40m預(yù)應(yīng)力T梁上拱度影響因素分析

摘 要：本文以40m預(yù)應(yīng)力T梁為研究對象，通過建立有限元模型，計(jì)算并分析了各種因素對T梁上拱度的影響程度，并提出有針對性的控制措施，以指導(dǎo)預(yù)應(yīng)力T梁的施工。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土T梁；上拱度；影響因素；控制措施

1 選題背景及研究意義

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁由于其獨(dú)特的優(yōu)勢，在近幾十年來得到了迅速的發(fā)展，但是由于混凝土收縮徐變、施工控制偏差、存梁時(shí)間差別大等因素的影響，導(dǎo)致T梁上拱度難以準(zhǔn)確控制，實(shí)際起拱差異較大，這也直接影響到后續(xù)工序的施工精度以及橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用。本文基于提高橋梁上部構(gòu)造工程質(zhì)量、減少后期處理成本的考慮，對某高速公路40m預(yù)應(yīng)力T梁的上拱度計(jì)算進(jìn)行了深入研究，結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際可能出現(xiàn)的各種因素，對T梁上拱度的影響情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了控制措施。

2 40m預(yù)應(yīng)力T梁有限元模型建立

某高速公路橋先簡支后連續(xù)剛構(gòu)40mT梁共分為4種梁型：中跨中梁、中跨邊梁、邊跨中梁以及邊跨邊梁。40mT梁標(biāo)準(zhǔn)中跨預(yù)制長度為39.3m，邊跨為39.62m；跨中標(biāo)準(zhǔn)截面腹板寬度20cm，底寬60cm，馬蹄高度25cm，馬蹄位與腹板之間設(shè)置20×20cm的倒角過渡；全梁共設(shè)置6道橫隔板。

由于本文只研究40m預(yù)應(yīng)力T梁的上拱度整體變化情況，不涉及T梁梁體細(xì)部分析，故選用MI天AS/Civil有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算。采用MI天AS中的變截面梁單元建模，將40mT梁（中跨）縱向拆分為52個(gè)梁單元、邊跨拆分為53個(gè)梁單元。變截面的起終點(diǎn)以及橫隔板的位置設(shè)置為2個(gè)梁單元的交接節(jié)點(diǎn)，最小梁單元長度為0.75m，最大梁單元長度為1.03m。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，針對不同梁型設(shè)置好鋼束以及預(yù)應(yīng)力荷載參數(shù)。其他參數(shù)均按照設(shè)計(jì)圖紙中的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

從張拉當(dāng)日開始計(jì)算4種類型T梁的上拱度，計(jì)算結(jié)果顯示：在張拉后的任一時(shí)間節(jié)點(diǎn)，邊跨邊梁跨中上拱度最大，中跨中梁跨中上拱度最小。故選取這2種梁型來計(jì)算各種因素對T梁上拱度的影響程度。

3 各種因素對T梁上拱度的影響

（1）存梁時(shí)間長短

由于混凝土的收縮和徐變作用，在張拉后的存梁期間，T梁的跨中上拱度將隨著存梁時(shí)間的增加而逐步增加。T梁張拉后360天跨中上拱度計(jì)算結(jié)果見表1：

（2）環(huán)境平均相對濕度

混凝土構(gòu)件在相對濕度較低的環(huán)境下，水分散失較快，收縮徐變的速度較快；在濕度較高的環(huán)境下，水分散失較慢，混凝土的收縮徐變也較慢。設(shè)計(jì)圖紙給出的環(huán)境年平均相對濕度為80%，但是在實(shí)際施工過程中，由于各地以及各個(gè)季節(jié)的平均濕度均不一致，分別計(jì)算50%、95%相對濕度情況下，與80%相對濕度情況下T梁跨中上拱度的偏差，詳見表2：

