现浇箱梁非梁端预应力张拉断丝的成因及措施

时间：2024-05-20

李灵，徐秀维

(常州工程职业技术学院建筑工程技术学院，江苏常州 213164)

0 引言

随着现代桥梁跨度和承载能力的提高，预应力混凝土因具有提高现浇箱梁抗裂性和耐久性、增大构件刚度、节省材料、减轻结构自重等优点而被广泛使用。但无论采用先张法还是后张法施工预应力混凝土梁，其施工工艺都比普通钢筋混凝土复杂，且对张拉工艺要求较高。现行规范对后张法和先张法中预应力钢丝或钢绞线的断丝提出了非常严格的要求，每束钢丝或钢绞线只允许一根断丝［1-7］。在实际桥梁施工过程中，由于工艺水平的差距，一旦在放张预应力钢绞线或钢丝时稍有损伤，或预应力预留管道内出现漏浆、变形等，就比较容易出现断丝的状况。文献［8］～［17］针对断丝现象提出了较好的控制方法，但均仅从工艺上分析了整体张拉时钢绞线断丝的成因，并提出相应的改进措施和注意事项，并未对现浇箱梁非梁端预应力张拉过程中的断丝进行原因分析。本文就现浇箱梁非梁端预应力张拉施工过程中存在的断丝问题进行分析并提出相应的预防措施。

1 工程概况

宁高城际轨道交通二期工程是南京主城区至高淳的快速轨道交通，与地铁6号线禄口新城南站接轨，终点为高淳县城，采用与宁高新通道并线的方式建设。项目部主要负责石臼湖特大桥北引桥部分以及陆岸段1 km高架桥，共计7.49 km。上部结构主要为25～30 m跨径的预制安装箱梁及陆岸段跨北大堤(30 m+50 m+30 m)现浇连续箱梁、3处(3×30 m)现浇道岔连续梁。

其中石臼湖特大桥跨湖段、北岸防洪堤及南岸防洪堤部分对应的里程为DK30+070.29～DK42+894.97，北岸路岸段包含20#～50#共31个墩身，里程范围为DK29+571.86～DK30+441.86。其中现浇箱梁均位于路岸段，分别为30 m+50 m+30 m单幅现浇箱梁1段以及3×30 m双幅现浇箱梁2段。

跨北大堤(30 m+50 m+30 m)现浇连续箱梁梁体采用单箱单室变高度斜腹板箱型截面，主墩墩顶处和中支点截面特征点处的梁高3.0 m，箱梁在墩顶2.0 m范围内梁高相等，跨中2 m范围内及边墩顶现浇5.93 m直线段截面特征点处的梁高为1.8 m，梁高按圆曲线变化，圆曲线半径为221.017 m。箱梁顶宽9.0 m，底宽3.212～4.100 m。顶板厚27 cm，腹板厚分别为35、55 cm，在梁端及中支点附近厚度分别为65 cm及85 cm，底板厚由跨中的27 cm按照圆曲线变化至中支点梁根部的50 cm;全梁共设4道横隔梁，分别设于中支点和端支点截面。中支点处设置1.6 m厚的横隔梁，边支点处设置1.0 m厚的端隔梁。

2 工程特点

本项目中，现浇箱梁的预应力施工均采用后张法，箱梁施工时采取一次性浇注，钢绞线于混凝土浇注前布置完成，浇注过程中易发生波纹管漏浆等情况;钢绞线通长束主要集中在两侧腹板中，长度大，弯曲点多，两端由顶板穿出，为后期预应力施工增加了难度。钢绞线的布置如图1、2所示。

图1 钢绞线截面布置

图2 二分之一梁钢绞线立面布置

3 断丝情况描述及原因分析

3.1 断丝情况

在第一段3×30 m箱梁预应力施工中，左幅与右幅通长束共有2根钢绞线出现断丝，断丝均发生在腹板束W1(腹板处钢丝束编号，见图1)，一根断2丝，另一根断3丝。断丝时，控制应力在90%左右，伸长量未达到设计要求。断丝发生于箱梁内第一起弯点位置附近(根据应力计算以及抽出的断丝长度确定断丝位置)。

3.2 原因分析

结合工程施工的实际情况，采用排除法从现场使用的材料、工具以及施工方法等多方面综合分析，以期找出断丝的原因［18-19］。

首先，从材料及设备角度分析。钢绞线含碳量过高时脆性大，未达到质量标准要求，可能会造成断丝，但现场取样的钢铰线经实验室检测发现质量并无问题;千斤顶读数可能出现偏差，但经重新标定后千斤顶读数偏差符合规范要求，因此不存在千斤顶读数偏差的影响。

其次，从施工工艺角度分析。在张拉过程中，当千斤顶拉出钢绞线时，工作夹片跟着后退到后面的限位板后，夹片张开，钢绞线被顺利拉出，当限位板的限位值相对夹片偏小时，工作夹片张开的量不够，会造成工作夹片与钢绞线互相刮损，磨损工作夹片的刻丝，导致钢绞线滑丝，出现质量事故。但经检查和过程监督后，该原因也被排除。

