后张法预应力空心板梁反拱值理论值与实测值差异分析

陈晓飞 高繁强 张朝文 邢朝阳

（1.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 蚌埠 233000 2.南四湖水利管理局二级坝水利枢纽管理局 微山 277600）

1 引言

预应力混凝土结构是指结构在外荷载作用之前对结构构件预先施加压力，使截面产生的预压应力能全部或部分抵消由荷载引起的拉应力的混凝土结构，这样可以推迟裂缝的出现，限制裂缝的开展，达到提高结构刚度的效果。现代预应力结构将高强度钢材及高强度混凝土有机结合在一起，利用现代结构设计理论和先进施工工艺设计、建造高效结构。预应力结构与非预应力结构相比，不仅具有跨越能力大、受力性能好、使用性能优越、轻巧美观、耐久性高等诸多优点，而且还起到了经济、节能的效果。对钢筋混凝土结构施加预应力可以有效降低结构在使用状态下的截面应力最大值，达到结构不开裂或者减小裂缝宽度的效果，同时由于预应力反拱作用而减小了结构的变形，从而改善了结构的使用性能，提高了结构的耐久性。此外，相对于普通钢筋混凝土结构，预应力钢筋混凝土结构还具有跨越能力大、自重小、裂缝闭合性能与变形恢复能力好及抗剪能力高等优点。但是，后张法预应力混凝土在预应力筋及混凝土收缩徐变等条件因素影响下，不可避免地会产生向上的挠度。反拱值过大会加大车辆对桥梁的冲击作用，同时没有预反拱的存在，可能会使桥面铺装不均匀或厚度不够。因此对反拱值的分析显得尤为重要。

2 后张法的基本概念

先浇筑混凝土，并在构件体内按预应力筋的位置留出相应的孔道,待构件的混凝土强度达到规定的强度（一般不低于设计强度标准值的75%）后,在预留孔道中穿入预应力筋进行张拉,并利用锚具把张拉后的预应力筋锚固在构件的端部,依靠构件端部的锚具将预应力筋的预张拉力传给混凝土,使其产生预压应力；最后在孔道中灌入水泥浆，使预应力筋与混凝土构件形成整体。

3 反拱值的基本概念

预应力混凝土受弯构件的反拱是由预加应力产生的，预应力张拉时构件受到偏心弯矩作用，导致构件跨中截面上边缘受拉、下边缘受压，梁向上拱起与荷载作用引起的向下挠度方向相反，称之为反拱值。

4 工程案例

4.1 预应力梁板设计情况

南四湖二级坝除险加固工程新建溢流坝交通桥上部结构采用装配式后张法预应力混凝土简支空心板梁桥，标准跨径20m，计算跨径19.26m，混凝土强度等级为C50。空心板内设φj15.2 低松弛高强度钢铰线，中板18 根，边板20 根，fptk=1860MPa，fpy=1320MPa，预应力受拉钢筋的合力点至空心板底边距离为：中板a=143mm，边板a=150mm，因此空心板截面的有效高度为：中板h0=950-143=807mm，边板h0=950-150=800mm。锚具采用15-4 型、15-5型和15-6 型系列锚具及配件，预应力管道采用圆形金属波纹管，直径为56mm 和67mm，预应力空心板的fc=23.1N/mm2，Ec=3.45×104N/mm2，非预应力钢筋采用φ16，fy=360N/mm2，Ec=2.0×105N/mm2。混凝土龄期不低于7d，且强度不低于设计强度等级的85%，预应力钢绞线束才能进行张拉。

4.2 反拱监测对象

按照桥梁施工顺序，预制构件预制好后，自钢绞线束张拉开始，至桥梁施工完成后进行静载荷试验结束。选择6 片空心板预制构件进行反拱值监测，其中2 片边板，4 片中板。成桥后静载荷试验时，在被监测跨各预制构件跨中截面、支座处布置百分表或位移传感器，选取3 片板布置钢弦及精密刻度尺，通过监测精密刻度尺随钢弦变化值反映被监测梁的反拱（挠度）变化。

此次反拱监测截面选择预制构件跨中截面及两侧支座处。

4.3 反拱值监测过程

反拱（挠度）监测时间顺序分以下几个阶段：

第一阶段：在张拉前（2020.1.1 以前）测试百分表及精密刻度尺初始读数，每束钢绞线张拉后（2020.1.4）测试百分表及精密刻度尺对应读数变化。

第二阶段：在移梁至梁板存放地前后（2020.1.11—12、2020.1.13）测试百分表及钢弦对应读数变化，在梁板上桥前后（2020.1.17、2020.3.15）测试钢弦对应读数变化，梁板上桥后铺设铰缝钢筋及浇筑铰缝混凝土后（2020.3.18）测试钢弦对应读数变化，在桥面及桥面系铺设钢筋及浇筑面层及桥面系混凝土后（2020.4.8—2020.5.8）测试百分表及钢弦对应读数变化，在铺装沥青层后（2020.5.22）测试百分表及精密刻度尺对应读数变化。

