预应力混凝土简支梁长期存放技术保护方案

邢海瑞(中铁丰桥桥梁有限公司，北京 100070)

预应力混凝土简支梁长期存放技术保护方案

邢海瑞(中铁丰桥桥梁有限公司，北京 100070)

以中铁丰桥桥梁有限公司伊吾分公司预制梁场为工程依托，总结了预制T梁长期存放造成拱度过大的发生情况，分析了拱度形成的主要原因，提出了相应的处理方案及具体实施方法，使得预制T梁质量得到保障。

预制T梁；拱度；堆载加荷

1 工程概况

中铁丰桥桥梁有限公司伊吾分公司预制梁场主要的施工任务为预制通桥（2005）2101预应力混凝简支T梁，目前场内剩余桥梁16孔。

由于预制梁长期存放，会因徐变引起拱度较大。通过现场多次的观测结果表明：现阶段桥梁的拱度已基本稳定，6孔24m桥梁和3孔16m桥梁的拱度均在20mm以下，对架梁后的桥面铺装无甚影响；而7孔32m桥梁中的6孔的拱度均在35mm以下（支距折减后均在32mm以下）；拱度较大的2片梁分别为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

预制后张法预应力混凝土简支梁的竖向变形主要由4个部分组成。一期恒载，即自重引起的下挠度fg1；预加应力Ny作用下引起的上拱度fy；二期恒载作用下引起的下挠度fg2；混凝土徐变引起的上拱度fcr。因此，预应力简支梁的总变形 f=fy–fg1–fg2+fcr。

1）一期恒载

一期恒载即主梁自重。

2）预应力引起的拱度

将锚下控制应力σcom扣除所有的预应力损失，得到实际存在的预拉应力值；在偏心预加应力的作用下，引起梁的上挠度fy。预应力损失由五部分组成，即预应力筋与管道壁间摩擦引起的应力损失σL1；锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失σL2；混凝土弹性压缩引起的应力损失σL4；钢筋松弛引起的应力损失σL5；混凝土收缩和徐变引起的应力损失σL6。

根据有关文献，传力锚固时，计入自重作用，32mT梁按理论支点计算的跨中上拱度为32.7mm。

3）二期恒载

二期恒载主要包括线路设备（轨枕、钢轨等）、道碴、人行道支架、步板、电缆槽、挡碴块、现浇桥面板及横隔板湿接缝的重量。对于通桥（2005）2101—32m曲线边梁，设计采用的二期恒载值为每单线孔80.81kN/m。

4）混凝土收缩、徐变引起拱度

根据预制梁图纸《时速160公里客货共线铁路预制后张法简支T梁（图号：通桥（2005）2101）》的设计说明，按照终张拉90天上二期恒载，徐变上拱度直线边梁为44.72mm，直线中梁45.87mm，曲线边梁55.16mm，曲线中梁55.52mm。据此，制梁场设置底模反拱45mm。

根据有关文献，铁路T梁的徐变上拱度发展过程大致如下：30天的徐变引起上拱度为15mm；90天徐变引起上拱度为23mm；180天徐变引起上拱度为27mm；360天徐变引起上拱度为30mm。

通过对比，文献数据比设计图纸数据的徐变拱度低。按照保守安全原则，根据混凝土收缩、徐变应力损失的完成率η1（见表1）[1]粗略推演计算，到今960d（徐变完成率约为97.5%）的徐变上拱度约为35mm；3年时全部徐变上拱度约为36mm。

表1 混凝土收缩、徐变应力损失的完成率η1

5）上拱度的理论限度

因上拱度的影响因素较多，变化复杂，偏差较大。根据有关规范[2]的规定，终张拉30天时用水准仪测量的简支梁上拱度不应超过L/1000，对于32m铁路T梁，即32mm。

如上述文献所表，桥梁终张拉30天时，其徐变上拱15mm；30天～960天的徐变上拱则为35-15=20mm。

因此，对于现存的32m桥梁，其上拱度不超过32+20=52mm，则是正常的。即52mm是上拱度的理论限度，一般不应超过。

2.2 弹性上拱度的影响因素

1）预施压应力

预施压应力大小和应力施加时间影响着上拱度的大小。预施压应力（如设计张拉力或张拉、超张拉控制应力）越大，梁体上拱度就越大（如边梁的上拱度值一般大于中梁的上拱度值），反之亦然。预施压应力的应力施加时间越长或越早，梁体上拱度就越大。另外，孔道摩阻、锚具变形、钢筋回缩和应力松驰等预应力损失会使有效预施压应力减少，梁体上拱度值降低。

2)混凝土的强度和弹性模量

施加预应力时梁体混凝土的强度和弹性模量影响着上拱度的大小。一般地，混凝土的强度和弹性模量越高，梁体上拱度就越小，反之亦然。一般，梁体混凝土的弹性模量增长比其强度增长要慢，且持续时间较长，如在混凝土浇筑后短期内（7天龄期以内）就对梁体施加预应力，既使梁体混凝土具有较高的强度，也会造成上拱度大幅增加，因此，加载龄期对拱度也有一定的影响。

