田 飛，曹利景，鄭和暉，王 敏

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040； 3.交通運輸行業(yè)交通基礎設施智能制造技術研發(fā)中心，湖北 武漢 430040)

0 引言

據交通運輸部統(tǒng)計，截至2020年底，全國已建成87.83萬座公路橋梁，其中中小型橋梁約76.46萬座，約占總數的87.05%。中小跨徑橋梁多采用預應力混凝土T梁、小箱梁，隨著我國裝配式橋梁的發(fā)展，預制T梁、小箱梁的設計標準已較完善，預制安裝成套技術也已十分成熟。但預制T梁、小箱梁在預制安裝過程中，仍存在多種質量病害。改善量大面廣的預制T梁、小箱梁建造質量，是提升我國橋梁建設質量的關鍵。預制期的梁體張拉開裂是常見的質量通病之一，預制T梁、小箱梁張拉起拱后，梁端底部混凝土較易出現豎向開裂、破損，往往需后期鑿除破損混凝土、重新澆筑進行修補，嚴重影響結構外觀及耐久性。

國內外學者針對預制混凝土T梁的早期裂縫成因開展了大量試驗及理論研究[1-4]，廣泛認為早期裂縫的主要成因包括預制梁底座約束和沉降、溫度應力和收縮應力等。李軍[5]認為預應力混凝土簡支T梁預制過程中下翼緣豎向裂縫的成因與混凝土溫度應力有關；周強[6]提出了預制T梁產生裂縫的原因包括溫度、收縮和外力等因素；張倩[7]研究了預應力張拉階段T梁應力變化影響因素及錨下混凝土應力分布規(guī)律；謝文軍等[8]認為預制T梁裂縫產生的主要原因是混凝土配合比不合理，養(yǎng)護及梁體混凝土與底?；炷廖床扇p阻措施；羅俊等[9]針對梁端裂縫提出將梁端1.5m范圍內原采用的鋼底模換成塑膠底模, 減小T梁在預應力張拉過程中梁端支撐段的摩阻力措施；丁新榜等[10]通過分析早期裂縫成因提出加緩凝劑、更換水泥和鋼底模涂刷脫模劑等措施。

綜上所述，國內外學者對T梁張拉前后裂縫成因研究較多，但并未直接考慮臺座約束的影響，即對梁端張拉豎向裂縫產生機理及控制措施研究較少。因此，在前人研究的基礎上，本文通過建立預制T梁預應力張拉的精細化有限元模型，研究T梁預制過程中臺座約束對梁端裂縫的影響，并提出相應的控制措施。

1 預制T梁張拉開裂機理

預應力張拉時，梁端底部產生豎向裂縫是常見的質量通病，如圖1所示。導致該裂縫產生的原因較多，但本質上均為所產生的混凝土拉應力超過自身的抗拉強度引起。根據相關經驗，除混凝土本身澆筑過程的影響因素外，主要原因為預應力張拉完成后，梁體向上拱起，梁底混凝土產生收縮，因受到預制臺座的約束作用，造成梁端底部局部應力超標，同時預應力張拉所產生的壓應力不能傳遞到梁端底部位置，從而導致梁端底部混凝土開裂、破損。

圖1 梁端張拉裂縫

2 T梁預制過程數值模擬

2.1 有限元模型

以某25m跨預制T梁為例，采用ANSYS建立有限元模型(見圖2)，建模時x軸為順橋向，y軸為側向，z軸為豎向；預制臺座由鋼板+混凝土組成，在T梁底部與臺座鋼板建立接觸單元(計摩擦)，通過查閱相關文獻[11]，普通鋼板與混凝土的摩擦系數取0.6；混凝土采用solid45實體單元，預應力鋼束采用link8桿單元，底模鋼板采用shell63殼單元。

圖2 有限元模型

2.2 梁端臺座約束的數值模擬計算

針對T梁張拉開裂的作用機理，采用數值模擬法進行驗證，考慮臺座的約束作用，將臺座約束轉變?yōu)榻佑|面摩阻力進行分析，采用后張法一次性張拉，張拉控制應力0.75fpk=1 395MPa。

