后張法預應力空心板梁反拱值理論值與實測值差異分析

陳曉飛 高繁強 張朝文 邢朝陽

（1.安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院 蚌埠 233000 2.南四湖水利管理局二級壩水利樞紐管理局 微山 277600）

1 引言

預應力混凝土結構是指結構在外荷載作用之前對結構構件預先施加壓力，使截面產生的預壓應力能全部或部分抵消由荷載引起的拉應力的混凝土結構，這樣可以推遲裂縫的出現，限制裂縫的開展，達到提高結構剛度的效果。現代預應力結構將高強度鋼材及高強度混凝土有機結合在一起，利用現代結構設計理論和先進施工工藝設計、建造高效結構。預應力結構與非預應力結構相比，不僅具有跨越能力大、受力性能好、使用性能優越、輕巧美觀、耐久性高等諸多優點，而且還起到了經濟、節能的效果。對鋼筋混凝土結構施加預應力可以有效降低結構在使用狀態下的截面應力最大值，達到結構不開裂或者減小裂縫寬度的效果，同時由于預應力反拱作用而減小了結構的變形，從而改善了結構的使用性能，提高了結構的耐久性。此外，相對于普通鋼筋混凝土結構，預應力鋼筋混凝土結構還具有跨越能力大、自重小、裂縫閉合性能與變形恢復能力好及抗剪能力高等優點。但是，后張法預應力混凝土在預應力筋及混凝土收縮徐變等條件因素影響下，不可避免地會產生向上的撓度。反拱值過大會加大車輛對橋梁的沖擊作用，同時沒有預反拱的存在，可能會使橋面鋪裝不均勻或厚度不夠。因此對反拱值的分析顯得尤為重要。

2 后張法的基本概念

先澆筑混凝土，并在構件體內按預應力筋的位置留出相應的孔道,待構件的混凝土強度達到規定的強度（一般不低于設計強度標準值的75%）后,在預留孔道中穿入預應力筋進行張拉,并利用錨具把張拉后的預應力筋錨固在構件的端部,依靠構件端部的錨具將預應力筋的預張拉力傳給混凝土,使其產生預壓應力；最后在孔道中灌入水泥漿，使預應力筋與混凝土構件形成整體。

3 反拱值的基本概念

預應力混凝土受彎構件的反拱是由預加應力產生的，預應力張拉時構件受到偏心彎矩作用，導致構件跨中截面上邊緣受拉、下邊緣受壓，梁向上拱起與荷載作用引起的向下撓度方向相反，稱之為反拱值。

4 工程案例

4.1 預應力梁板設計情況

南四湖二級壩除險加固工程新建溢流壩交通橋上部結構采用裝配式后張法預應力混凝土簡支空心板梁橋，標準跨徑20m，計算跨徑19.26m，混凝土強度等級為C50。空心板內設φj15.2 低松弛高強度鋼鉸線，中板18 根，邊板20 根，fptk=1860MPa，fpy=1320MPa，預應力受拉鋼筋的合力點至空心板底邊距離為：中板a=143mm，邊板a=150mm，因此空心板截面的有效高度為：中板h0=950-143=807mm，邊板h0=950-150=800mm。錨具采用15-4 型、15-5型和15-6 型系列錨具及配件，預應力管道采用圓形金屬波紋管，直徑為56mm 和67mm，預應力空心板的fc=23.1N/mm2，Ec=3.45×104N/mm2，非預應力鋼筋采用φ16，fy=360N/mm2，Ec=2.0×105N/mm2。混凝土齡期不低于7d，且強度不低于設計強度等級的85%，預應力鋼絞線束才能進行張拉。

4.2 反拱監測對象

按照橋梁施工順序，預制構件預制好后，自鋼絞線束張拉開始，至橋梁施工完成后進行靜載荷試驗結束。選擇6 片空心板預制構件進行反拱值監測，其中2 片邊板，4 片中板。成橋后靜載荷試驗時，在被監測跨各預制構件跨中截面、支座處布置百分表或位移傳感器，選取3 片板布置鋼弦及精密刻度尺，通過監測精密刻度尺隨鋼弦變化值反映被監測梁的反拱（撓度）變化。

此次反拱監測截面選擇預制構件跨中截面及兩側支座處。

4.3 反拱值監測過程

反拱（撓度）監測時間順序分以下幾個階段：

第一階段：在張拉前（2020.1.1 以前）測試百分表及精密刻度尺初始讀數，每束鋼絞線張拉后（2020.1.4）測試百分表及精密刻度尺對應讀數變化。

第二階段：在移梁至梁板存放地前后（2020.1.11—12、2020.1.13）測試百分表及鋼弦對應讀數變化，在梁板上橋前后（2020.1.17、2020.3.15）測試鋼弦對應讀數變化，梁板上橋后鋪設鉸縫鋼筋及澆筑鉸縫混凝土后（2020.3.18）測試鋼弦對應讀數變化，在橋面及橋面系鋪設鋼筋及澆筑面層及橋面系混凝土后（2020.4.8—2020.5.8）測試百分表及鋼弦對應讀數變化，在鋪裝瀝青層后（2020.5.22）測試百分表及精密刻度尺對應讀數變化。

