陳曉飛 高繁強(qiáng) 張朝文 邢朝陽(yáng)

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

1 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)在外荷載作用之前對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件預(yù)先施加壓力，使截面產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力能全部或部分抵消由荷載引起的拉應(yīng)力的混凝土結(jié)構(gòu)，這樣可以推遲裂縫的出現(xiàn)，限制裂縫的開(kāi)展，達(dá)到提高結(jié)構(gòu)剛度的效果。現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)將高強(qiáng)度鋼材及高強(qiáng)度混凝土有機(jī)結(jié)合在一起，利用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和先進(jìn)施工工藝設(shè)計(jì)、建造高效結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)與非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相比，不僅具有跨越能力大、受力性能好、使用性能優(yōu)越、輕巧美觀、耐久性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且還起到了經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的效果。對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力可以有效降低結(jié)構(gòu)在使用狀態(tài)下的截面應(yīng)力最大值，達(dá)到結(jié)構(gòu)不開(kāi)裂或者減小裂縫寬度的效果，同時(shí)由于預(yù)應(yīng)力反拱作用而減小了結(jié)構(gòu)的變形，從而改善了結(jié)構(gòu)的使用性能，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性。此外，相對(duì)于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)還具有跨越能力大、自重小、裂縫閉合性能與變形恢復(fù)能力好及抗剪能力高等優(yōu)點(diǎn)。但是，后張法預(yù)應(yīng)力混凝土在預(yù)應(yīng)力筋及混凝土收縮徐變等條件因素影響下，不可避免地會(huì)產(chǎn)生向上的撓度。反拱值過(guò)大會(huì)加大車(chē)輛對(duì)橋梁的沖擊作用，同時(shí)沒(méi)有預(yù)反拱的存在，可能會(huì)使橋面鋪裝不均勻或厚度不夠。因此對(duì)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(gòu)件體內(nèi)按預(yù)應(yīng)力筋的位置留出相應(yīng)的孔道,待構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度（一般不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的75%）后,在預(yù)留孔道中穿入預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉,并利用錨具把張拉后的預(yù)應(yīng)力筋錨固在構(gòu)件的端部,依靠構(gòu)件端部的錨具將預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)張拉力傳給混凝土,使其產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力；最后在孔道中灌入水泥漿，使預(yù)應(yīng)力筋與混凝土構(gòu)件形成整體。

3 反拱值的基本概念

預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的反拱是由預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的，預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)構(gòu)件受到偏心彎矩作用，導(dǎo)致構(gòu)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?lián)隙确较蛳喾?，稱(chēng)之為反拱值。

4 工程案例

4.1 預(yù)應(yīng)力梁板設(shè)計(jì)情況

南四湖二級(jí)壩除險(xiǎn)加固工程新建溢流壩交通橋上部結(jié)構(gòu)采用裝配式后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板梁橋，標(biāo)準(zhǔn)跨徑20m，計(jì)算跨徑19.26m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。空心板內(nèi)設(shè)φj15.2 低松弛高強(qiáng)度鋼鉸線，中板18 根，邊板20 根，fptk=1860MPa，fpy=1320MPa，預(yù)應(yīng)力受拉鋼筋的合力點(diǎn)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(yù)應(yīng)力管道采用圓形金屬波紋管，直徑為56mm 和67mm，預(yù)應(yīng)力空心板的fc=23.1N/mm2，Ec=3.45×104N/mm2，非預(yù)應(yīng)力鋼筋采用φ16，fy=360N/mm2，Ec=2.0×105N/mm2?；炷笼g期不低于7d，且強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的85%，預(yù)應(yīng)力鋼絞線束才能進(jìn)行張拉。

4.2 反拱監(jiān)測(cè)對(duì)象

按照橋梁施工順序，預(yù)制構(gòu)件預(yù)制好后，自鋼絞線束張拉開(kāi)始，至橋梁施工完成后進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)結(jié)束。選擇6 片空心板預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行反拱值監(jiān)測(cè)，其中2 片邊板，4 片中板。成橋后靜載荷試驗(yàn)時(shí)，在被監(jiān)測(cè)跨各預(yù)制構(gòu)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(guò)監(jiān)測(cè)精密刻度尺隨鋼弦變化值反映被監(jiān)測(cè)梁的反拱（撓度）變化。

