预应力混凝土T梁上拱度的控制措施

    一、概述
    随着桥梁施工技术的不断发展，大跨度装配式后张法全预应力混凝土 T 型梁桥以其标准化现场预制施工方便和经济效益性好等优势，被广泛应用于公路工程建设项目之中。但是，该装配式桥在减轻梁体自重、增加梁体承载能力、降低梁体工程费用的同时，由于为提高梁体承载能力而施加的高预应力值却引起了梁体上拱度偏大的情况，并随之带来了梁体预制、安装施工控制困难和桥面铺装层厚度不均（而不得不进行局部调坡和加厚）致使铺装费用增加，进而影响桥面设施的平顺性、美观性及通车运营后桥梁的力学性能和行车舒适性等一系列问题。
    根据以往桥梁工程实施经验，正确认识后张法 T 型梁上拱度的形成原因和影响因素及上拱度过大对桥染工程造成的不利影响，采取措施在梁体预制阶段合理地设置反拱（反抛物线形拱）来控制后张法 T 型梁上的拱度（正抛物线形拱）是十分必要的。现结合温州绕城高速公路西南线 3 标段的施工情况做一介绍。
    二、设计对上拱度的要求
    《温州绕城高速公路西南线工程第三标段两阶段施工图设计》（通用图专册一第 123 页）中对上拱度的说明如下：为防止预制梁上拱过大，建议存梁期不超过 90d。同时预制梁应设置向下的二次抛物线反拱。预制 T 梁在钢束张拉完成后，各存梁期跨中上拱度计算值及二期恒载产生的下挠值如下表所示，施工单位可根据现场工地的具体情况（如存梁期、砼配合比、材料特性及地区气候等）以及经验设置反拱。反拱值的设计原则是使梁体在二期恒载施加前的上拱值不超过 20mm。桥梁施工完成后桥梁不出现下挠。施工设置反拱时，预应力管道也同时反拱。
               
    三、起拱影响因素分析
    后张法预制 T 梁起拱度影响主要施工因素如下：
    1．T 梁波纹管安装定位准确性
    T 梁波纹管安装定位直接影响到 T 梁张拉时钢绞线的线形，从而直接影响到钢绞线受力后沿 T 梁高度方向的竖向分力大小。为确保 T 梁预应力施工质量及理论与实际相符合，施工时必须采取合理措施确保波纹管的线形、定位必须牢固。
    2．T 梁混凝土浇筑时原材料配合比及浇筑振捣质量
    混凝土中水泥石、集料、过渡区所占比例、集料的弹性模量、水泥的品种、外加剂的用量及浇筑振捣密实情况直接影响到混凝土的弹性模量和强度，从而影响到混凝土结构受力后的变形大小。通常情况下，混凝土中集料的刚度影响混凝土中集料约束水泥石变形的能力，坚硬致密的集料弹性模量大，由它拌制的混凝土弹性模量高；如果集料的弹性模量较水泥石大，集料在混凝土中的体积就越大，而混凝土的弹性模量就越高。同时，混凝土的振捣质量和集料的最大粒径、颗粒形状、级配能影响混凝土变形界面区的微裂缝，从而影响混凝土的弹性模量。另外，水泥若为早强型水泥，再掺加适量外加剂的情况下，能有效降提高混凝土的早期强度及最终强度。
    3．T 梁混凝土浇筑完成后养护情况及环境温度
    纵所周知，混凝土浇筑完成后养护情况及环境温度对混凝土的早期强度影响极大。同时，根据以往经验混凝土表面湿度也会对混凝土的弹性模量产生影响。通常情况下，混凝土浇筑完成后，养护环境温度高、表面洒水养护及时、随时保持混凝土表面湿润，能有效提高混凝土早期强度及弹性模量的增长速度。
    4．T 梁预应力张拉时，张拉控制力大小
    T 梁预应力张拉控制力是否准确，直接影响到 T 梁起拱度的大小，同时影响到结构安全性。因此施工时必须严格按照设计张拉控制力进行施工。
    5．T 梁预应力张拉时混凝土强度及龄期
    T 梁张拉时强度和龄期直接影响到混凝土结构受力后的变形大小，从而影响到 T 梁的起拱度。通常情况下，张拉时混凝土强度越高，弹性模量越高，混凝土变形越小。龄期时影响混凝土弹性模量的主要因素，因此，T 梁预应力张拉时必须确保达到设计张拉强度及龄期。