第三，从前施工工序的影响分析。箱梁浇筑时发生波纹管漏浆情况，导致堵管。该原因是最常见也最容易排查的情况之一，左幅出现断丝后，在张拉右幅钢绞线之前，使用调直机对钢绞线进行了拖拽，钢绞线可以拖动，证明未出现堵管现象，然而右幅W1张拉时依旧出现了断丝现象，堵管因素被排除。钢筋焊接过程中灼烧钢绞线也可能造成钢绞线断丝，但对抽出的断丝进行检查时，并未发现明显的灼烧痕迹。另外，钢绞线布置位置以及张拉槽口布置位置也可能造成张拉过程中断丝。根据现场情况总结，张拉出现断丝的均为W1束，其他几束通长束都没有出现断丝现象;而且，在前期施工张拉的30 m+50 m+30 m现浇梁中，并未出现任何断丝现象，该现浇梁与3×30 m现浇梁结构上并无太大差异，最大的不同是钢绞线通长束由梁体两端穿出，见图3。

经过上述几个方面的分析后，将问题点定位在钢绞线本身布置情况以及张拉槽口的安置角度上。由图2可知，30×30 m现浇梁的钢索布置均从顶板穿出，同时W1位于腹板最上部，起弯点相对其他几束更靠近张拉槽口。另外经检查，W1张拉槽口位置布置不准确，槽口外端略微上扬，导致弯起角度相对较大。

钢绞线的平均应力

式中:Pp为预应力筋平均张拉力(N);P为预应力筋张拉端的张拉力(N);k为孔道每米局部偏差对摩擦力的影响系数，取0.001 5;x为从张拉端至计算截面的孔道长度(m);μ为预应力筋与孔道壁的摩擦系数，取0.25;θ为从张拉端至计算截面的曲线孔道部分切线的夹角之和(rad)。

将式(1)进行积分，可得到

式中:Pz为分段的终点力(N);Pq为分段的起点力(N)。

由此可知，可通过对式(2)不断积分求得任意点的准确应力值。进行分段计算时，靠近张拉端第一段的终点力即为第二段的起点力。

由式(2)可以看出，弯起角度θ直接决定了张拉应力在弯曲位置的应力损失，弯起角度越大，应力损失越多，从而对钢索的磨损也越多。将30 m+50 m+30 m梁与3×30 m梁对比后发现，后者的弯起角θ明显大于前者，这为后者的张拉增加了难度。另一方面，对比3×30 m梁中同类通长束，W1槽口上扬，导致W1起弯点到弯曲结束点的弯起角度最大。假定4条通长束在起弯点应力相同，则在起弯点到弯曲结束点，W1应力损失最多，在弯曲结束点W1的拉应力最小。

图3 30 m+50 m+30 m现浇梁钢绞线立面布置

从另一方面也可以对3×30 m中的 W1、W2、W3、W4束进行比较:从张拉端开始，4条通长束的初始应力相等，均等于张拉机器提供的控制应力，当从张拉槽口到达第一起弯点时，W1距离最短，W1的应力损失最小，所以在第一起弯点处，W1所承受的拉应力最大。

综上所述，W1束在起弯点承受的拉应力最大，而应力在弯曲处传递时，W1消耗的应力最多。通过以上结论可知，相较于其他通长束的第一起弯点，W1束处于最不利荷载位置，这一点极有可能成为张拉断丝的主要原因，同时也解释了断丝处均在第一起弯点附近的现象。这种通长束从顶板穿出的箱梁形式更容易引起断丝现象的发生。

4 解决措施

要避免现浇预制箱梁非梁端预应力筋张拉过程中发生断丝，主要从以下2个方面进行预防:一是增加张拉槽口至第一起弯点的距离，从而增大张拉槽口至起弯点的应力损失，使第一起弯点处拉应力减小;二是降低张拉槽口角度，使弯起角度减小，减少弯曲处的应力损失。具体解决方案为:首先在箱梁浇筑时严格控制槽口锚盒位置，防止出现上浮、翘起等现象，从而控制好弯起角度，防止应力过分损失;其次在混凝土浇注前，可适当将张拉槽口锚盒向梁端平移1 cm左右，从而增加槽口至起弯点的距离，同时也减小弯起角度;第三，若箱梁已经浇筑完成，可在张拉前将千斤顶放置口下凿，尽可能使千斤顶位置放低，从而在张拉时缓解弯曲角度过大的现象;最后，张拉完成后发现有钢绞线断丝，可以在断丝后重新核算预应力，必要时启用备用束［20-21］。

工程实践表明:采用以上措施后，现浇箱梁的预应力施工中未发现任何断丝现象;已出现断丝的箱梁采用备用束后重新张拉，预应力能够满足设计要求。