后張法預制箱梁反拱技術探討

【摘要】以通橋（2016）2321A-Ⅱ預制有砟軌道后張法預應力混凝土箱梁為背景，介紹了與反拱相關的知識，討論了影響反拱的因素，提出了控制反拱的措施。技術人員系統學習預制箱梁的反拱技術有借鑒作用。

【關鍵詞】預制箱梁； 反拱； 控制標準； 原因分析； 控制措施

【中圖分類號】U448.21+3A

0 引言

為了提升承載能力，簡支箱梁會使用預應力。因為有了預應力的存在，所以在梁體張拉過程中及后期會出現上拱。高速鐵路后張法預應力混凝土簡支箱梁為全預應力混凝土梁，預應力筋重心偏下，由于梁體混凝土處于長期被壓縮狀態，所以梁體的上緣和下緣會出現不同程度的壓縮，并導致梁體出現徐變上拱。高速鐵路要求運營狀態下的梁體橋面系保持平順，所以會采用預先設置反拱的方式來減小或抵消梁體上拱。本文以通橋（2016）2321A-Ⅱ為例進行說明。

1 相關概念及控制標準

1.1 通橋（2016）2321A-Ⅱ

圖紙為預制有砟軌道后張法預應力混凝土雙線簡支箱梁，梁體截面類型為單箱單室等高度，梁寬12.6 m，梁高3.11 m，梁長32.6 m，計算跨度31.5 m，設計最高運行速度350 km/h。圖紙按照不同的二期恒載將每種梁型劃分為4類：直線無聲屏障、直線有聲屏障、曲線無聲屏障、曲線有聲屏障。本文以直線無聲屏障進行說明。

1.2 上拱修正系數

上拱修正系數=理論支距計算上拱/非理論支距實測上拱。上拱值測量方法：分別用水準儀測量在梁體底板底面的梁端支座預埋板、跨中的高程，跨中和梁端的高差即為上拱值。

存梁支點剛好位于支座預埋板下，此情況為理論支距存梁。考慮到檢測支座預埋板空響和測量支座預埋板的橫向間距、縱向間距的需要，會將存梁支點往跨中平移一段距離，此情況為非理論支距存梁。

現有技術下，均采用為非理論支距進行存梁。彈性上拱、終張拉30天上拱均在存梁臺座上完成。所以，需要把設計、規范給定的理論支距上拱換算為非理論支距存梁上拱。殘余徐變上拱在鐵路線路的墩臺上完成，不需要換算。

上拱修正系數的測量計算方法：測量同一榀箱梁在理論支距下（靜載試驗臺座）和非理論支距下（一般存梁臺座）的上拱，并將兩者相除。經過試驗，箱梁的理論支距上拱為6.0 mm，非理論支距上拱為6.5 mm，可得出上拱修正系數：6.0/6.5=0.92。

1.3 彈性上拱

梁體在終張拉前后出現的拱度變化，即為彈性上拱。

圖紙規定設計計算的彈性上拱值為11.07 mm。GB/T 37439-2019《高速鐵路預制后張法預應力混凝土簡支梁》規定：預制梁終張拉完成時應實測梁體彈性上拱，終張拉前、后在理論支距下的實測上拱不宜大于1.10倍設計計算值。則，在非理論支距下的彈性上拱值不宜大于11.07×1.10×0.92=11.20 mm。

1.4 殘余徐變上拱

梁體在終張拉以后出現的上拱，為殘余徐變上拱。

圖紙規定殘余徐變拱度為5.1 mm（按照預加應力后60天施加二期恒載進行計算）。則，在非理論支距下的殘余徐變上拱不宜大于：5.1×0.92=4.69 mm。

據研究，殘余徐變上拱的持續時間為2～3年，往后趨于穩定；在終張拉后6個月內增長速度快，上拱達到75%。殘余徐變上拱是三個上拱（彈性上拱、殘余徐變上拱、終張拉后30天上拱）中最不好控制的。一般情況下，為了增加或加快混凝土的強度和彈性模量，會增加水泥用量，但增加水泥用量就會增加水用量，進而導致梁體后期的壓縮變大、殘余徐變增加。梁體過大的壓縮，甚至會影響梁體內的有效預應力。

