40m预应力T梁上拱度影响因素分析

摘 要：本文以40m预应力T梁为研究对象，通过建立有限元模型，计算并分析了各种因素对T梁上拱度的影响程度，并提出有针对性的控制措施，以指导预应力T梁的施工。

关键词：预应力混凝土T梁；上拱度；影响因素；控制措施

1 选题背景及研究意义

预应力混凝土T梁由于其独特的优势，在近几十年来得到了迅速的发展，但是由于混凝土收缩徐变、施工控制偏差、存梁时间差别大等因素的影响，导致T梁上拱度难以准确控制，实际起拱差异较大，这也直接影响到后续工序的施工精度以及桥梁结构的正常使用。本文基于提高桥梁上部构造工程质量、减少后期处理成本的考虑，对某高速公路40m预应力T梁的上拱度计算进行了深入研究，结合施工现场实际可能出现的各种因素，对T梁上拱度的影响情况进行了详细分析，并提出了控制措施。

2 40m预应力T梁有限元模型建立

某高速公路桥先简支后连续刚构40mT梁共分为4种梁型：中跨中梁、中跨边梁、边跨中梁以及边跨边梁。40mT梁标准中跨预制长度为39.3m，边跨为39.62m；跨中标准截面腹板宽度20cm，底宽60cm，马蹄高度25cm，马蹄位与腹板之间设置20×20cm的倒角过渡；全梁共设置6道横隔板。

由于本文只研究40m预应力T梁的上拱度整体变化情况，不涉及T梁梁体细部分析，故选用MI天AS/Civil有限元软件进行建模计算。采用MI天AS中的变截面梁单元建模，将40mT梁（中跨）纵向拆分为52个梁单元、边跨拆分为53个梁单元。变截面的起终点以及横隔板的位置设置为2个梁单元的交接节点，最小梁单元长度为0.75m，最大梁单元长度为1.03m。根据设计图纸，针对不同梁型设置好钢束以及预应力荷载参数。其他参数均按照設计图纸中的标准参数进行设置。

从张拉当日开始计算4种类型T梁的上拱度，计算结果显示：在张拉后的任一时间节点，边跨边梁跨中上拱度最大，中跨中梁跨中上拱度最小。故选取这2种梁型来计算各种因素对T梁上拱度的影响程度。

3 各种因素对T梁上拱度的影响

（1）存梁时间长短

由于混凝土的收缩和徐变作用，在张拉后的存梁期间，T梁的跨中上拱度将随着存梁时间的增加而逐步增加。T梁张拉后360天跨中上拱度计算结果见表1：

（2）环境平均相对湿度

混凝土构件在相对湿度较低的环境下，水分散失较快，收缩徐变的速度较快；在湿度较高的环境下，水分散失较慢，混凝土的收缩徐变也较慢。设计图纸给出的环境年平均相对湿度为80%，但是在实际施工过程中，由于各地以及各个季节的平均湿度均不一致，分别计算50%、95%相对湿度情况下，与80%相对湿度情况下T梁跨中上拱度的偏差，详见表2：

（3）混凝土强度

在标准情况下，40mT梁的C50混凝土采用抗压强度28天达到50MPa的混凝土轻度曲线进行计算。但实际施工中，C50混凝土28天强度通常会达到60MPa以上，与设计值有一定差距。故按照28天强度50MPa和60MPa来分别计算2种梁型上拱度的偏差，详见表3：

（4）张拉龄期

设计要求在T梁混凝土浇筑后达到90%以上强度并且不少于5天龄期才能张拉预应力钢束。但实际施工中可能由于种种原因导致推迟张拉。现计算在龄期5天、15天张拉时，T梁跨中上拱度与7天张拉时的偏差，详见表4：

（5）是否考虑横隔板荷载

在许多理论计算中，对T梁荷载只计算了梁体部分，但实际施工中，翼板宽度范围内的横隔板是和T梁梁体同时浇筑的，故应在理论计算中考虑这部分横隔板的作用。分别计算考虑横隔板与不考虑横隔板这2种情况的T梁跨中上拱度，不考虑横隔板时上拱度增加的情况见表5：

（6）是否考虑梁体配筋对结构刚度及收缩徐变的影响

预应力T梁通常按照预应力混凝土A类结构进行设计，不允许受拉区混凝土开裂，故受拉区钢筋未主要承受拉力，但对于T梁截面刚度有一定影响，对混凝土收缩徐变有一定的约束作用。分别计算考虑钢筋作用与不考虑钢筋作用这2种情况下T梁跨中上拱度，并进行对比，详见表6：

