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1、 铁路桥梁预应力损失影响因素分析 摘要：针对铁路桥梁预应力损失的影响因素及其特点，本文通过建立有限元模型对比这些因素对混凝土内部有效预应力产生的可能影响。通过分析不同因素的影响特点，总结归纳了铁路桥梁预应力损失的影响力大小、分布特点、发展特点。1引言铁路混凝土桥梁的预应力有效值对其主梁的挠度控制、裂缝抑制等具有重要的作用1。在桥梁的实际施工和使用中，真实的有效预应力通常难以获知，只能通过理论计算推导有效预应力的大小。然而，预应力损失通常包含多种因素的共同作用，这导致理论计算得有限预应力值和实际值相差较大2-3，从而无法很好控制桥梁的挠度和实现对裂缝的抑制，最终将导致桥梁结构的耐久性下降或无法安
2、全使用。因此，需要更加准确地计算桥梁有效预应力的大小，并采取有效的措施预防预应力损失所带来的结构问题。本文分析了铁路混凝土桥梁预应力损失的机理，并通过建立有限元模型的方法对铁路混凝土桥梁的预应力损失情况进行分析，对不同因素作用下的预应力的损失特点进行了总结，研究结论可供预应力损失的计算和施工设计提供一定的参考。2混凝土桥梁预应力损失机理分析预应力损失问题在桥梁结构中处于常见病害，出现预应力损失的桥梁往往伴随着其他病害的同时发生4。引起桥梁结构预应力损失的诱因主要包含以下几个方面：锚具的变形、温度差损失、钢筋的回缩与松弛、管道摩阻损失、混凝土的弹性压缩与收缩徐变等。部分诱因的作用持续时间较短，主
3、要发生在预应力张拉工序这一段时间内，具体包含混凝土的弹性压缩、钢筋的回缩、锚具的变形以及管道摩阻的损失等。部分诱因作用持续时间长，作用时间将伴随桥梁几乎全寿命周期，主要包含钢筋的松弛损失、混凝土的收缩徐变等。预应力管道摩阻损失的产生是由预应力管道和预应力筋之间发生相对滑动引起。施工实际管道位置与设计值容易存在偏差，另一方变预应力管道内壁粗糙，导致预应力筋在张拉过程中会和管道内壁发生摩擦产生阻力，降低实际预应力效果5-6。值得注意的是设置了平弯和纵弯的预应力管道位置，由于管道对预应力筋的径向压力，弯曲位置的摩阻力较大。在张拉工序完成后，由于千斤顶释放，锚具、垫板以及钢筋位置发生少量的滑移，导致预
4、应力的损失。当预应力由预应力筋传递到混凝土时，混凝土受压产生弹性形变，进而导致的钢筋回缩，称为弹性压缩损失。对于后张法构件，弹性压缩损失一般不会发生。由于预应力钢筋现普遍采用分批次张拉工艺，后张拉的预应力钢筋会对先完成张拉的预应力钢筋产生影响，导致混凝土弹性压缩损失7。因此，混凝土弹性压缩的实际损失量将受到钢筋所在截面的位置和张拉次序的影响。预应力筋在拉应力的作用下，随着时间的推移会发生缓慢的塑性变形导致钢筋长度加长，致使预应力效果减弱，即应力松弛。钢筋的应力松弛主要由预应力筋自身的材料特性决定。类似的，除了钢筋会发生缓慢的塑性变形，混凝土会发生收缩徐变，导致混凝土体积缩小8-9，从而导致预应
5、力效果损失。3建模分析以某预应力混凝土连续刚构铁路桥为例，桥梁全长357m，桥跨分布96m+160m+96m，截面形式为圆曲线变截面单箱单室结构，箱梁顶板宽度为12m，底板宽度为9m，截面中心板厚度为55cm柱墩为双支薄壁墩结构，结构整体立面图见图1。图1 桥梁整体立面图利用Midas Civil软件进行建模分析，主梁与桥墩采用刚性连接约束，桥台部分采用一般支撑并用刚性主从连接。模型包含230个节点、207个单元，通过25个施工阶段模拟桥梁施工过程，并模拟成桥20年后的桥梁内部结构预应力损失情况。有限元模型如图2所示。图2 桥梁有限元计算模型4预应力损失影响因素分析4.1不同位置钢束的预应力损
6、失分析本部分主要分析连续钢构铁路桥成桥20年预应力的损失情况。通过图3可知，在顶板钢束位置，由混凝土收缩徐变产生的损失的预应力占大部分，约44%；由钢筋松弛产生的损失占比约23%。从时间角度看，长期预应力损失平均占比约为总损失的67%，最高可达80%，最低31%。图3 顶板钢束预应力损失通过图4可知，对于腹板钢束，由混凝土收缩徐变产生的损失的预应力占大部分，约36%，由钢筋松弛产生的损失占比约17%。从时间角度看，长期预应力损失平均占比约为总损失的50%，最高可达58%，最低31%。图4 腹板钢束预应力损失对比不同长度的预应力钢束，随着钢束长度的变长，由摩阻产生的预应力损失增大。分析认为，这是