1.5 反拱

梁體在預應力的作用下會產生上拱，為了保證線路在運行狀態下的平順性，梁體應預設反拱，即使用反拱來減小或抵消上拱。

圖紙給出的反拱值為15.8 mm。反拱值計算公式：y=ax2+c。在預制箱梁的底模板上，支座及支座到模板邊緣之間的距離不設反拱；模板中間位置的模板拼縫處，在制梁臺座和模板之間設置不同厚度的鋼墊片以形成反拱。在模板跨中位置設置坐標系，將（0，-15.8）、（15750，0）代入計算公式，可得到y=0.00000006369x2-15.8。

1.6 總上拱與最終拱度

總上拱=彈性上拱+殘余徐變上拱=11.20+4.69=15.89 mm。

TB 10621-2014《高速鐵路設計規范》規定：軌道鋪設完成后，有砟軌道橋面梁體的豎向殘余徐變變形不應大于20 mm。

最終拱度=總上拱-反拱=15.89-15.8=0.09 mm＜20 mm，符合要求（圖1）。

試驗總結，同一梁型在不同二期恒載下：二期恒載越大，彈性上拱越大，殘余徐變上拱越小，需要設置的反拱越大。

1.7 終張拉后30天上拱

梁體在終張拉后30天的拱度變化，即為終張拉后30天上拱。

GB/T 37439-2019《高速鐵路預制后張法預應力混凝土簡支梁》規定：箱梁的終張拉后30天上拱不大于L/3000。則，非理論支距的終張拉后30天上拱不大于：31500/3000×0.92=9.66 mm。

終張拉后30天上拱為梁體在存梁過程中的拱度變化，作為梁體在出廠前檢驗梁體拱度是否合格之用。從施工工序的角度理解，梁體在終張拉后第1天壓漿，第2天封錨，而梁體出廠前需要檢驗封錨混凝土28天強度，所以規范規定了需要在梁體終張拉后第30天檢驗梁體上拱。

1.8 下撓

梁體因自身重量和外部荷載（施工荷載、二期恒載、運營荷載等）而產生的向下彎曲。

1.9 壓縮量

梁體在混凝土干燥收縮及預應力作用下使梁體發生壓縮的長度，即為壓縮量。

壓縮量與殘余徐變上拱相輔相成，總體而言，壓縮量和總上拱值成正比關系。梁體發生壓縮的原因：一是混凝土干燥收縮，二是預應力對梁體施加壓力。梁體為偏心受壓，預應力筋重心偏下，下緣的壓應力最大，往上逐漸減小。梁體在長期的干縮和壓力作用下出現不同程度的壓縮，下緣壓縮大，上緣壓縮小。

圖紙給出的理論壓縮量為：下緣15.6 mm，上緣5.8 mm，這就要求梁體在預制時，需要將端模板設置為傾斜狀，下緣往外15.6 mm，上緣往外5.8 mm。在施工過程中需要根據統計數據對壓縮量進行動態調整（調整原則：梁長誤差不超過±20 mm）。

2 原因分析和控制措施

2.1 混凝土彈性模量

終張拉應在梁體混凝土強度及彈性模量達到設計值后、齡期不少于10天時進行。一般而言，混凝土的強度容易達到要求，但彈性模量不容易。在施工現場，為了搶施工進度，往往會在強度、齡期達到設計要求但彈性模量未達到（或接近）設計要求時進行終張拉。如此，因為混凝土剛度不足，會造成梁體上拱偏大、壓縮量偏大。影響混凝土彈性模量的主要因素有：碎石強度不足，砂的含泥量超標，混凝土級配不合理，混凝土養護不到位。

2.2 預應力

梁體受到的預應力大小，會直接影響梁體上拱和壓縮量的大小。預應力張拉需要采用雙控措施，即預應力值以油壓表讀數為準，以預應力筋伸長值進行校核。要對油壓表、千斤頂定期進行校準。要按照實測的鋼絞線彈性模量計算鋼絞線的理論伸長值。控制鋼絞線實際伸長值和理論伸長值的誤差不超過±6%。

2.3 預應力損失

因為預應力管道偏差、預應力管道摩阻、錨墊板喇叭口摩阻、夾片回縮的存在，千斤頂輸出的力不能完全轉化為有效預應力。因此，在計算張拉力時需要考慮預應力管道偏差系數、預應力管道摩阻系數、錨墊板喇叭口摩阻系數。以上3個系數可通過摩阻試驗測出。在張拉時，控制夾片回縮量不大于6 mm。要嚴格控制壓漿、封錨、梁端防水的施工質量，否則易造成預應力筋銹蝕，甚至預應力損失。