（7）T梁外形结构偏差

由于采用整体钢模板，故T梁在浇筑施工中比较少出现涨模的现象，但T梁顶面比较容易浇筑偏厚。为研究顶板偏厚对T梁上拱度的影响，按照顶板超厚2cm来计算其上拱度偏差，详见表7：

（8）混凝土容重

在MI天AS中，程序设定的C50混凝土标准容重是25kN/m3。但实际施工中混凝土容重需要根据配合比实际测定，一般在24.5kN/m3～25kN/m3之间。为研究混凝土容重偏差对T梁跨中上拱度造成的影响，计算容重为24.5kN/m3的情况下T梁跨中上拱度的与容重为25kN/m3时的偏差，详见表8：

（9）是否考虑钢筋重量

由于在理论计算中一般没有考虑钢筋重量，但混凝土的容重为25kN/m3时，T梁钢筋混凝土组合容重达到了26.5kN/m3。为研究考虑钢筋重量时T梁跨中上拱度的偏差，计算容重为26.5kN/m3时T梁的跨中上拱度与容重为25kN/m3时的偏差，详见表9：

（10）张拉力偏差

设计40m预应力T梁的张拉控制应力为0.74fpk=1376.4MPa。由于在实际施工中，实际张拉力与设计之间会有一定误差。为研究其偏差对T梁上拱度的影响，计算与设计张拉应力偏差3%情况下T梁的跨中上拱度，详见表10：

（11）管道摩阻系数

设计给出的标准管道摩阻系数μ=0.25，为分析管道摩阻系数对T梁上拱度的影响，分别按照μ=0.2、μ=0.3来计算中跨中梁以及边跨边梁的上拱度，详见表11：

（12）管道局部偏差

设计给出的管道局部偏差系数k=0.0015，但由于实际安装管道过程中，偏差未必与理论一致，故分别计算k=0.001以及k=0.003的情况下，边跨边梁以及中跨中梁上拱度的偏差情况，详见表12：

（13）管道安装定位整体偏差

在预应力管道定位安装的过程中，除存在局部偏差以外，还可能出现整体性的误差，最常见的就是预应力管道在梁板中段最低段的标高控制不准，整体偏高或者整体偏低。通过模拟预应力管道最低段安装标高±2cm的情况，计算其与跨中管道安装正确时的跨中上拱度偏差，详见表13：

（14）锚具变形、钢筋回缩以及接缝压缩偏差

一般锚具变形、钢筋回缩以及接缝压缩值会在4mm～6mm之间。通过模拟计算，研究锚具变形、钢筋回缩以及接缝压缩值在4mm时，T梁跨中上拱度与标准情况（6mm）时的偏差，详见表14：

（15）综合各种因素对T梁上拱度的影响

为分析T梁上拱度可能出现的偏差极值，综合考虑上述的各种因素，分别计算张拉后存梁90天时边跨边梁及中跨中梁在实际施工的上拱度可能最大值、最小值与标准值的偏差。详见表15：

（16）各种因素对T梁上拱度影响程度对比

为了更直观的分析各种因素的影响程度，按照张拉后存梁90天的数据进行统计，采用柱状图的形式汇总各种因素偏差时，所计算出的T梁上拱度最大偏差情况，详见图1：

由此可见：

（1）对T梁上拱度影响较大的因素有：计算时是否考虑横隔板荷载、是否考虑钢筋作用、是否考虑钢筋重量、存梁时间、环境相对湿度等5个因素。

（2）混凝土收缩徐变类别的因素对边跨边梁影响较大，预应力以及结构重量类别的因素对中跨中梁影响较大。

4 预应力混凝土T梁上拱度控制措施

由于对T梁上拱度影响因素较多，部分因素影响较大，应采取有效措施进行控制。在设计计算方面，应针对不同工程的实际情况建立模型并设置计算参数，尽量使理论计算结果贴近施工实际，以更好的指导现场施工。在施工过程中，针对各项可能出现的偏差，应设置有针对性的措施进行控制，切实做好施工标准化，避免由于施工实际与标准情况不符而导致上拱度出现较大偏差的情况。

5 结论与展望

通过本文的分析和计算，希望日后设计单位能和施工单位充分沟通，建立合理的T梁模型及贴合实际的参数进行理论计算，施工单位也应该在施工过程中加强对T梁上拱度的监控，发现偏差较大的情况应及时分析并找到原因，及时纠偏，才能有效控制T梁上拱度。

参考文献

[1]向秋燕.预应力混凝土T梁起拱度理論分析及控制研究[天].长沙理工大学，2009.

[2]耿波.预应力混凝土梁的起拱度控制方法及试验研究[天].武汉理工大学，2004.

（作者单位：广东省南粤交通投资建设有限公司）