蒸汽养生下预制箱梁预应力张拉控制条件研究

吴庆雄，陈荣刚，杨益伦

(1.福州大学 土木工程学院， 福建 福州 350108； 2.福建高速至信建设管理有限公司， 福建 福州 350000；3.京台高速(平潭)跨海大桥有限公司， 福建 福州 350000)

预应力混凝土预制小箱梁受力性能好，施工效率高，质量易于保障，且有利于文明施工和环境保护，在现今公路或铁路桥梁工程中的应用越来越广泛[1-2]。随着我国经济的高速发展，桥梁快速施工将成为新的发展趋势，这就要求预应力混凝土构件尽可能缩短预制周期，提高效率。

目前，工程界主要通过掺入早强外加剂来提高混凝土初期强度，7 d可达到设计抗压强度等级的80%，但因水泥石中晶体含量较多而凝胶含量较少，混凝土弹性模量的提高速率远低于抗压强度[3]，7 d弹性模量指标并不能满足《公路桥涵施工技术规范》[4](JTG/T F50—2011)规定预应力张拉要求。同时，传统小箱梁预制施工是在固定底座上采用“施工区域固定、施工工序循环”的预制模式，即在固定底座上绑扎钢筋、架设模板、浇筑混凝土、拆除模板、张拉预应力等一系列工序，这意味着7 d内不能完成梁体预制，使得台座周转效率较低，不利于工厂化大规模梁体预制生产。

1928年Freyssinet将预应力混凝土结构引入实际应用[5]，吕志涛等[6]通过理论研究发展了现代预应力混凝土结构体系。Kim等[7]、李增锋等[8]和高杰等[9]采用试验和有限元相结合的方法，研究了预应力损失、张拉方式对混凝土梁的承载能力、刚度、变形和挠度性能的影响。彭波[10]通过蒸养制度参数研究，提出了蒸养制度对高强混凝土适应评价方法。朱瑶宏等[11]和杨昆[12]通过试验研究了蒸汽养生对混凝土物理力学性能的影响。韩建民[13]和杨树坡等[14]结合工程实践，验证了采用蒸汽养生措施可以有效地保证箱梁混凝土抗压强度。

本文依托国家高速公路网京台线平潭某标预制预应力混凝土箱梁工程，利用蒸汽养生使得混凝土抗压强度和弹性模量快速增长，以达到预应力张拉要求，从而缩短箱梁预制工期。通过反拉法进行箱梁预应力张拉后有效预应力的测试，结合混凝土抗压强度与弹性模量和箱梁上拱度随着混凝土龄期的发展规律，对所提出的采用蒸汽养生预制箱梁的预应力张拉条件进行验证，以期将来能得到更广泛的应用。

1 工程概况

国家高速公路网京台线长乐松下—平潭段G2合同段桥梁采用预制预应力混凝土箱梁结构，采用蒸汽养生方式保证在1 a内完成343片箱梁的预制任务。箱梁为单箱单室截面，跨径30 m，顶板宽2.4 m，底板宽1 m，梁段高1.6 m。箱梁顶板厚0.18 m，箱梁腹板及底板厚度由端部0.25 m渐变至0.18 m。预应力钢束的N1、N2、N3起弯点距跨中分别为0.885 m、2.507 m、4.129 m，起弯半径均为45 m，偏转角度为5°；N4起弯点距跨中为12.901 m，起弯半径为30 m，偏转角度为1.4°。箱梁截面尺寸和预应力束布置如图1所示。

图1箱梁截面图(单位：cm)

2 预应力张拉控制条件

箱梁浇筑混凝土约5 h，静停14 h保证混凝土形成一定的抗压强度，随后进行蒸汽养生，分为升温(7 h)、恒温(14 h)和降温(6 h)三个阶段，升温的速率不超过10℃/h，以防止混凝土内外部温差过大引起开裂；恒温阶段的温度控制在60℃±5℃，以避免过高养护温度使得混凝土内部发生延迟性钙矾石反应，导致混凝土开裂以及中后期强度的损失[14]。

图2为混凝土抗压强度和弹性模量随着龄期的发展趋势，由图2可以看出，混凝土抗压强度和弹性模量均随蒸养时间的增加呈前期快速增长、后期缓慢提高的发展趋势。根据规范[4]中对混凝土抗压强度和弹性模量不低于80%的预应力张拉控制条件的规定，考虑一定的富余度，设定混凝土抗压强度和弹性模量均达到设计指标的90%作为蒸汽养生下预制箱梁预应力张拉控制条件。

