預應力混凝土簡支梁長期存放技術保護方案

邢海瑞(中鐵豐橋橋梁有限公司，北京 100070)

預應力混凝土簡支梁長期存放技術保護方案

邢海瑞(中鐵豐橋橋梁有限公司，北京 100070)

以中鐵豐橋橋梁有限公司伊吾分公司預制梁場為工程依托，總結了預制T梁長期存放造成拱度過大的發(fā)生情況，分析了拱度形成的主要原因，提出了相應的處理方案及具體實施方法，使得預制T梁質量得到保障。

預制T梁；拱度；堆載加荷

1 工程概況

中鐵豐橋橋梁有限公司伊吾分公司預制梁場主要的施工任務為預制通橋（2005）2101預應力混凝簡支T梁，目前場內剩余橋梁16孔。

由于預制梁長期存放，會因徐變引起拱度較大。通過現場多次的觀測結果表明：現階段橋梁的拱度已基本穩(wěn)定，6孔24m橋梁和3孔16m橋梁的拱度均在20mm以下，對架梁后的橋面鋪裝無甚影響；而7孔32m橋梁中的6孔的拱度均在35mm以下（支距折減后均在32mm以下）；拱度較大的2片梁分別為42.5和37.5mm。

2 拱度形成的原因及偏差分析

2.1 拱度的形成

預制后張法預應力混凝土簡支梁的豎向變形主要由4個部分組成。一期恒載，即自重引起的下撓度fg1；預加應力Ny作用下引起的上拱度fy；二期恒載作用下引起的下撓度fg2；混凝土徐變引起的上拱度fcr。因此，預應力簡支梁的總變形 f=fy–fg1–fg2+fcr。

1）一期恒載

一期恒載即主梁自重。

2）預應力引起的拱度

將錨下控制應力σcom扣除所有的預應力損失，得到實際存在的預拉應力值；在偏心預加應力的作用下，引起梁的上撓度fy。預應力損失由五部分組成，即預應力筋與管道壁間摩擦引起的應力損失σL1；錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的應力損失σL2；混凝土彈性壓縮引起的應力損失σL4；鋼筋松弛引起的應力損失σL5；混凝土收縮和徐變引起的應力損失σL6。

根據有關文獻，傳力錨固時，計入自重作用，32mT梁按理論支點計算的跨中上拱度為32.7mm。

3）二期恒載

二期恒載主要包括線路設備（軌枕、鋼軌等）、道碴、人行道支架、步板、電纜槽、擋碴塊、現澆橋面板及橫隔板濕接縫的重量。對于通橋（2005）2101—32m曲線邊梁，設計采用的二期恒載值為每單線孔80.81kN/m。

4）混凝土收縮、徐變引起拱度

根據預制梁圖紙《時速160公里客貨共線鐵路預制后張法簡支T梁（圖號：通橋（2005）2101）》的設計說明，按照終張拉90天上二期恒載，徐變上拱度直線邊梁為44.72mm，直線中梁45.87mm，曲線邊梁55.16mm，曲線中梁55.52mm。據此，制梁場設置底模反拱45mm。

根據有關文獻，鐵路T梁的徐變上拱度發(fā)展過程大致如下：30天的徐變引起上拱度為15mm；90天徐變引起上拱度為23mm；180天徐變引起上拱度為27mm；360天徐變引起上拱度為30mm。

通過對比，文獻數據比設計圖紙數據的徐變拱度低。按照保守安全原則，根據混凝土收縮、徐變應力損失的完成率η1（見表1）[1]粗略推演計算，到今960d（徐變完成率約為97.5%）的徐變上拱度約為35mm；3年時全部徐變上拱度約為36mm。

表1 混凝土收縮、徐變應力損失的完成率η1

5）上拱度的理論限度

因上拱度的影響因素較多，變化復雜，偏差較大。根據有關規(guī)范[2]的規(guī)定，終張拉30天時用水準儀測量的簡支梁上拱度不應超過L/1000，對于32m鐵路T梁，即32mm。