（3）混凝土強(qiáng)度

在標(biāo)準(zhǔn)情況下，40mT梁的C50混凝土采用抗壓強(qiáng)度28天達(dá)到50MPa的混凝土輕度曲線進(jìn)行計(jì)算。但實(shí)際施工中，C50混凝土28天強(qiáng)度通常會達(dá)到60MPa以上，與設(shè)計(jì)值有一定差距。故按照28天強(qiáng)度50MPa和60MPa來分別計(jì)算2種梁型上拱度的偏差，詳見表3：

（4）張拉齡期

設(shè)計(jì)要求在T梁混凝土澆筑后達(dá)到90%以上強(qiáng)度并且不少于5天齡期才能張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。但實(shí)際施工中可能由于種種原因?qū)е峦七t張拉。現(xiàn)計(jì)算在齡期5天、15天張拉時(shí)，T梁跨中上拱度與7天張拉時(shí)的偏差，詳見表4：

（5）是否考慮橫隔板荷載

在許多理論計(jì)算中，對T梁荷載只計(jì)算了梁體部分，但實(shí)際施工中，翼板寬度范圍內(nèi)的橫隔板是和T梁梁體同時(shí)澆筑的，故應(yīng)在理論計(jì)算中考慮這部分橫隔板的作用。分別計(jì)算考慮橫隔板與不考慮橫隔板這2種情況的T梁跨中上拱度，不考慮橫隔板時(shí)上拱度增加的情況見表5：

（6）是否考慮梁體配筋對結(jié)構(gòu)剛度及收縮徐變的影響

預(yù)應(yīng)力T梁通常按照預(yù)應(yīng)力混凝土A類結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不允許受拉區(qū)混凝土開裂，故受拉區(qū)鋼筋未主要承受拉力，但對于T梁截面剛度有一定影響，對混凝土收縮徐變有一定的約束作用。分別計(jì)算考慮鋼筋作用與不考慮鋼筋作用這2種情況下T梁跨中上拱度，并進(jìn)行對比，詳見表6：

（7）T梁外形結(jié)構(gòu)偏差

由于采用整體鋼模板，故T梁在澆筑施工中比較少出現(xiàn)漲模的現(xiàn)象，但T梁頂面比較容易澆筑偏厚。為研究頂板偏厚對T梁上拱度的影響，按照頂板超厚2cm來計(jì)算其上拱度偏差，詳見表7：

（8）混凝土容重

在MI天AS中，程序設(shè)定的C50混凝土標(biāo)準(zhǔn)容重是25kN/m3。但實(shí)際施工中混凝土容重需要根據(jù)配合比實(shí)際測定，一般在24.5kN/m3～25kN/m3之間。為研究混凝土容重偏差對T梁跨中上拱度造成的影響，計(jì)算容重為24.5kN/m3的情況下T梁跨中上拱度的與容重為25kN/m3時(shí)的偏差，詳見表8：

（9）是否考慮鋼筋重量

由于在理論計(jì)算中一般沒有考慮鋼筋重量，但混凝土的容重為25kN/m3時(shí)，T梁鋼筋混凝土組合容重達(dá)到了26.5kN/m3。為研究考慮鋼筋重量時(shí)T梁跨中上拱度的偏差，計(jì)算容重為26.5kN/m3時(shí)T梁的跨中上拱度與容重為25kN/m3時(shí)的偏差，詳見表9：

（10）張拉力偏差

設(shè)計(jì)40m預(yù)應(yīng)力T梁的張拉控制應(yīng)力為0.74fpk=1376.4MPa。由于在實(shí)際施工中，實(shí)際張拉力與設(shè)計(jì)之間會有一定誤差。為研究其偏差對T梁上拱度的影響，計(jì)算與設(shè)計(jì)張拉應(yīng)力偏差3%情況下T梁的跨中上拱度，詳見表10：

（11）管道摩阻系數(shù)

設(shè)計(jì)給出的標(biāo)準(zhǔn)管道摩阻系數(shù)μ=0.25，為分析管道摩阻系數(shù)對T梁上拱度的影響，分別按照μ=0.2、μ=0.3來計(jì)算中跨中梁以及邊跨邊梁的上拱度，詳見表11：

