承德三緯路跨灤河特大橋主塔節(jié)段模型試驗研究
2017-09-18
斜拉橋鋼筋混凝土主塔拉索錨固區(qū)是將索力安全傳遞到主塔的重要受力結(jié)構(gòu)，是斜拉橋最關(guān)鍵的受力部位之一。通過模型試驗，可以確定預(yù)應(yīng)力損失及張拉力和伸長量之間的關(guān)系，指導(dǎo)后續(xù)施工；在足尺模型中模擬實橋最不利工況下索力的最大水平分力，監(jiān)測模型的應(yīng)變應(yīng)力情況，以驗證拉索錨固區(qū)的安全性；且在地面進行塔柱的足尺模型試驗，利于工人對施工工藝的理解，增加其熟練程度、加快施工進度、減小施工風(fēng)險、保證施工質(zhì)量，因此斜拉橋主塔拉索錨固區(qū)做足尺模型模型試驗很有必要。
1 承德三緯路跨灤河特大橋工程主塔概述
主塔分上塔柱、中塔柱、下塔柱，主塔橋面以上高為107.1m。主塔順橋向為A字型，橫橋向夾角為82.334°，塔軸線順橋向夾角為75°左右，中塔柱為兩肢，采用薄壁箱形斷面，為拉索錨固區(qū)。根據(jù)拉索位置在主塔內(nèi)設(shè)置19φj15.2U形預(yù)應(yīng)力鋼鉸線，其中主跨側(cè)共布置54束，邊跨側(cè)共布置39束。橋梁立面圖如圖1所示：
2 模型選取
主跨Z4#拉索位于主塔上半部，此處構(gòu)造較為復(fù)雜，環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束、斜長的索管及勁性骨架都布置在箱形截面內(nèi)，足尺模型選在此范圍可以檢驗其施工工藝?，F(xiàn)選取Z4#拉索錨固點以下4.0m、以上0.6m、高度為4.6m的節(jié)段作為試驗節(jié)段。其中0～1.6m節(jié)段中除按設(shè)計圖紙要求設(shè)置勁性骨架、綁扎鋼筋外，張拉6束預(yù)應(yīng)力鋼絞線，1.6～4.6m節(jié)段，按設(shè)計圖紙要求設(shè)置勁性骨架、綁扎鋼筋、設(shè)置預(yù)應(yīng)力孔道及Z4#索管，可不澆筑混凝土，僅做構(gòu)造試驗
使用。
3 試驗內(nèi)容
該足尺模型試驗內(nèi)容如下：（1）主塔試驗段的普通鋼筋、U形預(yù)應(yīng)力鋼絞線、環(huán)形箍筋、勁性骨架及索管空間位置施工可行性試驗；（2）預(yù)應(yīng)力鋼絞線伸長量測定；（3）預(yù)應(yīng)力鋼絞線與管道壁間摩阻引起的預(yù)應(yīng)力損失測定；（4）模型測點的應(yīng)力應(yīng)變測定；（5）主塔鋼筋綁扎預(yù)偏值測定。
4 試驗實施及結(jié)果
4.1 U形預(yù)應(yīng)力鋼絞線伸長量試驗
4.1.1 鋼束張拉控制值。本試驗只張拉最下層的預(yù)應(yīng)力鋼束，其控制張拉力為3438.3kN。采用傳統(tǒng)的張拉工藝，每一次張拉完成均應(yīng)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，共采集3次。
4.1.2 張拉伸長值的推算。預(yù)應(yīng)力鋼束的理論伸長量，可按預(yù)應(yīng)力束中有效應(yīng)力引起的彈性伸長量及張拉端鋼束工作段長度的伸長量之和來計算。其中有效應(yīng)力引起的彈性伸長量可按《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ041-2000），按下式進行計算：
式中各參數(shù)意義詳見規(guī)范說明。
將Nl、N2、N3鋼束的參數(shù)代入上式，可得各張拉端的張拉伸長值。根據(jù)試驗結(jié)果所得實測總伸長值△Ll112.3mm和計算伸長值△L80mm。
4.2 U形預(yù)應(yīng)力鋼絞線與管道壁間摩阻損失試驗
4.2.1 孔道摩阻損失的測定。按照橋梁規(guī)范中規(guī)定的步驟用液壓千斤頂和壓力傳感器測定U形孔道摩阻損失分別為1651.8 kN和1726.6kN。
