25m小箱梁反拱度的控制措施

張義 唐發明

25m小箱梁反拱度的控制措施

張義 唐發明

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 四川成都 610031）

預制小箱梁由于預應力鋼束等因素的作用，梁體會產生向上的反拱值，如果反拱值過大，不僅會影響到橋梁結構的使用壽命，還會影響到行車舒適性和行車安全。本文對25m跨度小箱梁分析反拱度產生的原因和其影響因素進行分析，分別從設計和施工方面，提出對25m小箱梁反拱值的控制措施，以供實際工程參考。

小箱梁；反拱度；預應力度；預拱度

1 前言

預制預應力混凝土小箱梁結構簡單，施工方便且易保證施工質量，因此在常規橋梁和高速公路橋梁中被廣泛采用。然而在近些年的實際工程中，這種結構形式的橋梁普遍存在上拱度過大的現象，使得梁體安裝完成后裸梁的實際標高會高出設計標高不少，從而導致橋面鋪裝層達不到設計要求的厚度，施工就必須采取各種應對的措施，甚至進行調坡處理，而這又可能影響上部結構的恒載發生變化，最終導致橋梁的使用壽命縮短的嚴重后果。

現目前國內對于這種小跨度的預制小箱梁的成橋線形的控制還未引起足夠的重視，根據現有的理論分析和實踐證明，導致預制小箱梁上拱的主要因素為預應力和混凝土的徐變。當預制小箱梁在預制場制作完成后，會有一個存梁期，而這個存梁期會給反拱值帶來不確定性的影響因素。

為了消除反拱度的不利影響，在實際工程中往往會設置負的預拱度，而預拱度的設置在施工過程中存在很多的不確定的因素，所以要想將反拱度的不利影響降到更低，更重要的是如何將反拱度控制在一個合理的范圍內。

2 算例分析

2.1 工程概況

本文的論述是以某高速路上的一個先簡支后橋面連續梁橋為實例，該橋的平面位于直線上，孔跨布置為3×25m。

半幅橋寬16.4m，梁高1.4m，根據簡支小箱梁的力學特點，取一片中梁分析小箱梁的反拱度即可滿足要求。

主梁采用C50混凝土，鋼絞線為低松弛高強度預應力鋼絞線，單根鋼絞線直徑d=15.2mm，鋼絞線面積A=140mm2，強度標準值fpk=1860MPa，彈性模量 Ep=1.95×105MPa。

梁體主要信息如圖1～2所示。

2.2 計算模型

對小箱梁采用midas civil 2013和midas FEA 3.6.0進行對比分析，分別建立桿系模型和實體模型，如圖3～4。

圖1 小箱標準斷面圖（單位：cm）

圖2 小箱梁預應力鋼束布置圖（單位：cm）

圖3 midas civil桿系模型

2.3 計算工況

圖4 midas FEA實體模型

根據理論分析小箱梁上拱的主要因素為預應力和混凝土的徐變，而這些因素可以歸納為如下具體因素：混凝土的彈性模量E、結構的截面慣性矩I、預應力所產生彎矩M、混凝土隨時間的變化的力學性能。

根據以上特點，本計算考慮如下三種工況：

工況一：混凝土彈性模量按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》采用：Ec=3.45×104MPa，考慮收縮徐變。

工況二：混凝土彈模參考采用美國混凝土結構建筑規范，公式如下：

強勢發展函數如下：

式中：a、b-水泥種類常數；fck（28）-混凝土28d齡期抗壓強度。

彈性模量的計算公式如下：

式中：Wc-鋼筋混凝土容重，單位為kg/m3。

工況三：混凝土彈模參考采用美國混凝土結構建筑規范，同工況二，鋼束張拉時混凝土齡期為5d。

2.4 梁體在使用階段應力和承載能力計算分析結果

2.4.1 midas FEA計算結果

表1 midas FEA反拱值計算結果表格

計算結果表明：①在荷載工況方面：工況二的上拱值要大于工況一的上拱值，在工況二下，混凝土的EI值是隨時間增大的，而工況一是不變的，即前28d的剛度值關系為：E2I2（隨時間增大）＜E1I1，計算結果與實際相符；工況三的上拱值要大于工況二的上拱值，說明預應力鋼束越早張拉，上拱值就越高。②在存梁時間方面：預制小箱梁的反拱度隨著存梁時間的增加而增大。

