出各束预应力筋有效张拉荷载下的梁体的应力及变形，通过人工神经网络映射在各种有效张拉荷载下的梁体的变形，保证张拉施工中梁体的变形在设计的允许范围内，从而实现梁体的智能控制。本研究的主要内容有：1通过对30m跨足尺寸的空心板梁的同步张拉试验，得出了空心板梁底板、侧板、顶板等跨中、1/4跨，1/8跨等处的应变数据。根据应变可以求得应力结果。在课题研究中，我们对预应力空心板梁预应力施工进行主动控制：留孔、预应力筋的编束、梳理、穿束等，从理论、有限元分析模拟及施工等几方面对梁的反拱度、线型度、扭转等变形及性能进行研究，深入研究现行双控法的局限性，并对施工中及施工后有效预应力进行控制与监控，进行工艺精细化分析。2通过大型有限元软件Ansys实现对该箱型梁同步张拉过程的仿真分析，分析有限元软件仿真预应力张拉过程的可行性以及分析误差产生的原因。3实现对不同张拉顺序的有限元仿真，并根据对不同张拉顺序的有限元分析结果，求得最佳的张拉顺序。154通过对不同的锚下有效张拉力下的有限元仿真，得出超张拉、欠张拉以及不均匀张拉等情况下梁体的变化规律。并根据大量的有限元分析，求得梁的锚下有效预应力的偏差在多大程度上施工质量能保证达到设计要求。5根据大量计算生成人工神经网络样本及人工神经元网络模型，得出对梁体在不同有效张拉力作用下各关键点处的变形规律。通过编制人工神经元网络控制箱型梁张拉施工的程序，实现对预应力张拉的施工控制。6实现对T型梁的有限元仿真，将上述成果推广。通过对马啸溪大桥、雷神店大桥的有限元分析及神经网络映射施工控制，将成果应用于工程实践中。研究中通过对空心板梁的材料试验和预应力施加过程中的应力、变形、有效预应力进行全过程的跟踪观测以保证试验梁体用材的可靠性，获得理论分析和计算的基本参数，最重要的是通过试验及试验数据来分析和验证理论分析和计算，使本课题的研究建立在理论分析、试验分析的基础上，以保证研究的正确性、可靠性。16三、预应力混凝土桥梁病害分析与施工现状•3.1病害分析•3.1.1梁体下挠全预应力构件，预应力效应的作用是比较大的，其提供的消压弯矩能有效保证构件的预应力度。根据分析，150m的全预应力连续箱梁，预应力对挠度的效应是7cm。如果预应力施工不当，梁体内不能建立有效的预应力，在混凝土徐变的共同作用下，梁体必将发生严重的下挠。挠度过大不但会使跨中主梁下凹，破坏桥面的铺装层，影响桥梁的使用寿命和行车舒适性，甚至危及高速行车时的安全。17跨中持续下挠的影响因素有：预应力的损失、结构的刚度、超重、混凝土的收缩徐变、温度的影响，而最主要的因素是预应力的损失。造成预应力损失的原因有：预应力钢筋与管道壁间摩擦引起的应力损失；锚具变形、预应力筋回缩和接缝压缩引起的应力损失；弹性压缩引起的应力损失；预应力筋松弛引起的应力损失；混凝土收缩和徐变引起的应力损失；还有最重要的原因有效预应力不均匀度过大。有效预应力不均匀度过大，在桥梁刚建成时问题不会显现出来，但经过一段时间有效预应力大的预应力筋出现早期疲劳，桥梁跨中的持续下挠也由此产生。•3.1.2开裂在预应力桥梁使用中发现