4.2.2 孔道摩阻系數(shù)μ的測定。據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTJ023-85）規(guī)定，對于后張法施工的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，孔道摩阻損失可按下式推算：
本次管道摩阻損失只取最下側(cè)鋼束，按照橋涵施工技術(shù)規(guī)范進行實測，并考慮雙向張拉的影響，確定預(yù)應(yīng)力筋與管道壁的摩擦系數(shù)μ=0.221。
4.3 模擬主塔節(jié)段受力試驗
4.3.1 試驗段情況概述。試驗段下部分1.6m采用與主塔實際施工相同的C50混凝土澆筑并養(yǎng)護，U形預(yù)應(yīng)力鋼絞線雙向各布置三層，全部按照張拉控制應(yīng)力張拉完成。
4.3.2 應(yīng)變計布置。試驗中使用應(yīng)變傳感器全部為基康BGK-FBG-4000T型光纖光柵表面式應(yīng)變傳感器（內(nèi)置溫補光柵），并對加載各個階段進行現(xiàn)場測量。模型上共布設(shè)應(yīng)變測點16個，應(yīng)變傳感器全部采用水平放置，索孔中心所在平面布置6個，試驗段順橋向外壁索孔上下50cm平面各布置5個。
4.3.3 分級加載過程。試驗過程共分為9個工況：工況1：張拉U形預(yù)應(yīng)力鋼絞線結(jié)束后；工況2：對頂力2000kN；工況3：對頂力3000kN；工況4：對頂力4000kN； 工況5：對頂力5000kN；工況6：對頂力5644kN （正常使用極限狀態(tài)下，短期組合最大索力）；工況7：對頂力6500kN；工況8：對頂力7000kN；工況9：對頂力9000kN。
4.3.4 分級加載過程實測數(shù)據(jù)分析。應(yīng)力突變值的測點說明混凝土表面出現(xiàn)裂縫，應(yīng)變計計算應(yīng)力已超出彈性范疇，不作為參考值。其中控制應(yīng)力工況，即“工況6”，最大裂縫出現(xiàn)在J1#位置，裂縫寬度為0.16mm，滿足規(guī)范要求。將預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)附近微裂縫鑿開，觀察裂縫深度情況，鑿開深度為3cm時，裂縫無繼續(xù)向內(nèi)發(fā)展的趨勢。俯爬面裂縫寬度經(jīng)測量未超過規(guī)范要求。此時，仰爬面無裂縫出現(xiàn)。建議主塔施工時，提高對俯爬面模板附近混凝土的振搗要求。
5 結(jié)語
本主塔試驗段完成主塔鋼筋綁扎過程中的一些問題，U形預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉及預(yù)頂加載等多項試驗。其中U形預(yù)應(yīng)力鋼絞線實測數(shù)據(jù)對后期局部分析及現(xiàn)場施工可起到參考及指導(dǎo)意義。主塔拉索節(jié)段為4.6m，試驗節(jié)段為1.6m，大大減少了力傳遞的距離。同形式、同預(yù)應(yīng)力布置的模型在控制預(yù)頂力工況下，4.6m節(jié)段最大拉應(yīng)力值僅為1.6m節(jié)段最大拉應(yīng)力值的38.7%。
根據(jù)以上情況，我們認(rèn)為主塔斜拉索錨固區(qū)整體受力安全可靠，通過試驗段的模擬實施，充分反映出了主塔施工過程中的一些問題，提前同設(shè)計及監(jiān)理單位溝通，并得到了及時解決。為主塔順利施工打下了良好的基礎(chǔ)，施工進度及施工質(zhì)量都得到了保證。
作者簡介：吳立波（1978-），男，河北元氏人，天津城建集團有限公司工程師，研究方向：市政公用工程施工技術(shù)管理；蘇濤（1982-），男，河北昌黎人，天津城建集團有限公司工程師，研究方向：市政公用工程施工技術(shù)管理。