摩阻力系數對梁端混凝土應力的影響如圖3所示。由圖3可知，T梁梁端底部混凝土受拉，主拉應力最大約5MPa，超出混凝土抗拉設計強度2.65MPa；梁端主拉應力隨臺座底模與梁底間摩阻力的增大而增大。結果表明，臺座的約束效應會導致梁端拉應力超標，減小梁端支撐段摩阻力可較好地控制梁端裂縫，因此，建議預制T梁張拉前在鋼底模涂刷脫模劑，確保表面平整、光滑，盡量減少梁底摩擦力，為梁體自由伸縮創(chuàng)造條件。

圖3 摩阻力系數對梁端混凝土應力的影響

3 裂縫控制措施

根據上節(jié)計算結果，針對梁端混凝土開裂問題提出合理的預防措施，常見的預防措施包括設置塑膠底模、將端模底部做成倒角形式和鋼底模涂刷脫模劑等，如圖4所示。鐵路橋梁中一般采用分段張拉施工工藝[12]，對預制T梁早期裂縫和梁端裂縫控制也有較好效果。為研究預防措施對預制T梁梁端裂縫的控制效果，對其進行數值模擬分析，為提高梁段預制質量提供理論支撐。

圖4 T梁梁端處理

3.1 設置塑膠底模

將梁底支撐段鋼底模換成塑膠底模，通過降低端部臺座剛度，減小臺座對梁底收縮的約束，從而降低開裂風險。分別分析不同厚度和長度的橡膠條對梁端應力的影響，橡膠條尺寸初擬為30mm×30mm(長×厚)，厚度變化為10～50mm，長度變化為30～300mm，橡膠材料彈性模量為7.8MPa，密度為 1 300kg/m3， 泊松比為0.47。

根據上述參數計算橡膠條尺寸參數對梁端底部應力的影響，如圖5所示。由圖5可知，橡膠材料對梁端拉應力控制效果較好，且梁端底部拉應力均隨橡膠材料厚度和長度的增加而減小，但厚度>30mm和長度>150mm后，梁端主拉應力減小趨勢變緩。因此，針對25m跨預制T梁，塑膠底模尺寸宜為30mm×150mm，此時梁端主拉應力約1MPa。綜上所述，將梁端支撐段范圍內原采用的鋼底模換成塑膠底模，對梁端底部拉應力控制效果較明顯，在工程實踐中，該措施可根據實際情況進行應用。

圖5 橡膠條尺寸對梁端底部應力的影響

3.2 預制模板做成倒角形式

將T梁模板做成倒角形式，通過減少梁端與底模的接觸面，間接減小臺座對T梁的約束作用。本文考慮梁端普通鋼筋混凝土的最小保護層厚度，初步擬定倒角尺寸為30mm×30mm(長×高)，梁端底部主拉應力最大為4.2MPa，如圖6a所示。

考慮到混凝土鋼筋保護層厚度一般為50mm左右，分析最大倒角尺寸50mm×30mm情況下混凝土的應力情況，如圖6b所示，梁端底部最大拉應力約為3.1MPa。綜上所述，倒角尺寸的增加可在一定程度上減小梁端拉應力，在實際工程應用中，倒角尺寸大小需保證梁端普通鋼筋不受影響，且后期需對倒角處混凝土進行澆筑修補。

圖6 不同倒角尺寸下T梁梁端混凝土應力

3.3 分段張拉預應力鋼束

根據JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術規(guī)范》[13]中關于后張法預應力張拉的規(guī)定，張拉時混凝土強度應不低于設計強度的80%，彈性模量應不低于混凝土28d彈性模量的80%；鐵路橋梁《高速與客運專線鐵路施工工藝手冊》[14]中規(guī)定，T梁一般采用初張拉和終張拉兩階段進行，施工圖無要求時按混凝土強度分別達到構件混凝土設計強度的80%，100%控制。