    6．T 梁张拉完成后预应力损失的大小
    T 梁张拉完成后，锚夹具变形大小、钢绞线回缩值大小、张拉完成与压浆的时间间隔均会直接影响到 T 梁张拉的有效预应力。因此，必须严格按照设计及规范要求对锚夹具进行静载锚固性能、洛氏硬度等指标检测，必须严格控制钢绞线的回缩值。确保有效预应力满足设计要求。
    7．T 梁张拉完成后，混凝土徐变收缩大小
    （1）收缩
    影响混凝土收缩的因素主要有水灰比、骨料的含量、骨料的收缩性、养护条件。一般而言，混凝土水灰越大，收缩越大；骨料含量越大，收缩越小，而细骨料（如石粉）的含量增大，收缩增大；骨料收缩性大，混凝土收缩越大；混凝土收缩时间很长，但随时间急剧降低，延长混凝土的养护时间，使水泥水化越充分，可降低混凝土收缩速度。
    混凝土收缩导致预应力损失，从而导致 T 梁上拱度变小。
    （2）徐变
    影响混凝土徐变的主要因素有水灰比、水泥品种、骨料含量和刚度。通常情况下，水灰比越小，徐变越小；水泥品种对混凝土徐变的影响在于其影响混凝土加载时的强度。在加载龄期、应力及其他条件相同时，高强快凝水泥将导致较低的徐变。另外混凝土的徐变随骨料含量增加而减小，随骨料刚度增加而减小。
    混凝土在受到预应力张拉而起拱后，会在自重荷载和预应力荷载作用下发生徐变变形，而徐变变形一方面导致预应力损失，从而使 T 梁上拱度变小，另一方面由于泊松效应导致 T 梁上拱度变大。混凝土本事特性为抗压强度高，抗拉强度小，因而徐变变形对 T 梁上拱度的影响为使上拱度变大为主要方向。在混凝土结构受到预应力荷载起初一段时间内，混凝土徐变变形较大，并随着时间延长逐渐降低趋于稳定。且混凝土结构在存梁期超过 3 个月后，影响 T 梁上拱度的主要因素为混凝土徐变。
    四、上拱度控制措施
    1、根据设计计算各存梁期上拱度，合理设置制梁台座反拱。
    2、严格按照设计及规范要求进行波纹管定位。
    3、合理选择施工配合比及原材料，提高振捣质量。
    4、浇筑完成后及时养护，提高环境温度。
    5、严格按照设计及规范要求进行预应力张拉、压浆。
    6、降低混凝土徐变系数，减小混凝土徐变。
    7、加强 T 梁上拱度跟踪观测，防止 T 梁上拱度持续增大。
    五、施工采取的控制措施
    1．施工情况说明
    我标段截止 2014 年 11 月 19 日，实际完成 30mT 梁浇筑 81 片，均为郭溪高架桥梁板。首件 T 梁预制为左 76-2号，浇筑日期为 2014 年 7 月 3 日。T 梁浇筑时间分段数量为：2014 年 7 月份完成 4 片（梁板编号分别为右 76-2、右76-3、右 76-4、右 76-5），均为中跨中梁；8 月份完成 15 片；9 月份完成 20 片；10 月份完成25 片；11 月份完成 17 片。目前完成 T 梁中边跨边梁 8 片（最早浇筑时间为 2014 年 10月9 日，梁号：右 77-1）、边跨中梁 24 片（最早浇筑时间为2014 年 10 月 7 日，梁号：右 77-2）、中跨边梁 14 片（最早浇筑时间为 2014 年 8 月 3 日，梁号：右 76-7）、中跨中梁35 片（最早浇筑时间为 2014 年 7 月 3 日，梁号：右 76-2）。
    2.采取的控制措施
    （1）合理设置制梁台座反拱
    为预防预制 T 梁出现过大上拱，本标段梁场台座反拱设置为 30mm。理由如下：考虑到本标段下部结构进度情况，预计 T 梁存放时间为 3 个月甚至更长时间，故台座反拱值按照设计计算的 90dT 梁上拱值并结合以往本公司类似工程施工经验取值。台座反拱理论计算如下表2。
              