3)其它因素

梁体存放悬臂长度大小、预施应力的精确程度（指在规定误差内）、孔道及锚口摩阻的大小、混凝土弹模、底模预留反拱值误差等，均会对梁体的弹性上拱度产生影响。

2.3 徐变上拱度的影响因素

混凝土的徐变是依赖于荷载且与时间有关的一种非弹性性质的变形。在长期荷载作用下，混凝土体内水泥胶体微细孔中的游离水将经毛细管挤出并蒸发，产生了胶体缩小形成徐变过程。徐变是混凝土在长期荷载作用下的固有特性，从梁的实测观测数据发现，徐变上拱度的离散性很大，大到同一座桥的同一种梁，小到同一台座生产的不同时期的同一种梁均有不同。因此，影响徐变上拱度的因素很多，主要具有如下的特性：

1）徐变在初期发展特别快，而后发展逐渐减慢，延续时间可达数年。一般在加载的第一个月内完成全部徐变量的40%，3个月完成60%，1～1.5年约完成80%，在3～5年内基本完成。在5～15年后其增长逐渐达到一个极限值，其累计总和值常很可观，达弹性变形的1～3倍，在某些不利条件下还可能增大。

2）在卸载时，一部分变形立即恢复，另一部分变形在相当长时间内逐渐恢复，而更大部分的残余变形永不恢复。

3）徐变量与加载的应力大小有关，应力越大，徐变量越大。当应力小于棱柱体强度的50%～60%时，应力与徐变量呈近似线性的关系。

4）徐变量与加载时混凝土的龄期有关，龄期越短，徐变量越大。

5）徐变量与水灰比、水泥用量有关，水灰比大，徐变量大；水泥用量大，徐变量大。对于同一种水泥，在骨料和水泥比例相同时，水灰比愈大则徐变愈大，因为混凝土的徐变主要是由水泥浆引起的。而在相同水胶比的情况下，徐变变形又会随着水泥的用量增多而增大。因此，水灰比和水泥用量是影响徐变上拱的重要因素。

6）根据线性徐变理论，偏低的弹性模量会引起较大的徐变上拱。因此，徐变量与混凝土所用的骨料有关，骨料弹性模量高，徐变量小。混凝土弹性模量高，徐变量小。

确定徐变理论上的大小直接关系到架梁的进度安排。

2.4 现场存梁拱度较大的原因分析

从上述影响因素的分析来看，对于特定的铁路T梁，对拱度影响较大的因素是预应力大小、加载时间、支点位置、存梁龄期、混凝土弹性模量、二期恒载的加载时间、环境相对湿度和温度等因素等。

预应力混凝土桥梁在形成成品梁而长期未架设状态下，由于没有二期恒载和活载的作用，存在个别桥梁在预应力偏心和混凝土弹性变形以及徐变上拱的作用下，桥梁上拱值会缓慢增加，甚至超出标准规定的情况。实际施工过程中，一般按照终张拉完成后90天加载二期恒载来计算徐变上拱值，然后据此来设置底模的反拱度。至今存梁已超过2年半，徐变已完成约97%，多出的900多天徐变上拱值在实际中得到了体现。其拱度较大是在影响因素所能引起的上拱增加值的正常范围内的。

3 T型梁上拱度过大产生的影响

尽管梁体上拱度是由梁体正常预施应力造成的，上拱度过大一般也不会太多改变梁体自身的受力特性，但是上拱度过大将会产生一些问题：

1）为保证轨道平顺性，一般通过调节道碴的厚度来消除上拱度的影响，改变了桥面铺装层厚度均匀性，致使梁端处变厚而跨中处变薄，既增大恒载又造成浪费。

2）当拱度超标过大，而道碴调节量有限时，需要通过提高桥面设施的标高（轨顶标高）或者需要降低墩台顶面的标高来消除影响，改变了原线路的设计参数。

3）给梁体安装和湿接缝施工控制带来不便的影响。

4 拱度问题的处理方案

目前伊吾分公司存放的桥梁，已存放900多天，其徐变上拱已完成约97.4%。也就是说，其徐变上拱基本完成。根据徐变的形成原因、影响因素和线性徐变理论，可以说，其拱度值不会再有明显的增加，2年内最大增加量不会超过现有拱度值的10%。因此，桥梁可以通过道碴厚度的调节等措施达到使用的要求，在现阶段采取措施已无太大的必要。

鉴于架梁的工期不定，现存的预制梁二期恒载的加载时间遥遥无期，在此长期存放的预期下，可以按照不低于二期恒载的加载量对预制场内的存梁采取一定的堆载加荷措施，以控制和降低梁体的上拱。建议堆载物采用定额重量的砂袋，便于计量。

