先簡支后連續預制箱梁預拱度控制技術

摘 要:介紹先簡支后連續結構體系以及預制箱梁的特點，對預制箱梁反拱度的設置方法進行研究。同時，針對箱梁施工中實際施工時起拱度與設計預期拱度存在較大誤差的現象，進行原因分析，進而為同類工程提供良好借鑒。

關鍵詞:預制箱梁;先簡支后連續;預拱度

中圖分類號:U4 文獻標志碼:A文章編號:16717953(2009)04006904

The Pre-camber Control Technique of Simple-supported Box Giuler

CHEN Shun

(The headquarters of inter-county and rural renovation project of Hainan Province ， Haikou 570102，China)

Abstract: Introduced after the first row of simply supported precast box girder structure as well as the characteristics of precast box girder camber settings of the anti-method research. At the same time， the actual construction for the box construction and design of Pre-camber expected degrees camber error there is a big phenomenon， in turn， thus providing a good draw on similar projects.

Key words: box giuler;simple-supported;pre-camber

近年來，隨著世界各國技術、經濟以及交通建設的發展，出現了大批長橋，如高架道路、跨越海灣和湖泊的橋梁等，有的橋梁總長達到數十公里。這些橋梁一般對跨徑并沒有特殊的要求，從經濟性考慮則多選用中、小跨徑橋，而一些大橋的引橋也常常采用中小跨徑橋。為了適應中等跨徑長橋建設的需要，出現了全跨徑長度的梁或板的預制構件，形成了將整跨梁或板架設于支座就位后“拼裝”成連續梁的逐孔施工方法，此時“拼裝”的含義也發生了變化。這種整跨梁預制、架設就位后，再綁扎焊接梁板之間的連接鋼筋，在墩頂部位和梁板間的橫隔板和翼緣板處通過通過現澆濕接縫硅、待混凝土強度達到規定值后張拉預應力實現結構連續的施工方法，即是我們常說的“先簡支后連續施工”方法。為了與常規的施工方法形成的連續梁結構體系區分開來，我們把這種施工方法形成的結構體系稱為“先簡支后連續結構體系”。這種方法得到了國內外橋梁工作者的歡迎，迅速推廣。

1 先簡支后連續預制結構特點

先簡支后連續結構體系具有以下顯著的特點:

1)由于采用預制構件，因而可以在預制廠內批量生產，這樣則便于統一。生產管理并嚴格控制預制構件的尺寸。采用標準構件時更有利于技術操作、提高預制速度、節省模板費用。

2)由于在下部結構施工的同時便可進行上部構件的預制，因而節省了施工時間，加快了施工速度，有利于提高經濟效益。

3)整片梁的吊裝就位需要吊裝運輸和架梁設備，簡支梁的預應力筋張拉可在工廠進行，而負彎矩的布置或張拉可在梁上或掛籃上進行，因而減少了施工設備，又可避免造成地面障礙，在擁擠的市區或風景區以及城市立交橋等一些要求施工中不能中斷交通的工程中特別適用。

4)避免采用大量的腳手架，可保護環境，節省費用。

5)同其它方法施工的連續梁一樣，這種方法施工形成的連續梁同樣具有剛度大、伸縮縫少、變形小的優點，可提高車速，使行車舒適。

6)由于是在工廠預制，從首期預應力的張拉至澆筑接縫、后連續預應力的張拉時己有相當的齡期，因而減少了混凝土的收縮、徐變對結構體系的影響，而簡支梁的預應力筋對結構不產生次力矩，可使結構設計簡便。

7)基礎沉降對結構的影響小。由于這種結構體系是梁的恒載按簡支梁傳力，而僅僅是活載和二期恒載(橋面鋪裝、欄桿、安全帶)是按連續梁結構傳力，因而結構的受力性能優越，適合于軟土上的建設。由于這種結構體系的橋梁具有上述優點，所以在高速公路橋梁建設中具有明顯的優勢。鄭石高速公路全線就有近十座大橋都是采用此方法施工的。在交通運輸工程事業蓬勃發展的今天，推廣此方法必將收到良好的經濟和社會效益。