此次反拱監(jiān)測(cè)截面選擇預(yù)制構(gòu)件跨中截面及兩側(cè)支座處。

4.3 反拱值監(jiān)測(cè)過(guò)程

反拱（撓度）監(jiān)測(cè)時(shí)間順序分以下幾個(gè)階段：

第一階段：在張拉前（2020.1.1 以前）測(cè)試百分表及精密刻度尺初始讀數(shù)，每束鋼絞線張拉后（2020.1.4）測(cè)試百分表及精密刻度尺對(duì)應(yīng)讀數(shù)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(cè)試百分表及鋼弦對(duì)應(yīng)讀數(shù)變化，在梁板上橋前后（2020.1.17、2020.3.15）測(cè)試鋼弦對(duì)應(yīng)讀數(shù)變化，梁板上橋后鋪設(shè)鉸縫鋼筋及澆筑鉸縫混凝土后（2020.3.18）測(cè)試鋼弦對(duì)應(yīng)讀數(shù)變化，在橋面及橋面系鋪設(shè)鋼筋及澆筑面層及橋面系混凝土后（2020.4.8—2020.5.8）測(cè)試百分表及鋼弦對(duì)應(yīng)讀數(shù)變化，在鋪裝瀝青層后（2020.5.22）測(cè)試百分表及精密刻度尺對(duì)應(yīng)讀數(shù)變化。

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

4.4 各階段監(jiān)測(cè)結(jié)果匯總與分析

從預(yù)制構(gòu)件預(yù)應(yīng)力鋼束張拉開(kāi)始至整橋靜載荷試驗(yàn)結(jié)束，各階段實(shí)測(cè)的反拱值按測(cè)讀時(shí)間順序如表1。

表1 各階段試驗(yàn)梁反拱值隨時(shí)間變化的匯總表

將不同時(shí)間段實(shí)測(cè)反拱值變化以時(shí)間為順序，繪制反拱值隨時(shí)間變化關(guān)系圖如圖1、圖2。

圖1 20-8#、20-1#、20-4#三片梁監(jiān)測(cè)全過(guò)程反拱值變化圖

圖2 20-6#、20-7#、20-9#三片梁監(jiān)測(cè)全過(guò)程反拱值變化圖

預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土梁體在張拉預(yù)應(yīng)力后，裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土梁的上拱初期由預(yù)加力產(chǎn)生，后期由于徐變效應(yīng)會(huì)隨著時(shí)間繼續(xù)增大，上拱度主要有兩部分產(chǎn)生，其中一部分被稱(chēng)為彈性上拱度，是由偏心預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的上拱值抵消因梁體自重引起的下?lián)隙戎?，另一部分是在張拉預(yù)應(yīng)力后，混凝土徐變產(chǎn)生的上拱值。

從各監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間變化關(guān)系圖可以看出，四束鋼絞線張拉過(guò)程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)反拱值隨時(shí)間變化呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明在鋼絞線張拉力作用下產(chǎn)生向上反拱，同時(shí)由于外界環(huán)境溫度變化和梁體混凝土徐變的長(zhǎng)期影響，預(yù)制構(gòu)件梁體上拱度不斷增大。

各試驗(yàn)梁在存梁階段為1月份，外界溫度趨于平穩(wěn)，在這一階段，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的反拱值隨著存梁時(shí)間的增加繼續(xù)增長(zhǎng)，到梁板上橋時(shí)，由于支座粘滯力及支座支點(diǎn)位置的變化等邊界條件的變化，預(yù)應(yīng)力鋼絞線束受力發(fā)生變化，各試驗(yàn)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(yīng)的影響，同時(shí)預(yù)制梁與橋面現(xiàn)澆層也會(huì)因齡期差別而產(chǎn)生一定的收縮差，各試驗(yàn)梁反拱值會(huì)隨時(shí)間增加繼續(xù)增大。

