预应力混凝土梁板预压应力测试分析研究

张朝文 王 凯 陈晓飞 邢朝阳

（1.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 蚌埠 233000 2.淮河工程集团有限公司 徐州 221018）

1 引言

随着我国桥梁工程建设的蓬勃发展，预应力混凝土梁的应用越来越广泛，它在结构安全、耐久性和使用寿命等方面具有良好的性能。但是，在预应力结构的设计与施工过程中，预应力过大，导致构件变形过大；预应力过小，导致构件底部出现拉应力，在使用过程中过早出现裂缝，严重影响结构安全、缩短使用寿命。因此，在预应力结构施工过程中，如何采取有效的预应力测试方法，保证预应力效果的建立具有重要意义。

2 预应力混凝土梁板预加应力

预应力混凝土是根据需要人为地引入某一数值与分布的内应力，用以全部或部分抵消外荷载应力的一种加筋混凝土（ACI）。预应力梁构件是在预制构件结构承受外荷载之前，预先采用人为张拉的方法，在结构内部预先形成一种应力状态，使结构在使用阶段承受拉应力的部位先受到压应力作用，从而部分或全部抵消使用阶段产生的拉应力，以提高预应力梁的承载能力。因此，对预应力梁板预压应力的测试分析是评价施加预应力效果的一种有效方法。

3 预应力混凝土梁板预加应力测试

3.1 桥梁结构设计情况

南四湖二级坝除险加固工程溢流坝交通桥位于南四湖二级坝除险加固工程溢流坝（4+683-5+084）段，桥面宽12m，桥梁的总跨度为400m，纵向桥面连续共20 跨，单跨20m，每跨7 片中板，2 片边板，共计180 片梁，其中中板总计140 片，边板总计40 片，设计荷载等级为公路-Ⅰ级，人群荷载为3.0kN/m2。

设计为后张法预应力混凝土简支空心板梁桥，计算跨径19.26m，预应力混凝土空心板单板宽b=1240mm，板高h=950mm，空心板上顶板和下底板厚度均为120mm，采用C50 混凝土，fck=32.4MPa，fc=23.1MPa，空心板内设φj15.2 低松弛高强度钢铰线，中板18 根，边板20 根，fptk=1860MPa，fpy=1320MPa，锚具采用15-4 型、15-5 型和15-6 型系列锚具及配件，预应力管道采用圆形金属波纹管，混凝土龄期超过7d，且强度不低于设计强度等级的85%后，对预应力钢绞线束进行两端张拉，每片梁预应力钢绞线张拉顺序分别为左N1→右N2→右N1→左N2，锚下张拉控制应力为0.75fpk=1395MPa。

3.2 预应力梁板选取及钢筋应力计布置数量及位置

本次试验选择2 片空心板进行应力测试，一片边板，一片中板（编号分别为1#边、2#中）。

此次测试截面为选定的2 片预制构件的跨中截面，在浇筑混凝土前，在跨中截面把钢筋应力计沿主筋方向绑扎在构造筋上，待预应力混凝土构件混凝土龄期及强度达到设计张拉要求后，测读在预制构件预应力钢绞线束张拉前，振弦式钢筋应力计读数，将该值作为应力（应变）初值，在每束预应力钢绞线张拉后再依次测读钢筋应力计读数变化值。

2 片测试梁钢筋应力计布置图见图1、图2。

图1 1#边板钢筋应力计布置图

图2 2#中板钢筋应力计布置图

3.3 振弦式钢筋应力计性能及测量原理

振弦式钢筋应力计具有精度高、分辨率高、量程大、受环境影响小、可长距离传输及自身体积小等优点。在张拉前测试布置的钢筋应力计初始读数，每束钢绞线张拉前后钢筋拉压应力按下式计算：

式中：P—钢筋应力计拉（压）力（kN）；

K—传感器常用系数（kN/F）；

Fi—测试第i 次传感器力值（Hz）；

F0—初始传感器力值（Hz）；

B—常数（kN）。

混凝土应变值按下式计算：

式中：ε—应变；

F—被测钢筋的荷载（kN）；

A—被测钢筋的截面积（m2）；

E—钢筋弹性模量。

3.4 预应力梁跨中应力、应变测试计算结果（图3～6、表1～4）

图3 1#边板底部左侧混凝土应力（应变）随张拉钢绞线增加变化曲线图

图4 1#梁板底部右侧混凝土应力（应变）随张拉钢绞线增加变化曲线图

图5 2#中板底部左侧混凝土应力（应变）随张拉钢绞线增加变化曲线图

图6 2#梁板底部右侧混凝土应力（应变）随张拉钢绞线增加变化曲线图

表1 1#边板四根钢绞线张拉前后混凝土应力（应变）值表

表2 1#边板四根钢绞线张拉前后混凝土应力（应变）值表

表3 2#中板四根钢绞线张拉前后混凝土应力（应变）值表

表4 2#中板四根钢绞线张拉前后混凝土应力（应变）值表

3.5 预应力梁板预压应力分析

通过对南四湖二级坝除险加固工程溢流坝交通桥预应力梁板应力实测分析，可以得出以下结论：

（1）1#边板四束钢绞线依次张拉后，布置在底部两个振弦式钢筋应力计应变值均逐渐增大，最大应变值为220.5με；2#中板四束钢绞线依次张拉后，布置在底部两个振弦式钢筋应力计应变值均逐渐增大，最大应变值为221.5με，均远小于C50混凝土抗压理论状态下（轴心混凝土抗压强度标准值）对应的应变值（C50 轴心抗压强度标准值fck：32.4MPa，C50 混凝土弹性模量Ec：3.45×104MPa，应变=应力/弹性模量）。

（2）随着钢绞线张拉束数增加，预制构件混凝土应力也随之增加，实测得到的振弦式钢筋应力梁板底部应力应变值随钢绞线张拉束数增加而显著增大，4 束钢绞线张拉后的实测的最大应力值为9.35kN，对应的应变值为221.5με，没有张拉应力应变突变情况。

（3）2 片预应力空心板在四束钢绞线依次张拉后梁底部应变值逐渐变大，预制构件梁均处于弹性增长阶段，说明按设计要求对称位置先张拉靠近台座截面重心处的预应力钢绞线，再依次对称张拉其他钢绞线的张拉顺序比较合理，再次说明在张拉过程中，钢绞线的管道摩阻损失控制较好；张拉结束锚固时，预应力锚具变形较小，钢丝没出现大的滑移现象，钢绞线没有出现非弹性变形和应力松弛现象，说明张拉控制一切正常，梁板预制受弯构件正截面混凝土压应力均在正常范围内。

（4）通过测试结果可知，采用振弦式钢筋应力计所测数据相对稳定可靠，适用于构件应力测试与分析。

4 结语

在预应力梁板构件施工过程中，张拉力应按设计及相关要求进行控制，使混凝土预制构件产生预压应力，以便于利用混凝土较高的抗压能力来弥补其抗拉能力的不足，以推迟混凝土裂缝的出现和开展，从而提高构件的抗裂性能和刚度，因此在预应力混凝土梁板构件施工过程中预压应力控制监测能反映在张拉过程中施加预应力所产生的偏差，进而采取处理措施，保证结构的施工质量和安全■