發展概況:

2 預制箱梁特點

2.1 優點

而箱形截面具有1)截面抗扭剛度大，結構在施工與使用過程中都具有良好的穩定性;2)頂板和底板都具有較大的混凝土面積，能有效的抵抗正負彎矩，并能滿足配筋的要求，適用于產生正負彎矩的結構;3)適合于現代化施工方法的要求，如懸臂施工法、頂推法等，這些施工方法均要求截面必須具備較厚的底板;4)承重結構與傳力結構相結合，使各部件共同受力，同時截面效率高，適合于預應力混凝土結構空間布束，能收到良好的經濟效果;5)對于寬橋，由于抗扭剛度大，即使跨中不設置橫隔板亦能獲得較好的傳力效果;6)適合于修建曲線橋，具有較大適應性;7)能很好適應布置管線等公共設施等優點^[1]。因而，箱形截面形式在現代各種橋梁中均得到廣泛應用。

2.2 缺點

隨著箱梁結構的廣泛使用，箱梁的結構的一些缺點也逐漸暴露出來，其中最為普遍的是箱梁在使用過程中腹板出現大約45度不同程度的斜裂縫和頂板、底板出現的縱向裂縫。裂縫對橋梁性能的影響是多方面的，一是對橋梁使用性能的影響，開裂使橋梁剛度降低變形增大，跨中撓度超標，繼而影響其正常使用，嚴重的開裂問題導致橋梁承載力下降，影響橋梁的安全性能。二是對橋梁的耐久性及使用壽命的影響，裂縫會加速混凝土的碳化和鋼筋的銹蝕，鋼筋銹蝕又加速了裂縫的進一步擴展，造成橋梁使用性能趨于惡化，降低橋梁的使用壽命。因而，近年來，對預應力混凝土箱形梁橋開裂問題的研究越來越引起橋梁工程師的重視。

預應力混凝土箱形梁橋可采用整體現澆、預制拼裝、懸臂澆筑等施工方法。而對于橋梁建設中仍主要以中小跨徑橋梁為主的特點，整體現澆箱梁具有整體性好、剛度大，易于做成復雜形狀等優點，因而被廣泛應用于跨線橋、立交橋、曲線橋以及大跨徑連續梁橋、斜拉橋、懸索橋等引橋工程^[2]。基于現澆箱梁結構的應用現狀，并結合前述的預應力混凝土箱形梁易出現的問題，從現澆箱梁施工工藝角度探討控制預應力混凝土箱梁開裂等多項病害的防治對策就顯得極其重要。

3 箱梁反預拱度設置問題

在中小跨徑預應力簡支型梁的施工中，在施加預應力后，梁體會有一定的線形變化即出現拱度，隨著混凝土的收縮以及使用過程中施工的活載等因素使梁體的彎矩增大，同時梁體有向下的變形位移，為保證橋型的順暢必須控制好橋梁的施工拱度進而保證架設后和運營中的起拱度，但在國內許多設計中少見有圖紙給出起拱的設計值的情形，橋面標高設計取值時也未予以考慮。施工承包人對起拱也普遍普遍缺乏統一認識，也無相應的控制措施，因為拱度牽涉到施工過程的方方面面:預應力筋的定位、張拉時的應力控制、混凝土材料的質量、混凝土的拌制和振搗、天氣等等因素，也導致預制梁體在安裝后上下面參差不齊，在因起拱值過大而無法保證橋面鋪裝厚度和鋪裝鋼筋的安放時，只得調整路線縱斷面，這方面的教訓國內外都比較多，因此造成施工進度滯緩、恒載增加、質量下降的現實，為了避免起拱度帶來的諸多麻煩，需要一種能滿足工程實際的計算方法，分析施工過程中的哪些因素對梁體的拱度造成影響，采取相應的措施去避免這些大的誤差，以保證理論計算值與現場實際相符合，從而達到橋梁的安全美觀。