（12）管道局部偏差

設(shè)計(jì)給出的管道局部偏差系數(shù)k=0.0015，但由于實(shí)際安裝管道過程中，偏差未必與理論一致，故分別計(jì)算k=0.001以及k=0.003的情況下，邊跨邊梁以及中跨中梁上拱度的偏差情況，詳見表12：

（13）管道安裝定位整體偏差

在預(yù)應(yīng)力管道定位安裝的過程中，除存在局部偏差以外，還可能出現(xiàn)整體性的誤差，最常見的就是預(yù)應(yīng)力管道在梁板中段最低段的標(biāo)高控制不準(zhǔn)，整體偏高或者整體偏低。通過模擬預(yù)應(yīng)力管道最低段安裝標(biāo)高±2cm的情況，計(jì)算其與跨中管道安裝正確時(shí)的跨中上拱度偏差，詳見表13：

（14）錨具變形、鋼筋回縮以及接縫壓縮偏差

一般錨具變形、鋼筋回縮以及接縫壓縮值會在4mm～6mm之間。通過模擬計(jì)算，研究錨具變形、鋼筋回縮以及接縫壓縮值在4mm時(shí)，T梁跨中上拱度與標(biāo)準(zhǔn)情況（6mm）時(shí)的偏差，詳見表14：

（15）綜合各種因素對T梁上拱度的影響

為分析T梁上拱度可能出現(xiàn)的偏差極值，綜合考慮上述的各種因素，分別計(jì)算張拉后存梁90天時(shí)邊跨邊梁及中跨中梁在實(shí)際施工的上拱度可能最大值、最小值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差。詳見表15：

（16）各種因素對T梁上拱度影響程度對比

為了更直觀的分析各種因素的影響程度，按照張拉后存梁90天的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用柱狀圖的形式匯總各種因素偏差時(shí)，所計(jì)算出的T梁上拱度最大偏差情況，詳見圖1：

由此可見：

（1）對T梁上拱度影響較大的因素有：計(jì)算時(shí)是否考慮橫隔板荷載、是否考慮鋼筋作用、是否考慮鋼筋重量、存梁時(shí)間、環(huán)境相對濕度等5個(gè)因素。

（2）混凝土收縮徐變類別的因素對邊跨邊梁影響較大，預(yù)應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)重量類別的因素對中跨中梁影響較大。

4 預(yù)應(yīng)力混凝土T梁上拱度控制措施

由于對T梁上拱度影響因素較多，部分因素影響較大，應(yīng)采取有效措施進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)計(jì)算方面，應(yīng)針對不同工程的實(shí)際情況建立模型并設(shè)置計(jì)算參數(shù)，盡量使理論計(jì)算結(jié)果貼近施工實(shí)際，以更好的指導(dǎo)現(xiàn)場施工。在施工過程中，針對各項(xiàng)可能出現(xiàn)的偏差，應(yīng)設(shè)置有針對性的措施進(jìn)行控制，切實(shí)做好施工標(biāo)準(zhǔn)化，避免由于施工實(shí)際與標(biāo)準(zhǔn)情況不符而導(dǎo)致上拱度出現(xiàn)較大偏差的情況。

5 結(jié)論與展望

通過本文的分析和計(jì)算，希望日后設(shè)計(jì)單位能和施工單位充分溝通，建立合理的T梁模型及貼合實(shí)際的參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，施工單位也應(yīng)該在施工過程中加強(qiáng)對T梁上拱度的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)偏差較大的情況應(yīng)及時(shí)分析并找到原因，及時(shí)糾偏，才能有效控制T梁上拱度。

參考文獻(xiàn)

[1]向秋燕.預(yù)應(yīng)力混凝土T梁起拱度理論分析及控制研究[天].長沙理工大學(xué)，2009.

[2]耿波.預(yù)應(yīng)力混凝土梁的起拱度控制方法及試驗(yàn)研究[天].武漢理工大學(xué)，2004.

（作者單位：廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司）