隨著橋梁上部鉸縫鋼筋鋪設(shè)、鉸縫混凝土澆筑開(kāi)始施工，受鉸縫鋼筋及混凝土重力影響，各試驗(yàn)板反拱逐漸減小，橋面面層及人行道鋼筋鋪設(shè)、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(yù)制構(gòu)件反拱值在不斷減小。靜載荷試驗(yàn)階段，各預(yù)制構(gòu)件反拱值明顯變小。

在監(jiān)測(cè)全過(guò)程中，各預(yù)制構(gòu)件在鋼絞線束張拉力、二次鋪裝及橋面系施工重量、車(chē)輛荷載等因素影響下，反拱值也隨之變化，說(shuō)明反拱隨各階段受力情況不同而發(fā)生變化。

6 片試驗(yàn)梁板反拱值自張拉開(kāi)始至靜載荷試驗(yàn)結(jié)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(jiān)測(cè)點(diǎn)反拱值差異分析

預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工方便，經(jīng)濟(jì)性好。由于施加預(yù)應(yīng)力的原因，往往造成預(yù)制梁上拱值過(guò)大，這樣就會(huì)給將來(lái)橋面鋪裝的厚度、橋面標(biāo)高的控制帶來(lái)困難，同時(shí)也會(huì)使橋面不平順、不美觀，橋跨結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能也會(huì)受到影響，進(jìn)而影響到通車(chē)后行駛的舒適程度以及橋梁的安全性和耐久性。通過(guò)對(duì)理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和比較，對(duì)兩者差異分析原因如下：

5.1 施工工藝

混凝土強(qiáng)度的差異、混凝土彈性模量不穩(wěn)定，導(dǎo)致梁的起拱值不穩(wěn)定；施加預(yù)應(yīng)力時(shí)間差異、架梁時(shí)間不一致，導(dǎo)致預(yù)拱度計(jì)算時(shí)各種假定條件與實(shí)際情況不一致，造成預(yù)拱度偏差；波紋管安裝不準(zhǔn)確，致使預(yù)應(yīng)力束曲線線型與設(shè)計(jì)不符，以致管道摩阻力增加，預(yù)應(yīng)力增加位置與設(shè)計(jì)不符，從而影響預(yù)應(yīng)力空心板的反拱值。

5.2 理論與實(shí)際的差異

計(jì)算公式建立在一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，理論計(jì)算與實(shí)際存在偏差；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土試塊彈性模量作為施加預(yù)應(yīng)力條件，當(dāng)試塊強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)張拉強(qiáng)度時(shí)，由于養(yǎng)護(hù)條件不同，梁板彈性模量尚未達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)值，都會(huì)導(dǎo)致起拱度偏差；計(jì)算采用的鋼絞線彈性模量值與實(shí)際彈性模量值相差過(guò)大，則計(jì)算伸長(zhǎng)量偏小或偏大，造成實(shí)際預(yù)應(yīng)力不夠或超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力，易引起梁的起拱度過(guò)小或過(guò)大。

5.3 混凝土特性

在預(yù)應(yīng)力混凝土空心板中，由于混凝土長(zhǎng)期承受預(yù)應(yīng)壓力，因此會(huì)產(chǎn)生徐變及收縮變形，使預(yù)應(yīng)力空心板長(zhǎng)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(nèi)完成最終徐變的25%左右，三個(gè)月內(nèi)完成最終徐變的50%左右，一年內(nèi)完成最終徐變的75%左右，幾年后就趨于穩(wěn)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?。换炷恋陌韬?、澆筑、振搗工藝；養(yǎng)護(hù)條件；施加預(yù)應(yīng)力時(shí)的齡期等。

6 結(jié)語(yǔ)

反拱值的變化是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，受許多因素影響，暫時(shí)還不能作較為準(zhǔn)確的定量定性分析。由于本文的實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)量較少，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還不夠充分，考慮后期橋梁受活載效應(yīng)的影響，有待進(jìn)一步研究探討■