第三階段：在整橋靜載荷試驗（2020.6.10—2020.6.18）前后測試百分表、位移傳感器及精密刻度尺隨鋼弦讀數變化。

4.4 各階段監測結果匯總與分析

從預制構件預應力鋼束張拉開始至整橋靜載荷試驗結束，各階段實測的反拱值按測讀時間順序如表1。

表1 各階段試驗梁反拱值隨時間變化的匯總表

將不同時間段實測反拱值變化以時間為順序，繪制反拱值隨時間變化關系圖如圖1、圖2。

圖1 20-8#、20-1#、20-4#三片梁監測全過程反拱值變化圖

圖2 20-6#、20-7#、20-9#三片梁監測全過程反拱值變化圖

預制預應力混凝土梁體在張拉預應力后，裝配式預應力混凝土梁的上拱初期由預加力產生，后期由于徐變效應會隨著時間繼續增大，上拱度主要有兩部分產生，其中一部分被稱為彈性上拱度，是由偏心預應力產生的上拱值抵消因梁體自重引起的下撓度值，另一部分是在張拉預應力后，混凝土徐變產生的上拱值。

從各監測點隨時間變化關系圖可以看出，四束鋼絞線張拉過程中，各監測點反拱值隨時間變化呈增長趨勢，說明在鋼絞線張拉力作用下產生向上反拱，同時由于外界環境溫度變化和梁體混凝土徐變的長期影響，預制構件梁體上拱度不斷增大。

各試驗梁在存梁階段為1月份，外界溫度趨于平穩，在這一階段，各監測點的反拱值隨著存梁時間的增加繼續增長，到梁板上橋時，由于支座粘滯力及支座支點位置的變化等邊界條件的變化，預應力鋼絞線束受力發生變化，各試驗梁反拱值變大。上橋后，在鋼絞線張拉力作用下，受混凝土徐變效應的影響，同時預制梁與橋面現澆層也會因齡期差別而產生一定的收縮差，各試驗梁反拱值會隨時間增加繼續增大。

隨著橋梁上部鉸縫鋼筋鋪設、鉸縫混凝土澆筑開始施工，受鉸縫鋼筋及混凝土重力影響，各試驗板反拱逐漸減小，橋面面層及人行道鋼筋鋪設、混凝土澆筑、瀝青混凝土澆筑、橋面系安裝完成階段，隨橋面重量逐漸增加，各預制構件反拱值在不斷減小。靜載荷試驗階段，各預制構件反拱值明顯變小。

在監測全過程中，各預制構件在鋼絞線束張拉力、二次鋪裝及橋面系施工重量、車輛荷載等因素影響下，反拱值也隨之變化，說明反拱隨各階段受力情況不同而發生變化。

6 片試驗梁板反拱值自張拉開始至靜載荷試驗結束，中板剩余反拱值最大為8.90mm，最小為5.85mm；邊板剩余反拱值最大為4.76mm，最小為4.00mm。

5 各階段各監測點反拱值差異分析

預制預應力混凝土橋梁施工方便，經濟性好。由于施加預應力的原因，往往造成預制梁上拱值過大，這樣就會給將來橋面鋪裝的厚度、橋面標高的控制帶來困難，同時也會使橋面不平順、不美觀，橋跨結構的力學性能也會受到影響，進而影響到通車后行駛的舒適程度以及橋梁的安全性和耐久性。通過對理論計算和實際測量的數據進行歸納和比較，對兩者差異分析原因如下：

5.1 施工工藝

混凝土強度的差異、混凝土彈性模量不穩定，導致梁的起拱值不穩定；施加預應力時間差異、架梁時間不一致，導致預拱度計算時各種假定條件與實際情況不一致，造成預拱度偏差；波紋管安裝不準確，致使預應力束曲線線型與設計不符，以致管道摩阻力增加，預應力增加位置與設計不符，從而影響預應力空心板的反拱值。

5.2 理論與實際的差異

計算公式建立在一些試驗數據基礎上，理論計算與實際存在偏差；標準養護混凝土試塊彈性模量作為施加預應力條件，當試塊強度達到設計張拉強度時，由于養護條件不同，梁板彈性模量尚未達到或超過設計值，都會導致起拱度偏差；計算采用的鋼絞線彈性模量值與實際彈性模量值相差過大，則計算伸長量偏小或偏大，造成實際預應力不夠或超過設計預應力，易引起梁的起拱度過小或過大。

5.3 混凝土特性

在預應力混凝土空心板中，由于混凝土長期承受預應壓力，因此會產生徐變及收縮變形，使預應力空心板長度縮短。徐變的影響能使板梁的反拱度增加1～1.5 倍左右。一般情況下，混凝土在兩周內完成最終徐變的25%左右，三個月內完成最終徐變的50%左右，一年內完成最終徐變的75%左右，幾年后就趨于穩定。影響混凝土收縮及徐變的主要因素有：混凝土的配合比、水泥品種、骨料大小；混凝土的拌合、澆筑、振搗工藝；養護條件；施加預應力時的齡期等。

6 結語

反拱值的變化是一個較為復雜的過程，受許多因素影響，暫時還不能作較為準確的定量定性分析。由于本文的實驗樣本數量較少，實驗數據還不夠充分，考慮后期橋梁受活載效應的影響，有待進一步研究探討■