承德三纬路跨滦河特大桥主塔节段模型试验研究
2017-09-18
斜拉桥钢筋混凝土主塔拉索锚固区是将索力安全传递到主塔的重要受力结构，是斜拉桥最关键的受力部位之一。通过模型试验，可以确定预应力损失及张拉力和伸长量之间的关系，指导后续施工；在足尺模型中模拟实桥最不利工况下索力的最大水平分力，监测模型的应变应力情况，以验证拉索锚固区的安全性；且在地面进行塔柱的足尺模型试验，利于工人对施工工艺的理解，增加其熟练程度、加快施工进度、减小施工风险、保证施工质量，因此斜拉桥主塔拉索锚固区做足尺模型模型试验很有必要。
1 承德三纬路跨滦河特大桥工程主塔概述
主塔分上塔柱、中塔柱、下塔柱，主塔桥面以上高为107.1m。主塔顺桥向为A字型，横桥向夹角为82.334°，塔轴线顺桥向夹角为75°左右，中塔柱为两肢，采用薄壁箱形断面，为拉索锚固区。根据拉索位置在主塔内设置19φj15.2U形预应力钢铰线，其中主跨侧共布置54束，边跨侧共布置39束。桥梁立面图如图1所示：
2 模型选取
主跨Z4#拉索位于主塔上半部，此处构造较为复杂，环向预应力钢束、斜长的索管及劲性骨架都布置在箱形截面内，足尺模型选在此范围可以检验其施工工艺。现选取Z4#拉索锚固点以下4.0m、以上0.6m、高度为4.6m的节段作为试验节段。其中0～1.6m节段中除按设计图纸要求设置劲性骨架、绑扎钢筋外，张拉6束预应力钢绞线，1.6～4.6m节段，按设计图纸要求设置劲性骨架、绑扎钢筋、设置预应力孔道及Z4#索管，可不浇筑混凝土，仅做构造试验
使用。
3 试验内容
该足尺模型试验内容如下：（1）主塔试验段的普通钢筋、U形预应力钢绞线、环形箍筋、劲性骨架及索管空间位置施工可行性试验；（2）预应力钢绞线伸长量测定；（3）预应力钢绞线与管道壁间摩阻引起的预应力损失测定；（4）模型测点的应力应变测定；（5）主塔钢筋绑扎预偏值测定。
4 试验实施及结果
4.1 U形预应力钢绞线伸长量试验
4.1.1 钢束张拉控制值。本试验只张拉最下层的预应力钢束，其控制张拉力为3438.3kN。采用传统的张拉工艺，每一次张拉完成均应采集相应的数据，共采集3次。
4.1.2 张拉伸长值的推算。预应力钢束的理论伸长量，可按预应力束中有效应力引起的弹性伸长量及张拉端钢束工作段长度的伸长量之和来计算。其中有效应力引起的弹性伸长量可按《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000），按下式进行计算：
式中各参数意义详见规范说明。
将Nl、N2、N3钢束的参数代入上式，可得各张拉端的张拉伸长值。根据试验结果所得实测总伸长值△Ll112.3mm和计算伸长值△L80mm。
4.2 U形预应力钢绞线与管道壁间摩阻损失试验
4.2.1 孔道摩阻损失的测定。按照桥梁规范中规定的步骤用液压千斤顶和压力传感器测定U形孔道摩阻损失分别为1651.8 kN和1726.6kN。
4.2.2 孔道摩阻系数μ的测定。据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85）规定，对于后张法施工的预应力混凝土构件，孔道摩阻损失可按下式推算：
本次管道摩阻损失只取最下侧钢束，按照桥涵施工技术规范进行实测，并考虑双向张拉的影响，确定预应力筋与管道壁的摩擦系数μ=0.221。
4.3 模拟主塔节段受力试验
4.3.1 试验段情况概述。试验段下部分1.6m采用与主塔实际施工相同的C50混凝土浇筑并养护，U形预应力钢绞线双向各布置三层，全部按照张拉控制应力张拉完成。
4.3.2 应变计布置。试验中使用应变传感器全部为基康BGK-FBG-4000T型光纤光栅表面式应变传感器（内置温补光栅），并对加载各个阶段进行现场测量。模型上共布设应变测点16个，应变传感器全部采用水平放置，索孔中心所在平面布置6个，试验段顺桥向外壁索孔上下50cm平面各布置5个。
4.3.3 分级加载过程。试验过程共分为9个工况：工况1：张拉U形预应力钢绞线结束后；工况2：对顶力2000kN；工况3：对顶力3000kN；工况4：对顶力4000kN； 工况5：对顶力5000kN；工况6：对顶力5644kN （正常使用极限状态下，短期组合最大索力）；工况7：对顶力6500kN；工况8：对顶力7000kN；工况9：对顶力9000kN。
4.3.4 分级加载过程实测数据分析。应力突变值的测点说明混凝土表面出现裂缝，应变计计算应力已超出弹性范畴，不作为参考值。其中控制应力工况，即“工况6”，最大裂缝出现在J1#位置，裂缝宽度为0.16mm，满足规范要求。将预应力锚固区附近微裂缝凿开，观察裂缝深度情况，凿开深度为3cm时，裂缝无继续向内发展的趋势。俯爬面裂缝宽度经测量未超过规范要求。此时，仰爬面无裂缝出现。建议主塔施工时，提高对俯爬面模板附近混凝土的振捣要求。
5 结语
本主塔试验段完成主塔钢筋绑扎过程中的一些问题，U形预应力钢绞线张拉及预顶加载等多项试验。其中U形预应力钢绞线实测数据对后期局部分析及现场施工可起到参考及指导意义。主塔拉索节段为4.6m，试验节段为1.6m，大大减少了力传递的距离。同形式、同预应力布置的模型在控制预顶力工况下，4.6m节段最大拉应力值仅为1.6m节段最大拉应力值的38.7%。
根据以上情况，我们认为主塔斜拉索锚固区整体受力安全可靠，通过试验段的模拟实施，充分反映出了主塔施工过程中的一些问题，提前同设计及监理单位沟通，并得到了及时解决。为主塔顺利施工打下了良好的基础，施工进度及施工质量都得到了保证。
作者简介：吴立波（1978-），男，河北元氏人，天津城建集团有限公司工程师，研究方向：市政公用工程施工技术管理；苏涛（1982-），男，河北昌黎人，天津城建集团有限公司工程师，研究方向：市政公用工程施工技术管理。