7、由于较长钢束的平弯相较短钢束的平弯较多，因而产生了更大的摩阻损失。同理，腹板钢束的弯曲相较顶板钢束较多，导致腹板钢束的摩阻损失比顶板钢束大。由图5、图6可知，边跨合龙钢束中，长期预应力损失的最大值为56%，最小值约为33%；短期预应力损失最大值为58%，最小值为24%。分析认为，由于边跨合龙钢筋采用的是单侧张拉，且存在较多弯曲，导致摩阻损失很大。中跨合龙钢束中，长期预应力损失的最大值约为86%，最小值约为72%。图5 边跨合龙钢束预应力损失 图6 中跨合龙钢束预应力损失4.2预应力钢束松弛通过前面的分析可知，预应力钢束松弛与混凝土收缩徐变产生的预应力损失比较大，其中预应力钢束松弛的影响最为显著
8、，故针对预应力钢束松弛对预应力损失产生的影响做重点分析。以左跨顶板钢束、中跨合龙钢束、边跨合龙钢束、腹板束为研究对象，分析其在成桥及之后1、5、10年的预应力损失情况，结果如图 7图 11所示。图 7 顶板钢束松弛后的预应力损失 图 8 腹板钢束松弛后的预应力损失图 9 中跨顶板合龙钢束松弛后的预应力损失 图 10 中跨底板合龙钢束松弛后的预应力损失图 11 边跨底板钢束松弛后的预应力损失由图7图11可知，顶板钢与腹板钢束的松弛在墩顶位置最小，跨中最大，总体呈现由墩顶向跨中发展增大的趋势；中跨底板合龙钢束的预应力损失分布规律与顶板和腹板束类似。由于边跨采用单端张拉，故端部预应力损失较小，中段预
9、应力损失较大；中跨合龙段顶板预应力损失分布规律与边跨类似。除此以外，预应力筋的预应力损失速度在成桥之后呈现出先快后慢的趋势，在短时间内快速发展，并在之后的5年逐步趋于缓慢。4.3混凝土的收缩徐变通过前面的分析可知，混凝土收缩徐变产生的预应力损失比较大，其损失的预应力水平所占比例可平均损失达到52%以上，需要重点关注。因此，以右跨顶板钢束、中跨合龙钢束、边跨合龙钢束、腹板束为研究对象，分析其在成桥及之后1、5、10和20年的预应力损失情况，结果如图12图16所示。图 12 混凝土收缩徐变导致的顶板钢束预应力损失 图 13 混凝土收缩徐变导致的腹板钢束预应力损失图 14 混凝土收缩徐变导致的中跨顶
10、板钢束预应力损失图 15 混凝土收缩徐变导致的中跨底板钢束预应力损失图 16 混凝土收缩徐变导致的边跨底板钢束预应力损失由图12图16可知，在桥梁建成后的5年内，混凝土收缩导致的预应力损失较大；5年后预应力损失量逐渐降低。由于其对结构称性，顶板钢束和腹板钢束在受到收缩徐变的影响后，呈现出从桥梁墩顶到桥跨中心位置逐步增大的对称分布。中跨合龙顶板钢束，预应力筋各位置损失差异较小。中跨底板钢束在跨中位置的预应力损失较大，两端位置损失较小；边跨底板钢束在边跨合拢位置最大，两端位置损失较小。5结论本文主要分析了混凝土桥梁预应力损失机理，并通过建立有限元模型分析了不同影响因素对预应力损失的作用效果，并总结
11、了不同影响因素的作用特点。结论如下：（1）预应力损失的长期效应占预应力总损失被比例较大，其中由于混凝土收缩徐变产生的预应力损失影响最大，成为预应力损失的主导因素。（2）由于预应力钢束松弛造成的预应力损失，通常表现出桥跨中间损失大，两段损失小的趋势。预应力钢束的损失会在弯曲部分增加较快，且预应力钢束的损失与其长度呈正相关。（3）对于不同位置的钢束，预应力损失的程度存在不同的分布特点。在计算分析时应（4）由于应力松弛造成的预应力损失随时间呈现先快后慢的关系，在第一年损失较大，随后损失速度逐渐放慢。参考文献1 贺志勇，陈智凯，易功超 桥梁预应力损失和刚度变化预测方法研究J 中外公路，2015, 35
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