2.4 梁體整體剛度

梁體整體剛度決定了梁體的上拱大小。

梁體整體剛度由以下因素決定：混凝土彈性模量、預應力張拉力、混凝土結構尺寸、鋼筋。前文已對前2項因素進行了詳細描述，不再贅述。需要強調的是，要嚴格控制梁端和跨中位置的混凝土結構尺寸和鋼筋，因為梁端為預應力筋錨固處，壓應力大，受力復雜；跨中的拱度變化大，對剛度要求高。

2.5 反拱

反拱是用來減小或抵消梁體上拱的，其大小至關重要。

在預制箱梁模板的底板、側板和頂板上均要設置反拱，其大小相同。在梁體混凝土澆筑時，需要按照反拱來施工梁體的頂板頂面混凝土。需要說明的是，圖紙給出的反拱值僅作為理論參考，在生產過程中需要根據實際情況進行動態調整（調整原則：保證線路在運行下為平順狀態）。梁場在首次設置反拱時，可以按照圖紙給的理論反拱值以及經驗值進行設置，在梁的生產規模達到一定數量后（不超過10榀），根據實測統計數據對理論反拱值進行調整。

2.6 存梁時間

過長或過短的存梁時間都會影響梁體的上拱。

存梁時間過長，會造成殘余徐變變大，總上拱變大，最終拱度變大。若想使橋面平順，則需要減小跨中位置的鋪裝層厚度或整體加厚鋪裝層厚度。因為殘余徐變拱度值是按預加應力后60天計算的，反拱的大小和此有直接關聯，若存梁時間過短，則殘余徐變上拱不足，在施工橋面鋪裝時，就需要加厚鋪裝層。相鄰跨的梁的生產日期應接近，避免因存梁時間偏差過大而導致上拱度相差過大。

2.7 張拉時間

張拉時間不應早，也不宜過遲。

若張拉時間早，且混凝土的強度、彈性模量小于設計及規范要求，就會導致梁體的上拱偏大。若張拉時間過遲，則不僅會導致已穿入梁體的鋼絞線出現銹蝕，進而影響預應力，還會因為長期占用臺座而影響制梁進度。

2.8 沉降觀測

梁體在初張拉完成以前放置于制梁臺座，反拱設置在制梁臺座上。梁體在初張拉后～架梁前放置于存梁臺座，彈性上拱、終張拉后30天上拱、部分殘余徐變上拱在存梁臺座上完成。因為制梁臺座、存梁臺座和梁體的反拱和上拱有著直接聯系，所以需要對其沉降情況進行觀測（表1、表2）。

觀測期間，若沉降大，則加密觀測頻次。若連續3個觀測期的累計沉降量不大于2 mm，則判定該制梁臺座、存梁臺座已穩定，后續按照每月觀測1次即可。

2.9 殘余徐變觀測

在梁體的頂板頂面的梁端和跨中設置觀測標，以測量梁體的殘余徐變。

當梁體的原材料變化不大、工藝穩定、批量生產時，觀測前3孔梁體，驗證反拱設置的準確度；當驗證達到設計要求后，可每100孔中選擇1孔進行觀測；當實測彈性上拱大于設計值時，逐孔觀測未觀測的梁（表3）。

2.10 質量控制

預制箱梁需要在生產過程中檢驗彈性上拱等指標，出廠前檢驗終張拉后30天上拱、梁長等指標，若不滿足，則需要對反拱、模板預留壓縮量進行調整；若經過多次調整后還是不滿足要求，則需要對制梁所用的原材料、制梁工藝、保證措施等進行分析、調整。

3 結束語

制造后張法預制箱梁是一項復雜而系統的工程。技術人員雖然能通過圖紙和規范知道預制箱梁的控制要點，但對于反拱而言，部分技術人員未掌握其關鍵控制點及深層次原因。本文詳細介紹了與反拱有關的知識點，并對反拱、上拱偏差的原因進行了分析，給出了控制措施，這有助于技術人員系統掌握預制箱梁的制造流程及關鍵控制點。

參考文獻

［1］ 通橋（2016）2321A-Ⅱ預制有砟軌道后張法預應力混凝土箱梁［S］.

［2］ 高速鐵路預制后張法預應力混凝土簡支梁： GB/T 37439-2019［S］.

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［4］ 沈明.預制箱梁反預拱度計算及施工中的控制與應用［J］.工程建設與技術，2019（23）：235-237.