如上述文獻所表，橋梁終張拉30天時，其徐變上拱15mm；30天～960天的徐變上拱則為35-15=20mm。

因此，對于現存的32m橋梁，其上拱度不超過32+20=52mm，則是正常的。即52mm是上拱度的理論限度，一般不應超過。

2.2 彈性上拱度的影響因素

1）預施壓應力

預施壓應力大小和應力施加時間影響著上拱度的大小。預施壓應力（如設計張拉力或張拉、超張拉控制應力）越大，梁體上拱度就越大（如邊梁的上拱度值一般大于中梁的上拱度值），反之亦然。預施壓應力的應力施加時間越長或越早，梁體上拱度就越大。另外，孔道摩阻、錨具變形、鋼筋回縮和應力松馳等預應力損失會使有效預施壓應力減少，梁體上拱度值降低。

2)混凝土的強度和彈性模量

施加預應力時梁體混凝土的強度和彈性模量影響著上拱度的大小。一般地，混凝土的強度和彈性模量越高，梁體上拱度就越小，反之亦然。一般，梁體混凝土的彈性模量增長比其強度增長要慢，且持續(xù)時間較長，如在混凝土澆筑后短期內（7天齡期以內）就對梁體施加預應力，既使梁體混凝土具有較高的強度，也會造成上拱度大幅增加，因此，加載齡期對拱度也有一定的影響。

3)其它因素

梁體存放懸臂長度大小、預施應力的精確程度（指在規(guī)定誤差內）、孔道及錨口摩阻的大小、混凝土彈模、底模預留反拱值誤差等，均會對梁體的彈性上拱度產生影響。

2.3 徐變上拱度的影響因素

混凝土的徐變是依賴于荷載且與時間有關的一種非彈性性質的變形。在長期荷載作用下，混凝土體內水泥膠體微細孔中的游離水將經毛細管擠出并蒸發(fā)，產生了膠體縮小形成徐變過程。徐變是混凝土在長期荷載作用下的固有特性，從梁的實測觀測數據發(fā)現，徐變上拱度的離散性很大，大到同一座橋的同一種梁，小到同一臺座生產的不同時期的同一種梁均有不同。因此，影響徐變上拱度的因素很多，主要具有如下的特性：

1）徐變在初期發(fā)展特別快，而后發(fā)展逐漸減慢，延續(xù)時間可達數年。一般在加載的第一個月內完成全部徐變量的40%，3個月完成60%，1～1.5年約完成80%，在3～5年內基本完成。在5～15年后其增長逐漸達到一個極限值，其累計總和值常很可觀，達彈性變形的1～3倍，在某些不利條件下還可能增大。

2）在卸載時，一部分變形立即恢復，另一部分變形在相當長時間內逐漸恢復，而更大部分的殘余變形永不恢復。

3）徐變量與加載的應力大小有關，應力越大，徐變量越大。當應力小于棱柱體強度的50%～60%時，應力與徐變量呈近似線性的關系。

4）徐變量與加載時混凝土的齡期有關，齡期越短，徐變量越大。

5）徐變量與水灰比、水泥用量有關，水灰比大，徐變量大；水泥用量大，徐變量大。對于同一種水泥，在骨料和水泥比例相同時，水灰比愈大則徐變愈大，因為混凝土的徐變主要是由水泥漿引起的。而在相同水膠比的情況下，徐變變形又會隨著水泥的用量增多而增大。因此，水灰比和水泥用量是影響徐變上拱的重要因素。

6）根據線性徐變理論，偏低的彈性模量會引起較大的徐變上拱。因此，徐變量與混凝土所用的骨料有關，骨料彈性模量高，徐變量小。混凝土彈性模量高，徐變量小。

確定徐變理論上的大小直接關系到架梁的進度安排。

2.4 現場存梁拱度較大的原因分析

從上述影響因素的分析來看，對于特定的鐵路T梁，對拱度影響較大的因素是預應力大小、加載時間、支點位置、存梁齡期、混凝土彈性模量、二期恒載的加載時間、環(huán)境相對濕度和溫度等因素等。