2.4.2 midas civil計算結果

表2 midas civil反拱值計算結果表格

從上面的midas civil計算結果可以得出，該規律的趨勢與midas FEA計算結果相同，當采用彈模不變化時計算上拱值時偏小，混凝土越早張拉，上拱值就越大。

2.4.3 midas FEA與midas civil計算結果對比分析

midas FEA的上拱值要比midas Civil的上拱值小10mm左右，分析其產生上拱值的主要因素分為三部分：恒載、預應力和徐變（由于收縮等其他因素產生撓度非常小，故可忽略不計）。

表3 Midas FEA與Midas Civil計算的單項荷載反拱值（mm）

計算結果可以得出，兩種軟件在恒載和預應力作用下產生的上拱值幾乎是一樣的，所以，引起上拱值差異的原因在于混凝土徐變的影響。

midas Civil計算徐變系數只考慮了28d的立方體抗壓強度標準值，而midas FEA徐變系數計算考慮彈模隨時間的變化，也就是說抗壓強度隨時間變化后的徐變系數，考慮更為嚴謹，所以midas FEA進行實體分析的計算結果要更為準確。

3 控制反拱度的措施

從本文的實例分析可以看出，理論分析、實際計算和實際施工中反饋的情況對反拱度的影響因素是相符的。因此筆者主要從預應力度和混凝土徐變兩個方面來論述反拱度的控制措施。

該類小跨度的預制梁，最合理的設計方案是設計成部分A類預應力混凝土構件，混合配筋充分利用普通鋼筋的思路，可以適當的減少預應力鋼束的用量，合理的提高普通鋼筋的配筋率。這樣既能降低預應力度，又能降低梁體的反拱度，且也能有效的保證結構的耐久性、抗裂性以及承載能力的要求。

混凝土徐變影響的因素很多，如混凝土的級配、混凝土的養生、環境的溫度濕度、預應力度以及混凝土的齡期。這些關系錯綜復雜，若是逐一考慮，不但設計很難達到，施工也難以實行。根據相關研究，環境濕度對混凝土的徐變增長有很重要的影響，隨著相對濕度的增大，梁體的反拱度則會明顯下降。所以施工單位在制作梁體和養護時，環境濕度盡可能的加大從而有利于梁體反拱度的控制。另外，需對施工的原材料嚴格控制，水泥需采用高品質的硅酸鹽水泥，同一座橋應采用同一種水泥，澆筑質量應嚴格控制。

4 結論

（1）對于后張法預應力梁板，直接在臺座上設置反拱，結合適當降低墩臺合帽標高，是較理想的方法，具體是在臺座上設置下凹反拱曲線，使張拉后箱梁上下緣處于水平狀態，從而保證橋面標高和鋪裝層厚度。

（2）施工時考慮影響混凝土徐變的因素：內在因素、環境影響、應力條件。混凝土的配合比組成是內在因素。骨料的彈性模量越大、骨料的體積比越大，徐變就越小。水灰比越小，徐變也越小。養護及使用條件下的溫度是環境因素。受荷前養護溫度越高，水泥水化作用越充分，徐變就越小。

[1]《公路橋涵通用設計規范》（JTG D60－2015）[S].

[2]《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62－2004）[S].

[3]《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范（征求意見稿）》（JTG D62-20xx）[S].

[4]《美國混凝土結構建筑規范》（ACI318M-05）[S].

[5]《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）[S].

U445.4

A

1004-7344（2016）33-0192-02

2016-11-12

張 義（1975-），男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，本科，主要從事交通設計工作。