第三阶段：在整桥静载荷试验（2020.6.10—2020.6.18）前后测试百分表、位移传感器及精密刻度尺随钢弦读数变化。

4.4 各阶段监测结果汇总与分析

从预制构件预应力钢束张拉开始至整桥静载荷试验结束，各阶段实测的反拱值按测读时间顺序如表1。

表1 各阶段试验梁反拱值随时间变化的汇总表

将不同时间段实测反拱值变化以时间为顺序，绘制反拱值随时间变化关系图如图1、图2。

图1 20-8#、20-1#、20-4#三片梁监测全过程反拱值变化图

图2 20-6#、20-7#、20-9#三片梁监测全过程反拱值变化图

预制预应力混凝土梁体在张拉预应力后，装配式预应力混凝土梁的上拱初期由预加力产生，后期由于徐变效应会随着时间继续增大，上拱度主要有两部分产生，其中一部分被称为弹性上拱度，是由偏心预应力产生的上拱值抵消因梁体自重引起的下挠度值，另一部分是在张拉预应力后，混凝土徐变产生的上拱值。

从各监测点随时间变化关系图可以看出，四束钢绞线张拉过程中，各监测点反拱值随时间变化呈增长趋势，说明在钢绞线张拉力作用下产生向上反拱，同时由于外界环境温度变化和梁体混凝土徐变的长期影响，预制构件梁体上拱度不断增大。

各试验梁在存梁阶段为1月份，外界温度趋于平稳，在这一阶段，各监测点的反拱值随着存梁时间的增加继续增长，到梁板上桥时，由于支座粘滞力及支座支点位置的变化等边界条件的变化，预应力钢绞线束受力发生变化，各试验梁反拱值变大。上桥后，在钢绞线张拉力作用下，受混凝土徐变效应的影响，同时预制梁与桥面现浇层也会因龄期差别而产生一定的收缩差，各试验梁反拱值会随时间增加继续增大。

随着桥梁上部铰缝钢筋铺设、铰缝混凝土浇筑开始施工，受铰缝钢筋及混凝土重力影响，各试验板反拱逐渐减小，桥面面层及人行道钢筋铺设、混凝土浇筑、沥青混凝土浇筑、桥面系安装完成阶段，随桥面重量逐渐增加，各预制构件反拱值在不断减小。静载荷试验阶段，各预制构件反拱值明显变小。

在监测全过程中，各预制构件在钢绞线束张拉力、二次铺装及桥面系施工重量、车辆荷载等因素影响下，反拱值也随之变化，说明反拱随各阶段受力情况不同而发生变化。

6 片试验梁板反拱值自张拉开始至静载荷试验结束，中板剩余反拱值最大为8.90mm，最小为5.85mm；边板剩余反拱值最大为4.76mm，最小为4.00mm。

5 各阶段各监测点反拱值差异分析

预制预应力混凝土桥梁施工方便，经济性好。由于施加预应力的原因，往往造成预制梁上拱值过大，这样就会给将来桥面铺装的厚度、桥面标高的控制带来困难，同时也会使桥面不平顺、不美观，桥跨结构的力学性能也会受到影响，进而影响到通车后行驶的舒适程度以及桥梁的安全性和耐久性。通过对理论计算和实际测量的数据进行归纳和比较，对两者差异分析原因如下：

5.1 施工工艺

混凝土强度的差异、混凝土弹性模量不稳定，导致梁的起拱值不稳定；施加预应力时间差异、架梁时间不一致，导致预拱度计算时各种假定条件与实际情况不一致，造成预拱度偏差；波纹管安装不准确，致使预应力束曲线线型与设计不符，以致管道摩阻力增加，预应力增加位置与设计不符，从而影响预应力空心板的反拱值。

5.2 理论与实际的差异

计算公式建立在一些试验数据基础上，理论计算与实际存在偏差；标准养护混凝土试块弹性模量作为施加预应力条件，当试块强度达到设计张拉强度时，由于养护条件不同，梁板弹性模量尚未达到或超过设计值，都会导致起拱度偏差；计算采用的钢绞线弹性模量值与实际弹性模量值相差过大，则计算伸长量偏小或偏大，造成实际预应力不够或超过设计预应力，易引起梁的起拱度过小或过大。

5.3 混凝土特性

在预应力混凝土空心板中，由于混凝土长期承受预应压力，因此会产生徐变及收缩变形，使预应力空心板长度缩短。徐变的影响能使板梁的反拱度增加1～1.5 倍左右。一般情况下，混凝土在两周内完成最终徐变的25%左右，三个月内完成最终徐变的50%左右，一年内完成最终徐变的75%左右，几年后就趋于稳定。影响混凝土收缩及徐变的主要因素有：混凝土的配合比、水泥品种、骨料大小；混凝土的拌合、浇筑、振捣工艺；养护条件；施加预应力时的龄期等。

6 结语

反拱值的变化是一个较为复杂的过程，受许多因素影响，暂时还不能作较为准确的定量定性分析。由于本文的实验样本数量较少，实验数据还不够充分，考虑后期桥梁受活载效应的影响，有待进一步研究探讨■