預應力混凝土橋梁在形成成品梁而長期未架設狀態(tài)下，由于沒有二期恒載和活載的作用，存在個別橋梁在預應力偏心和混凝土彈性變形以及徐變上拱的作用下，橋梁上拱值會緩慢增加，甚至超出標準規(guī)定的情況。實際施工過程中，一般按照終張拉完成后90天加載二期恒載來計算徐變上拱值，然后據此來設置底模的反拱度。至今存梁已超過2年半，徐變已完成約97%，多出的900多天徐變上拱值在實際中得到了體現。其拱度較大是在影響因素所能引起的上拱增加值的正常范圍內的。

3 T型梁上拱度過大產生的影響

盡管梁體上拱度是由梁體正常預施應力造成的，上拱度過大一般也不會太多改變梁體自身的受力特性，但是上拱度過大將會產生一些問題：

1）為保證軌道平順性，一般通過調節(jié)道碴的厚度來消除上拱度的影響，改變了橋面鋪裝層厚度均勻性，致使梁端處變厚而跨中處變薄，既增大恒載又造成浪費。

2）當拱度超標過大，而道碴調節(jié)量有限時，需要通過提高橋面設施的標高（軌頂標高）或者需要降低墩臺頂面的標高來消除影響，改變了原線路的設計參數。

3）給梁體安裝和濕接縫施工控制帶來不便的影響。

4 拱度問題的處理方案

目前伊吾分公司存放的橋梁，已存放900多天，其徐變上拱已完成約97.4%。也就是說，其徐變上拱基本完成。根據徐變的形成原因、影響因素和線性徐變理論，可以說，其拱度值不會再有明顯的增加，2年內最大增加量不會超過現有拱度值的10%。因此，橋梁可以通過道碴厚度的調節(jié)等措施達到使用的要求，在現階段采取措施已無太大的必要。

鑒于架梁的工期不定，現存的預制梁二期恒載的加載時間遙遙無期，在此長期存放的預期下，可以按照不低于二期恒載的加載量對預制場內的存梁采取一定的堆載加荷措施，以控制和降低梁體的上拱。建議堆載物采用定額重量的砂袋，便于計量。

5 堆載加荷的具體實施辦法

5.1 堆載方案

為控制梁體上拱過大，對存放在梁場的成品梁，在梁面逐步附加砂袋荷載。堆載產生的跨中彎矩值Mf一般不低于二期恒載產生的彎矩值Mg2。建議取荷載q=1.5q0（q0為二期恒載）。

堆載全部布置在支點以內的梁面，堆載形式有兩種：

其一采用均布荷載，即支點以內梁面上均勻分布砂袋，堆載圖示如圖1，特點是操作簡便，且因跨中砂袋層數較少，利于現場防風。

其二采用階梯形，跨中大，往梁端逐步減少，堆載圖示如圖2，特點是減少總的砂袋量，但需按圖示嚴格執(zhí)行，操作繁瑣。

在加載時，考慮到新疆地區(qū)的風力和梁體橋面的偏心因素，橋面的中心內側應多加載一層，并且需在橋梁兩端的側面做好支撐防護。

圖1 均布形堆載圖

圖2 階梯形堆載圖

5.2 加載計算

據預制梁圖紙《時速160公里客貨共線鐵路預制后張法簡支T梁（圖號：通橋（2005）2101）》的設計說明，預制梁的二期恒載包括線路設備、道砟、人行道支架、步板、電纜槽、擋砟塊、現澆橋面板、橫隔板濕接縫的重量。對于32m、24m、16m單線孔曲線梁二期恒載為80.81kN/m。折算單片曲線梁的二期恒載為40.405kN/m。

根據本批次橋梁的靜載試驗數據，第二循環(huán)基數級Ka荷載283.8kN，靜活載Kb荷載541.1kN，撓度值分別為12.21mm、24.25mm。由以上數據可以推算出橋梁的剛度 EI=65358600464GPa×m4。