    其中边梁梁板存梁 90d 上拱度计算平均值为 43.2mm，二期恒载导致下挠值平均值为 3.7mm，中梁梁板存梁 90d上拱度计算平均值为 33.7mm，二期恒载导致下挠值平均值为 2.7mm。再结合设计建议反拱值的设计原则（使梁体在二期恒载施加前的上拱值不超过 20mm、桥梁施工完成后桥梁不出现下挠）。若考虑 90d 存梁后梁板在二期恒载作用下上拱正好与反拱平衡，计算得出边梁梁板台座反拱值为：43.2-3.7=39.5mm ， 中 梁 梁 板 台 座 反 拱 值 为 33.7-2.7=31mm。考虑到本标段 T 梁类型边梁与中梁比例不足2：5，根据台座反拱不小于最小反拱值中的最大值（27.1mm）和不大于最大反拱值中的最小值（28.8mm），同时考虑到施工误差，结合以往施工经验全局考虑，30mT梁台座设置值取 30mm。
    另外，台座反拱的抛物线方程计算如下：
    以水平台座中心为原点建立坐标系，台座纵向为 X 轴，竖向为 Y 轴。设反拱的抛物线方程为 Y=AX^2+B。则 B=-30，15,000^2×A-30=0，故 A=1/7,500,000。则反拱的抛物线方程为 Y=（1/7,500,000）X-30。
    预制场前期建设完成后，所有台座反拱均按照每通过测量工程师测量验收，符合要求后再进行施工。
    （2）加强预应力施工质量管理
    根据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）的有关规定，结合《浙江省公路桥梁预应力孔道压浆技术指南》和《关于进一步加强桥梁预应力施工质量管理的通知》（浙交〔2012〕125 号）文件要求，为防止 T 梁上拱度理论与实际不符，甚至出现过大上拱，我标段加强了桥梁预应力施工质量管理，具体采取了以下措施：
    1）台座设置反拱后，波纹管定位胎膜上的对应坐标也随之反拱，波纹管定位采用“井”字架，波纹管接头采用带有密封性能的塑料接头，并及时请监理工程师对 T 梁预制波纹管定位进行检查，符合要求后再进入下道工序，确保了波纹管定位位置符合设计要求且定位牢固。
    2）预应力张拉前做好了充分的准备工作，选择先进的智能张拉设备，并对张拉油表和千斤顶进行配套标定，根据标定证书得出张拉力与压力表的线性方程，结合设计张拉控制力计算出对应的油表读数后，输入电脑系统，并由桥梁专监进行复核检查；对预制 T 梁龄期进行检查，试压张拉 T 梁对应试块强度，在监理工程师的监督下到现场对张拉 T 梁强度采用回弹仪回弹，确保 T 梁张拉时的混凝土强度和龄期符合设计要求，防止张拉后发生上拱过大。试验检测方面对预应力所用钢绞线的力学性能、单位质量、截面积等指标进行了检测，合格后再投入使用；对锚夹具的外观、静载锚固性能、洛氏硬度等指标进行了检测，合格后再投入使用；并请锚夹具厂家人员对钢绞线的回缩值进行了检测，符合设计要求后再投入使用。
    3）T 梁张拉时采用事先输入电脑系统的程序自动控制张拉力、持荷稳压时间、记录伸长量，同时现场技术员和现场监理对张拉过程进行了全程旁站监督，严格按照设计要求的T 梁预应力张拉顺序和张拉程序进行，采用张拉应力和伸长值进行双控制，实际伸长值与理论伸长值的误差应控制在6%以内，实际伸长值应扣除钢束的非弹性变形影响。预应力张拉前做好了充分的准备工作，选择先进的智能张拉设备，并对张拉油表和千斤顶进行配套标定，根据标定证书得出张拉力与压力表的线性方程，结合设计张拉控制力计算出对应的油表读数后，输入电脑系统，张拉时采用事先输入电脑系统的程序自动控制张拉力、持荷稳压时间、记录伸长量，严格按照设计要求的预应力张拉顺序和张拉程序进行，并落实了张拉施工人员登记制度。
