项梁，朱浩，黄灿

（中交第二航务工程局有限公司技术中心，长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040）

0 引言

港珠澳大桥非通航孔桥承台及墩身采用全预制装配化施工方案，为了确保混凝土的施工质量，提高施工效率，降低施工风险，缩短施工周期，深水区非通航孔桥墩身连接采用干接缝方案，节段间采用粗钢筋预应力系统保证结构稳定性。由于国内尚无海上干接缝的应用先例，而且墩身竖向预应力损失计算缺乏理论和实践的支持，特别是受到人为因素和海上复杂施工气候环境的干扰，难以建立有效的计算模式[1]。因此，开展预制墩身竖向应力损失研究意义深远。

1 工程概况

港珠澳大桥工艺试验墩身结构断面尺寸为5 m×3.5 m，下墩身高度2.75 m，上墩身高度2 m，采用陆上立式预制，墩身接缝通过剪力键连接，节段间采用粗钢筋预应力系统保证结构稳定性。下墩身墩壁设置8根φ120/90波纹管和相应的预应力系统锚固端，包括螺旋筋、热缩套、隔离垫板及连接管等；上墩身同样设置8根φ120/90波纹管和相应的预应力系统张拉端。

试验选取其中4根（1号、4号、6号、7号），对称设置4个锚索计（因7号钢筋需安装保护罩将锚索计移至5号钢筋），每个锚索计下需设置1块6 cm厚的钢板（规格：300 mm×300 mm×60 mm），测试张拉过程及张拉完成后一段时间内预应力粗钢筋所受拉力，计算得其有效应力和预应力损失，共4种对比工况：1）标准张拉（1号预应力粗钢筋）；2）10%超张拉（5号预应力粗钢筋）；3） 锚垫板与混凝土夹角为5°（6号预应力粗钢筋）；4）预应力粗钢筋偏心张拉（4号预应力粗钢筋）。具体布置如图1，测试采用自动数据采集箱采集，每隔30 s采集1次。

图1 墩身预应力粗钢筋布置图Fig.1 Prestressed reinforcing rebar layout of the pier body

文献[2]规定预应力高强精扎螺纹钢筋的张拉采用双控法，油压值的误差不得超过±2%，伸长量的误差不得超过±5%。直线配筋张拉程序为0→初始预应力k→σ（持荷2 min）。

2 墩身竖向粗钢筋理论与试验研究

根据JTGD 62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（以下简称规范）中6.2.1的规定，后张法预应力构件主要考虑以下几个因素引起的预应力损失[3]：

1）预应力钢筋与管道壁之间的摩擦σl1；

2）锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩σl2；

3） 混凝土的弹性压缩 σl4；

4） 预应力钢筋的应力松弛 σl5；

5） 混凝土的收缩和徐变 σl6。

将总的预应力损失分为瞬时损失和长期损失，瞬时损失包括 σl1，σl2，σl4；长期损失包括 σl5，σl6。下面将分别对比分析2种预应力损失的理论值和实测值。

2.1 预应力瞬时损失

管道直径120 mm，预应力筋直径75 mm，可以不考虑管道摩阻引起的应力损失σl1。

根据规范中表6.2.3的规定，螺帽缝隙按照1 mm计算，环氧树脂砂浆接缝压缩按照1 mm计算，锚具变形和接缝压缩总量按照2 mm计算：σl2=2/4 000×2.1×e5×π×752/4/1 000=464 kN

后张拉钢筋所引起的混凝土弹性压缩的预应力损失σl4=αEP∑Δσpc，则第1根预应力筋σl4=59 kN；第4根预应力筋σl4=33.8 kN；第5根预应力筋σl4=25.4 kN；第6根预应力筋σl4=16.9 kN。

各预应力钢筋实测瞬时预应力值为：1号、4号、5号、6号锚索计实测张拉控制力分别为3 302 kN、2 991 kN、3 602 kN、3 299 kN。各预应力筋瞬时预应力损失见表1。

表1 瞬时预应力损失Table 1 The transient prestressing loss

由表1可见，1号锚索计（标准张拉）实测σl2较大，理论分析时接缝变形按理论值1 mm，实际存有一定缝隙，建议按规范计算σl2时可以乘以1.5的放大系数。

6号锚索计实测σl2最大，即当垫板与锚面存在夹角时，锚具回缩和变形要大于理论值1 mm，对比5号与6号锚索计的实测σl2，两者差值为341 kN，假设两者接缝变形引起的预应力损失相等，则相当于6号锚索计（垫板与锚面夹角5°）处锚具回缩和变形2.5 mm。

4号锚索计（偏心）实测σl2较小，说明偏心张拉锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的预应力损失没有明显的改变。