5 堆载加荷的具体实施办法

5.1 堆载方案

为控制梁体上拱过大，对存放在梁场的成品梁，在梁面逐步附加砂袋荷载。堆载产生的跨中弯矩值Mf一般不低于二期恒载产生的弯矩值Mg2。建议取荷载q=1.5q0（q0为二期恒载）。

堆载全部布置在支点以内的梁面，堆载形式有两种：

其一采用均布荷载，即支点以内梁面上均匀分布砂袋，堆载图示如图1，特点是操作简便，且因跨中砂袋层数较少，利于现场防风。

其二采用阶梯形，跨中大，往梁端逐步减少，堆载图示如图2，特点是减少总的砂袋量，但需按图示严格执行，操作繁琐。

在加载时，考虑到新疆地区的风力和梁体桥面的偏心因素，桥面的中心内侧应多加载一层，并且需在桥梁两端的侧面做好支撑防护。

图1 均布形堆载图

图2 阶梯形堆载图

5.2 加载计算

据预制梁图纸《时速160公里客货共线铁路预制后张法简支T梁（图号：通桥（2005）2101）》的设计说明，预制梁的二期恒载包括线路设备、道砟、人行道支架、步板、电缆槽、挡砟块、现浇桥面板、横隔板湿接缝的重量。对于32m、24m、16m单线孔曲线梁二期恒载为80.81kN/m。折算单片曲线梁的二期恒载为40.405kN/m。

根据本批次桥梁的静载试验数据，第二循环基数级Ka荷载283.8kN，静活载Kb荷载541.1kN，挠度值分别为12.21mm、24.25mm。由以上数据可以推算出桥梁的刚度 EI=65358600464GPa×m4。

当存梁支距为32m时，在二期恒载q0=40.405kN/m的作用下，桥梁跨中拱度会减小f=5/384×qL^4／EI=8.44mm；当加载至 1.2 倍 q0 时，q=48.486kN/m，桥梁跨中拱度会减小f=5/384×qL^4／EI=10.33mm。现场实际存梁跨度为29m，故加载至1.5倍q0时，q=60.6kN/m，f=8.54mm。

5.3 加载方法和安全措施

桥面宽按2.3m计算，现场存梁实际跨度为29m。

1）方法一（采用均布堆载）

按照加载1.5倍q0实施，q=60.6kN/m，产生的跨中弯矩为Mf=1/8×qL^2=6371kN·m。据此，堆载至每米60.6/9.8=6.18t。砂子堆积密度按 1.43，考虑到砂袋间的一些空隙，支点内大约满布砂袋到1.9～2.1m高时，即能达到堆载要求，使跨中拱度下降8.5mm。

2）方法二（阶梯形堆载）

采用方法二阶梯形堆载方法，从跨中往两端，每3米一个单元。拟定q1=65kN/m，q2=60kN/m，q3=55kN/m，q4=50kN/m。阶梯荷载产生的跨中弯矩和为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。

阶梯荷载产生的跨中挠度，简化为跨间等间距布置两个相等的集中荷载下的最大挠度计算，公式f=6.81pl^3/(384EI)，其挠度和为9.14mm，其中：

f1=6.81×q1×3×2×29^3/(384EI)

=2.59mm；堆载高度 2.1 ～ 2.3m；

f2=6.81×q2×3×2×29^3/(384EI)

=2.38mm；堆载高度 1.9 ～ 2.1m；

f3=6.81×q3×3×2×29^3/(384EI)

=2.18mm；堆载高度 1.7 ～ 1.9m；

f4=6.81×q4×3×2×29^3/(384EI)

=1.99mm；堆载高度 1.5 ～ 1.7m。

3）加载安全措施

在加载前要对加载桥梁的两端侧面进行支撑保护；加载时对桥梁的存梁台座变形和桥梁的端部截面的倾斜进行观测，发现问题，及时调整。

6 结 语

目前伊吾分公司的未架设桥梁，已存放900余天，其徐变上拱已完成约97.4%，经推算,剩余存梁上拱度不超过理论限度,可不采取拱度保护措施。

鉴于架梁的工期不定，现存的预制梁二期恒载的加载时间遥遥无期，在此长期存放的预期下，可以按照1.5倍左右的二期恒载的加载量对预制场内的存梁采取一定的堆载加荷措施，以控制梁体上拱的继续增长。建议堆载物采用定额重量的砂袋，便于计量。为减少工作量，可采用阶梯形堆载，自跨中向两端逐阶减少。同时，采取防倾覆安全保护措施，固定好梁端斜支撑。

梁体在堆载前和堆载过程中，应观测拱度的变化，验证堆载物对拱度的影响。堆载完成后，应定期监测拱度的变化，根据实测情况调整荷载量。

[1]TB10002.3-2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］

[2]TB10415-2003铁路桥涵工程施工质量验收标准［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