當存梁支距為32m時，在二期恒載q0=40.405kN/m的作用下，橋梁跨中拱度會減小f=5/384×qL^4／EI=8.44mm；當加載至 1.2 倍 q0 時，q=48.486kN/m，橋梁跨中拱度會減小f=5/384×qL^4／EI=10.33mm。現場實際存梁跨度為29m，故加載至1.5倍q0時，q=60.6kN/m，f=8.54mm。

5.3 加載方法和安全措施

橋面寬按2.3m計算，現場存梁實際跨度為29m。

1）方法一（采用均布堆載）

按照加載1.5倍q0實施，q=60.6kN/m，產生的跨中彎矩為Mf=1/8×qL^2=6371kN·m。據此，堆載至每米60.6/9.8=6.18t。砂子堆積密度按 1.43，考慮到砂袋間的一些空隙，支點內大約滿布砂袋到1.9～2.1m高時，即能達到堆載要求，使跨中拱度下降8.5mm。

2）方法二（階梯形堆載）

采用方法二階梯形堆載方法，從跨中往兩端，每3米一個單元。擬定q1=65kN/m，q2=60kN/m，q3=55kN/m，q4=50kN/m。階梯荷載產生的跨中彎矩和為6383kN·m，其中：

Mf1=2×1/4×q1×3×L=2×55×3×29/4

=2828kN·m；

Mf2=2×q2×3×（14.5-4.5）×14.5/29

=1800kN·m；

Mf3=2×q3×3×（14.5-7.5）×14.5/29

=1155kN·m；

Mf4=2×q4×3×（14.5-10.5）×14.5/29

=600kN·m。

階梯荷載產生的跨中撓度，簡化為跨間等間距布置兩個相等的集中荷載下的最大撓度計算，公式f=6.81pl^3/(384EI)，其撓度和為9.14mm，其中：

f1=6.81×q1×3×2×29^3/(384EI)

=2.59mm；堆載高度 2.1 ～ 2.3m；

f2=6.81×q2×3×2×29^3/(384EI)

=2.38mm；堆載高度 1.9 ～ 2.1m；

f3=6.81×q3×3×2×29^3/(384EI)

=2.18mm；堆載高度 1.7 ～ 1.9m；

f4=6.81×q4×3×2×29^3/(384EI)

=1.99mm；堆載高度 1.5 ～ 1.7m。

3）加載安全措施

在加載前要對加載橋梁的兩端側面進行支撐保護；加載時對橋梁的存梁臺座變形和橋梁的端部截面的傾斜進行觀測，發(fā)現問題，及時調整。

6 結 語

目前伊吾分公司的未架設橋梁，已存放900余天，其徐變上拱已完成約97.4%，經推算,剩余存梁上拱度不超過理論限度,可不采取拱度保護措施。

鑒于架梁的工期不定，現存的預制梁二期恒載的加載時間遙遙無期，在此長期存放的預期下，可以按照1.5倍左右的二期恒載的加載量對預制場內的存梁采取一定的堆載加荷措施，以控制梁體上拱的繼續(xù)增長。建議堆載物采用定額重量的砂袋，便于計量。為減少工作量，可采用階梯形堆載，自跨中向兩端逐階減少。同時，采取防傾覆安全保護措施，固定好梁端斜支撐。

梁體在堆載前和堆載過程中，應觀測拱度的變化，驗證堆載物對拱度的影響。堆載完成后，應定期監(jiān)測拱度的變化，根據實測情況調整荷載量。

[1]TB10002.3-2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范［S］

[2]TB10415-2003鐵路橋涵工程施工質量驗收標準［S］

Protection scheme for long term storage of prestressed concrete simple supported beam

Based on the project the Yiwu branch precast beam field, which belongs to China Railway Fengqiao Bridge Co.,Ltd.,this paper summarizes the too large camber’s occurrence of the prefabricated T beam caused by the long-term storage,analyses the main reasons of the camber’s formation,put forward the corresponding solution and implementation methods.The qulity of prefabricated T beam is guaranteed.

prefabricated T beam；camber；stack load

U445.47+1

：B

：1003-8965(2017)02-0100-03