5号锚索计（10%超张拉）实测σl2最小，说明超张拉可以有效减小钢筋回缩引起的预应力损失。

4个锚索计实测σl4与理论值都基本吻合，而且数值较小，即混凝土的弹性压缩损失σl4的影响相对较小，且不同的张拉方式不会对混凝土的弹性压缩引起的预应力损失造成影响。

2.2 预应力长期损失

根据文献[3]，预应力筋松弛引起的预应力损失极值按照0.05倍的张拉应力计算，7 d松弛引起的预应力损失值按照0.57倍的损失极值计算，则预应力筋松弛引起的预应力损失σl5=0.57×0.05×3 300=94 kN；对于超张拉，预应力筋松弛引起的预应力损失极值按照0.035倍的张拉应力计算，则预应力筋松弛引起的预应力损失：

根据文献[3]，由混凝土收缩徐变引起的预应力损失：

式中：σ′pc为构建受压区全部纵向钢筋截面重心处由预应力产生的混凝土法向压应力；Ep为预应力钢筋弹性模量；αEP为预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；ρ′为构件受压区全部纵向钢筋配筋率；εcs（t，t0）为预应力传力锚固期为t0，计算考虑龄期为t时的混凝土收缩应变；φ（t，t0）为加载龄期为t0，计算考虑龄期为t时的徐变系数，当加载龄期7 d，计算龄期按14 d，这两个参数分别为8.7e-5、0.64。由上式混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失σl6=79 kN。

对各预应力钢筋预应力进行了连续14 d的测试，时程曲线见图2所示（以锚索计1为例），各预应力筋长期预应力损失见表2所示。

图2 预应力监测时程曲线Fig.2 Time-history curve for monitoring the prestress

表2 长期预应力损失Table 2 The long-term prestressing loss

由图2可见，墩身竖向预应力损失的曲线在锚固后120 h（5 d）后变得缓和。即，在竖向预应力压浆前若可进行一次补张拉，在工期允许的情况下，二次张拉宜在5 d之后进行。

由表2可见，5号锚索计（10%超张拉）实测σl5+σl6较小，说明采用超张拉可以有效降低预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失σl5。其余3根预应力筋的长期预应力损失实测值与理论值的比值均在90%左右，即按照规范计算出的预应力长期损失较大，规范值偏于保守。

由于现场试验采用混凝土结构加载，因此无法将σl5+σl6分开，只能放在一起当做长期预应力损失来研究。建议可在后续研究中同时采用钢结构加载架进行预应力筋张拉和长期监测，通过与混凝土结构的监测数据对比，可以单独得出混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失σl6。

由表3可见，采用10%超张拉的钢筋预应力损失率最小，为12.2%；其余3根钢筋预应力损失率都在25%左右。采用偏心张拉和垫板与锚面夹角5°的钢筋预应力损失比标准张拉的预应力损失大。

表3 有效预应力及预应力损失Table 3 The effective prestress and theprestressing loss

3 结论与建议

1）在墩身竖向预应力损失中σl2最大，且比规范的理论计算值大，锚具变形和接缝压缩的取值与现场施工工艺密切相关，受施工因素影响较明显，建议在按规范计算墩身竖向预应力损失σl2时，考虑乘以1.5的放大系数。

2）在墩身竖向预应力损失中σl4最小，与规范的理论计算值比较吻合，且张拉方式不会对混凝土的弹性压缩引起的预应力损失造成影响。

3）通过查阅文献以及对试验数据的分析，提出几种改进建议，以指导施工：

①在实际工程中，应保持垫板与锚面平行，避免偏心，在预埋墩身垫板时，应采用水准尺进行量测。

②墩身竖向预应力超张拉可以有效降低预应力钢筋的回缩和应力松弛引起的预应力损失，在预应力筋容许应力满足设计要求的情况下，可适当超张拉。

③墩身竖向预应力压浆前，进行一次补张拉，在工期允许的情况下，二次张拉宜在5d后进行。

[1]刘学伟.竖向预应力钢筋锚垫板安装倾角对预应力损失的影响[D].湖南：湖南科技大学，2008.LIUXue-wei．Influenceof vertical prestressed steel anchor backing plate installated dip on prestressed loss[D].Hunan:Hunan Universityof Scienceand Technology,2008.

[2]交通部公路规划设计院.预应力高强精轧螺纹粗钢筋设计施工暂行规定[K].北京：交通部公路规划设计院，1984.Highway Planning and Design Institute,Ministry of Communications.Design and construction specification for high-strength prestressed steel[K].Beijing:Highway Planning and Design Institute,Ministry of Communications,1984.

[3]JTGD 62—2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].JTG D 62—2004.Code for design of highway reinforced concrete and prestressed concretebridgeand culverts[S].