目前，國內已有項目采用全自動液壓模板封閉蒸養(yǎng)兩階段張拉預制T梁施工工法，通過蒸汽養(yǎng)護至設計強度的70%進行預應力初張拉，使梁板能承受自重荷載和吊運時的沖擊荷載，然后快速吊離預制臺座。與傳統(tǒng)施工方法相比，新的兩階段施工工藝可顯著提升預制臺座的周轉效率，減少預制臺座數量及借地成本，應用該工法可取得顯著的經濟、環(huán)保和社會效益。

鑒于目前該工法研究較少，本文參考鐵路橋梁規(guī)范中關于預制T梁的要求，同時借鑒已有項目的工程應用情況，開展預制T梁兩階段張拉工藝的研究。預應力采用分次張拉工藝時，預應力張拉時間控制需根據混凝土強度而定，根據《公路橋涵施工技術規(guī)范》及混凝土拆模強度≥25MPa的要求，初步擬定混凝土強度達到設計強度的70%時進行初張拉，即35MPa；而初張力大小既要保證梁段在吊裝轉場時梁底不開裂，也要防止梁體在臺座上反拱過大，造成梁頂開裂及線形誤差過大等問題，經過試算，初張力宜為(0.2～0.6)σcon，本文取0.55σcon。C50混凝土(7d)彈性模量為2.77MPa，抗壓強度(70%)為35MPa，抗拉強度為2.2MPa；張拉控制應力為1 395MPa，初張拉力為0.55×1 395MPa。

根據上述參數進行有限元計算分析，結果如圖7所示。由圖7a可知，梁端底部混凝土主拉應力約為1.9MPa，滿足抗拉強度(7d)=2.2MPa的要求。

圖7 T梁梁端混凝土應力

綜上所述，分段張拉鋼束可較好地控制梁端裂縫，初張拉時混凝土強度可為設計強度的70%，張拉力宜≤0.6σcon，且分段張拉還能避免混凝土早期養(yǎng)護時產生的溫差和收縮裂縫，提高臺座的使用效率，也能更好地控制梁體應力、撓度與反拱，確保梁體剛度和抗裂性能滿足要求。

3.4 不同措施組合效應

對上述預制T梁裂縫控制可考慮上述措施的組合應用，本文選取分段張拉預應力鋼束和塑膠底模措施共同應用進行計算，鋼束初張拉力取0.6σcon，混凝土強度取35MPa(70%)，端模設置30mm×30mm橡膠層。如圖7b所示，梁端主拉應力約1.2MPa。綜上所述，不同裂縫控制措施可根據實際施工條件組合應用，不僅能提高預制T梁質量，還能提高工效。

4 預制T梁裂縫控制措施對比

根據上述計算分析，預制T梁裂縫控制措施主要有以下幾種：①塑膠底模 通過橡膠在預應力張拉過程中發(fā)生彈性變形，從而減小梁端局部應力，控制梁端裂縫較好，施工簡便易行；②預制模板做倒角 對模具要求較特殊，且倒角范圍過大對梁端配筋有一定影響，工序較復雜；③鋼底模涂刷脫模劑 涂刷脫模劑可減小梁底與底模接觸面的摩阻力，但有一定限度；④分段張拉預應力 該方法可更好地控制梁體應力、撓度與反拱，避免梁體早期裂縫，提高臺座使用效率。

5 結語

1)預制T梁后張法預應力張拉時，梁端裂縫與臺座約束有關，可通過減小梁端支撐段摩阻力控制裂縫。

2)梁端裂縫控制措施可采用設置塑膠底模、端模做成倒角形式、鋼底模涂刷脫模劑和分段張拉預應力鋼束等。

3)針對25m預制T梁，采用兩階段張拉施工工藝時，初張拉宜在混凝土強度達到設計強度的70%后進行，初張拉力宜為(0.2～0.6)σcon，終張拉在梁體混凝土達到齡期后進行；該方式不僅可控制早期裂縫的產生，對梁端裂縫控制效果也較好，還能提高梁段預制工效，降低成本。