預應力混凝土受彎構件的撓度是由荷載產生的下撓度和偏心預加力引起的起拱度(又稱上撓度)兩部分組成。給定恒載，不難算出預應力施加完畢后的起拱值。但這只是起拱值的一部分。起拱度因受混凝土徐變的影響隨時間的增長而增大。徐變變形與許多因素有關，如混凝土在長期荷載作用下產生的應力大小、加荷時混凝土的齡期、混凝土的組成成分的品質和配合比、結構形狀尺寸以及養護和使用條件下的溫度與濕度等。

考慮到混凝土徐變產生的原因較為復雜，目前的解釋也不盡相同，而且在給定環境下工作的橋梁結構，影響混凝上徐變的各項因素不易確定，鑒于所有這些變化的原因，精確確定徐變的大小并不容易，往往是利用建立在試驗資料基礎上的經驗公式而求得。因此，混凝土徐變引起的起拱f也是粗略解，缺乏有力的理論公式。

此外，由于施工實際情況與理論計算假定存在的必然誤差，也往往出現預應力張拉后的起拱與設置的預拱值存在一定誤差的情況。起拱度涉及到荷載與自重，預應力大小及預應力筋輪廓線的線型，截面尺寸和跨度，混凝土的彈性模量、收縮和徐變，預應力鋼材的性能以及構件的端部約束等多項因素。它的精確確定需要大量的實踐、試驗以及理論分析。因此，為了保證結構最終線形達到設計理想線形，就必須通過對施工過程中的相關因素進行逐項分析，找出導致誤差的主要因素。

先簡支后連續預制箱梁結構體系的橋梁具有諸多優點，在高速公路橋梁建設中具有良好的經濟和社會效益，應用逐漸較廣。然而，由于施工實際情況與理論計算假定存在的必然誤差，在使用過程中往往出現預應力張拉后的實際起拱值與理論值存在一定誤差的情況。有必要對施工過程中的相關因素進行逐項分析，找出導致誤差的主要因素。

4 預拱度及反預拱度設置理論和規范規定

梁的預拱度設置主要是謀求橋梁建成后有一個平順行車的條件。《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》04規范中對鋼筋混凝土橋梁的預拱度作出了明確規定。設置原則為:當由結構自重和靜活載產生的撓度超過L/1600時，應設置值為結構自重和半個活荷載(不計沖擊力)撓度的預拱度。這樣，橋梁建成后梁的跨中可維持半個活荷載撓度的上拱度。

04規范則對預應力受彎構件的預拱度作了相應規定，設置原則為:1)當預應力產生的長期反拱值大于按荷載短期效應組合計算的長期撓度時，可不設預拱度;2)當預應力產生的長期反拱值小于按荷載短期效應組合計算的長期撓度時，應按該項荷載的撓度值與預應力的長期反拱值之差設置預拱度。

對于自重較小的預應力混凝土梁橋，應考慮預應力反拱過大可能造成的不利影響，必要時采取反預拱或在設計和施工上的措施，保證橋梁在正常使用程橋面的平整性，避免橋面隆起甚至開裂破壞。

對于先簡支后連續結構體系而言，在施工和使用過程中主要包含以下變形:

1)預制箱梁階段，結構為一預應力混凝土簡支梁，預應力反拱(f1)大于自重產生的下撓(f2);

2)存梁階段，在初始彈性變形的基礎上，徐變作用使上拱繼續增長，同時，混凝土收縮徐變也使預應力的損失增大，計算中必須考慮其相互耦合影響;

3)體系轉換階段，由簡支體系變為連續體系時將產生附加變形(f3);

4)成橋狀態，在二期鋪裝荷載作用下出現連續體系特征的變形(f4);

5)使用階段，汽車、人群等活載作用下的下撓(f5)，需按規范中短期效應組合系數進行折減)，同時考慮后期的收縮徐變等引起的撓度長期增長。

根據規范規定，預拱度應按設置預應力的長期反拱值與荷載短期效應組合計算的長期撓度之差。對于預應力效應引起的豎向撓度，在整個施工過程中主要包括兩部分:預制箱梁簡支體系下的起拱以及體系轉換時頂板合龍束產生的附加變形。荷載短期效應組合計算撓度包括:結構簡支體系下的自重、體系轉換后的附加變形、二期恒載的變形、汽車等活載作用下的變形。最終預制箱梁的反預拱度值應按下式進行設置:

Δ=(f1-f2)×[1+φ(t，τ)]ηθ1+(f3-f4-f5)ηθ2

式中:φ(t，τ)——預制箱梁預應力束張拉完畢時的徐變系數

ηθ1——預制箱梁前期變形的長期增長系數

ηθ2——體系轉換后的撓度長期增長系數

5 基于施工過程的預拱度偏差分析

5.1 預拱度不足要因分析

結合預制箱梁的施工全過程中涉及到的各項因素，以下幾方面是影響預制箱梁起拱不足的關鍵因素:1)張拉時梁體混凝土強度;2)鋼鉸線張拉預應力大小;3)制梁臺座摩阻力大小;4)預應力管道設置位置及波紋管與鋼鉸線間摩阻力大小;5)拱度的變形滯后現象;6)箱梁混凝土澆筑時底板超厚也會造成起拱值達不到設計值。

5.1.1 張拉時梁體混凝土強度

張拉時梁體強度偏大，構件剛度較大，導致預制梁的起拱偏小要因:

5.1.2 鋼鉸線張拉預應力大小

鋼絞線實際張拉力小了必然導致梁體起拱度偏小。

對策:張拉前對錨具和鋼絞線進行校驗，對千斤頂和配套油泵進行全面校定。張拉時混凝土強度和彈性模量應符合設計要求，設計未規定時，不應低于設計強度等級值的75%。張拉按照設計規定的程序采取雙控的方式，以鋼絞線的伸長值進行校核，實測伸長值與理論伸長值差控制在+6%以內。

5.1.3 制梁臺座摩阻力大小

臺座摩阻力過大導致拱度偏小。

5.1.4 預應力管道設置位置及波紋管與鋼鉸線間摩阻力大小

管道位置不正確或達不到設計和施工規范要求時導致管道本身線型不暢順、管道彎折處存在急彎變現象時或波紋管自身管壁阻力大時將導致預應力筋的有效應力減小，從而導致拱度值降低。

5.1.5 拱度的變形滯后現象

因張拉力通過壓漿體傳遞預應力到箱梁混凝土的時間差，導致應力滯后，影響時間持續長。箱梁混凝土存在收縮徐變現象，后期拱度增大。

5.2 預拱度過大要因分析

1)因考慮到總工期的需要，箱梁預制到安裝就位施工時間較長，超過了設計的3個月時間，箱梁的后期起拱值增大。

2)部分箱梁在冬季預制采用蒸氣養生工藝，對混凝土的早期強度、彈性模量具有影響，也直接影響到起拱值的變化。

3)箱梁幾何尺寸不正確，原因是箱梁底板、側板混凝土施工過程中產生浮力和水平力，致使芯模產生上浮和左右偏移，影響了構件截面幾何尺寸的準確性。

6 結束語

箱梁預拱度控制是個很復雜的過程，涉及到方方面面，從操作人員的素質到當地原材料以及當地的氣候等等因素，特別是牽涉拱度的兩個關鍵材料混凝土和預施力筋是隨時間和外界環境因素而變化較大;混凝土的彈性模量隨應力階段而異，并隨混凝土的齡期而變化;同時混凝土的收縮、徐變和松弛等對拱度和預施應力均有影響;預應力鋼筋隨著時間的變化要發生應力松弛損失。

從施工技術角度出發，后張法箱梁預制已有成熟的工藝，不存在技術難題。而在競爭日益激烈的建筑領域，不斷創新、優化施工工藝，嚴格按照規范操作，保質保量才是控制箱梁預拱度效果的關鍵所在。

參考文獻

[1] 霍偉松.組合箱梁預制、安裝過程中的標高控制要點[J].交通世界，2008(9).

[2] 邊耀旭.淺談30米后張法箱梁預制現場質量控制[J].甘肅科技，2008(8).