    4）T 梁张拉完成后，及时对钢绞线进行了切除、封锚后压浆。张拉与压浆的时间间隔均按照相关文件及规范要求控制在 48h 以内。
    （3）加强施工配合比和原材料管理，减小混凝土徐变变形我项目部尤其注重本标段预制 T 梁的混凝土质量，在理论配合比的选择及审批中，就已优先选择骨料含量较大的配合比。在施工中，为减小混凝土徐变变形，合理选择了高品质、高强快凝的 42.5 海螺硅酸盐水泥，同一座桥采用同一品种的水泥。粗骨料采用连续级配，碎石宜采用锤击式生产，碎石最大颗径不宜超过 20mm，以防混凝土浇筑困难或振捣不实，并根据现场集料的含水量，结合经批准的理论配合比及时调整施工配合比，确保混凝土坍落度控制在较小值140mm，同时加强了对碎石的压碎值检查，确保骨料刚度符合设计要求。严格控制预应力张拉时混凝土强度和龄期。通过以上措施有效确保了混凝土骨料含量、骨料刚度、较小的水灰比。因此能有效降低混凝土的徐变变形，对 T 梁上拱过大起到了有效的预防作用。
    （4）对施工班组进行技术交底，现场监督混凝土浇筑振捣质量
    为使本标段预制 T 梁混凝土外观质量和内在质量得到不断提升，项目部在预制 T 梁施工前对混凝土施工班组进行了技术交底，并确定了以高频附着式振捣为主、以插入式振捣为辅的浇筑施工方法。预制 T 梁施工开始后，在监理办的监督指导下，项目部又对混凝土浇筑施工人员进行了技术再交底，同时在施工中由项目部现场负责人对浇注过程进行全程指导、控制，确保班组人员各尽其责，各司其职。从而保证了混凝土浇注振捣密实、外观质量和强度。
    （5）及时对混凝土表面进行全洒水养护并延长混凝土养护时间
    混凝土的早期养护对保证混凝土的强度，提高弹性模量，控制混凝土的收缩变形都会起到促进作用，施工中应充分重视。施工中应防止出现内外过大的温差，避免较宽的翼缘在制作过程中开裂。拆模后应立即洒水养护，梁体表面应覆盖土工布布等，采用三喷头全自动喷淋系统以保持梁体湿润为宜，养护时间不应小于 14d。环境温度低于零度时，严禁洒水养护，以防混凝土冻裂。确保 T 梁混凝土养护及时、全面、充分。有效提高了混凝土早期强度，降低 T 梁预应力张拉后的上拱度。
    （6）合理选择原材料，提高混凝土早期强度和弹性模量项目部在原材料管理方面，结合以往施工经验和理论配合比，择优选择了早强快凝水泥、早强外加剂、高强度骨料，能明显提高混凝土的早期强度和弹性模量，使得混凝土在预应力张拉前的强度和弹性模量已达到 90%以上，张拉时上拱度得到了有效控制，张拉后变形得到明显减小。
    （7）加强 T 梁上拱度观测
    为预防本标段预制 T 梁上拱度过大，本标段自 2014 年10 月 3 日起，对达到 90d 龄期的梁板上拱度进行了观测，观测结果附后。随着工程进展，后续我标段会继续安排专人定期对梁板上拱度进行观测，对梁板存梁期间上拱度做到可靠把握，严格控制 T 梁的上拱度。
    （8）合理安排施工工期 
    梁体张拉完成后在预应力和自重的作用下产生上拱变形。存梁期间，梁体是没有道路铺装和动荷载等二期荷载的作用，处于应力释放的，同时由于混凝土徐变的性质，所以上拱变形将继续发展，存梁时间越长，则徐变系数越大，进而上拱值也将越大。又因整个上部结构横向连接的整体性能够有效控制各板上拱的发展，所以在施工实践中，应尽量缩短存梁期，早进行上部结的施工，及早架设预制混凝土梁。切忌把预制体长久搁置，否则将会产生较大的上拱变形，而且变形不容易控制。 
    因此，对施工工期的合理安排变得十分重要，一般是下部构造修筑和上部预应力梁体的预制同时进行。在下部构造完工时，立即进行预制梁体的安装并完成横向连接，多个梁体的横向整体连接会有效掏和减少上拱的发展，从而保证桥面标高满足设计要求，并保证使用质量。