此时，混凝土龄期为40 h，开始以不超过10℃/h进行降温至与周围环境的温差小于15℃时完成蒸养，并于混凝土龄期2 d时进行预应力张拉。

图2混凝土材性随蒸养时间变化趋势图

3 有效预应力测试

反拉法是对具有二次拉拔条件的后张法预应力锚具测试有效预应力较为可靠的方法。通过测试反拉过程中索体位移随荷载的变化特征，采用拐点法来判断有效预应力初值，并对有效预应力进行分析判断，如图3所示。

目前常见的预应力钢筋大多为高强度低松弛钢绞线，可视为弹性体，根据材料的应力应变特性对预应力钢筋进行反拉，并实时测量位移S随反拉力F的连续变化值，绘制出F-S曲线，如图4所示。由图4可以看出：OA段为预紧段；当F小于锚下有效预应力值时，外露段钢绞线单独受拉变形，为AB段；当F大于锚下有效预应力值时，锚索的外露段与梁内锚固段共同受力继续拉伸，为BC段，F增加很小但S增加很大，曲线出现拐点(B点)，据此拐点分析计算可判断有效预应力[15-17]。

选取背景工程中4片箱梁，采用“反拉法”对混凝土龄期9 d内梁体有效预应力进行定期测试，孔道编号见图1，测试制度如表1所示。图5为采用反拉法测试的箱梁有效预应力随混凝土龄期的变化曲线，因实测数据较多，表2仅给出各片箱梁典型测试数据。

从图5和表2可以看出，随混凝土龄期的增长，钢束有效预应力均不断递减且减小速率逐渐降低。龄期为3 d的有效预应力损失量在6%以内，龄期为5 d和9 d时有效预应力损失率均在5%以内，呈逐渐减小的趋势，这些均表明预应力损失在混凝土龄期5 d后基本趋于稳定。

图3 “反拉法”示意图

图4 反拉力-位移曲线

图5实测有效预应力随龄期变化图

表2 箱梁锚下预应力测试结果

4 上拱度测试

预制箱梁在台座上完成张拉后，采用龙门吊吊运至存梁区存放，梁体两端底部垫有硬枕木，预制梁处于简支受力状态，通过在梁两端及跨中底部布设百分表对梁体张拉后上拱度变化量进行监测，梁体上拱测点布置见图6。

图6张拉后上拱度测点布置图

图7为预制梁跨中上拱度随龄期变化规律，表3为上拱度相对变化数据。从图7和表3可以看出，在蒸汽养生混凝土龄期为2 d进行张拉后，梁体上拱度随龄期的增加呈现明显减小的趋势，预制梁混凝土龄期在9 d内跨中累计上拱度在1 mm以内。

图7 预制梁跨中上拱度随龄期变化图

5 材性指标测试

图8给出了预制箱梁混凝土抗压强度和弹性模量随龄期变化图。由图8可以看出，随着混凝土龄期的增长，混凝土抗压强度和弹性模量呈缓慢递增的趋势，其抗压强度在龄期3 d达到设计值，弹性模量在龄期5 d达到设计值，表明蒸汽养生工艺可以快速增加混凝土材性指标，节省养生施工时间。

图8预制箱梁混凝土材性随龄期变化图

因此，预制梁预应力张拉后跨中上拱度很小且其相对变化量随时间呈明显减小趋势，表明了采用蒸汽养生工艺并不会出现蒸养结束后抗压强度和弹性模量回缩从而导致预应力损失的问题。

6 结 语

(1) 本文提出的蒸汽养生条件下预制箱梁混凝土抗压强度和弹性模量均达到设计值要求的90%及以上进行一次性预应力张拉是合理的。

(2) 蒸汽养生条件下预应力箱梁混凝土的抗压强度和弹性模量在龄期为40 h时达到设计值要求的90%，蒸养结束后其抗压强度和弹性模量分别在龄期3 d和5 d达到设计值。蒸养工艺可以快速提高混凝土材性指标，节省养生施工时间。

(3) 预制箱梁混凝土抗压强度和弹性模量在张拉后仍呈缓慢增长的趋势，跨中上拱度很小且相对变化量随时间呈明显减小趋势，预应力损失在混凝土龄期5 d后基本趋于稳定。