蒸汽養(yǎng)生下預(yù)制箱梁預(yù)應(yīng)力張拉控制條件研究

吳慶雄，陳榮剛，楊益?zhèn)?/p>

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108； 2.福建高速至信建設(shè)管理有限公司， 福建 福州 350000；3.京臺(tái)高速(平潭)跨海大橋有限公司， 福建 福州 350000)

預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制小箱梁受力性能好，施工效率高，質(zhì)量易于保障，且有利于文明施工和環(huán)境保護(hù)，在現(xiàn)今公路或鐵路橋梁工程中的應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，橋梁快速施工將成為新的發(fā)展趨勢(shì)，這就要求預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件盡可能縮短預(yù)制周期，提高效率。

目前，工程界主要通過摻入早強(qiáng)外加劑來提高混凝土初期強(qiáng)度，7 d可達(dá)到設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度等級(jí)的80%，但因水泥石中晶體含量較多而凝膠含量較少，混凝土彈性模量的提高速率遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度[3]，7 d彈性模量指標(biāo)并不能滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[4](JTG/T F50—2011)規(guī)定預(yù)應(yīng)力張拉要求。同時(shí)，傳統(tǒng)小箱梁預(yù)制施工是在固定底座上采用“施工區(qū)域固定、施工工序循環(huán)”的預(yù)制模式，即在固定底座上綁扎鋼筋、架設(shè)模板、澆筑混凝土、拆除模板、張拉預(yù)應(yīng)力等一系列工序，這意味著7 d內(nèi)不能完成梁體預(yù)制，使得臺(tái)座周轉(zhuǎn)效率較低，不利于工廠化大規(guī)模梁體預(yù)制生產(chǎn)。

1928年Freyssinet將預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)引入實(shí)際應(yīng)用[5]，呂志濤等[6]通過理論研究發(fā)展了現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)體系。Kim等[7]、李增鋒等[8]和高杰等[9]采用試驗(yàn)和有限元相結(jié)合的方法，研究了預(yù)應(yīng)力損失、張拉方式對(duì)混凝土梁的承載能力、剛度、變形和撓度性能的影響。彭波[10]通過蒸養(yǎng)制度參數(shù)研究，提出了蒸養(yǎng)制度對(duì)高強(qiáng)混凝土適應(yīng)評(píng)價(jià)方法。朱瑤宏等[11]和楊昆[12]通過試驗(yàn)研究了蒸汽養(yǎng)生對(duì)混凝土物理力學(xué)性能的影響。韓建民[13]和楊樹坡等[14]結(jié)合工程實(shí)踐，驗(yàn)證了采用蒸汽養(yǎng)生措施可以有效地保證箱梁混凝土抗壓強(qiáng)度。

本文依托國(guó)家高速公路網(wǎng)京臺(tái)線平潭某標(biāo)預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁工程，利用蒸汽養(yǎng)生使得混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量快速增長(zhǎng)，以達(dá)到預(yù)應(yīng)力張拉要求，從而縮短箱梁預(yù)制工期。通過反拉法進(jìn)行箱梁預(yù)應(yīng)力張拉后有效預(yù)應(yīng)力的測(cè)試，結(jié)合混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性模量和箱梁上拱度隨著混凝土齡期的發(fā)展規(guī)律，對(duì)所提出的采用蒸汽養(yǎng)生預(yù)制箱梁的預(yù)應(yīng)力張拉條件進(jìn)行驗(yàn)證，以期將來能得到更廣泛的應(yīng)用。

1 工程概況

國(guó)家高速公路網(wǎng)京臺(tái)線長(zhǎng)樂松下—平潭段G2合同段橋梁采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，采用蒸汽養(yǎng)生方式保證在1 a內(nèi)完成343片箱梁的預(yù)制任務(wù)。箱梁為單箱單室截面，跨徑30 m，頂板寬2.4 m，底板寬1 m，梁段高1.6 m。箱梁頂板厚0.18 m，箱梁腹板及底板厚度由端部0.25 m漸變至0.18 m。預(yù)應(yīng)力鋼束的N1、N2、N3起彎點(diǎn)距跨中分別為0.885 m、2.507 m、4.129 m，起彎半徑均為45 m，偏轉(zhuǎn)角度為5°；N4起彎點(diǎn)距跨中為12.901 m，起彎半徑為30 m，偏轉(zhuǎn)角度為1.4°。箱梁截面尺寸和預(yù)應(yīng)力束布置如圖1所示。

圖1箱梁截面圖(單位：cm)

2 預(yù)應(yīng)力張拉控制條件

箱梁澆筑混凝土約5 h，靜停14 h保證混凝土形成一定的抗壓強(qiáng)度，隨后進(jìn)行蒸汽養(yǎng)生，分為升溫(7 h)、恒溫(14 h)和降溫(6 h)三個(gè)階段，升溫的速率不超過10℃/h，以防止混凝土內(nèi)外部溫差過大引起開裂；恒溫階段的溫度控制在60℃±5℃，以避免過高養(yǎng)護(hù)溫度使得混凝土內(nèi)部發(fā)生延遲性鈣礬石反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土開裂以及中后期強(qiáng)度的損失[14]。

圖2為混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著齡期的發(fā)展趨勢(shì)，由圖2可以看出，混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨蒸養(yǎng)時(shí)間的增加呈前期快速增長(zhǎng)、后期緩慢提高的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)規(guī)范[4]中對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量不低于80%的預(yù)應(yīng)力張拉控制條件的規(guī)定，考慮一定的富余度，設(shè)定混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的90%作為蒸汽養(yǎng)生下預(yù)制箱梁預(yù)應(yīng)力張拉控制條件。

此時(shí)，混凝土齡期為40 h，開始以不超過10℃/h進(jìn)行降溫至與周圍環(huán)境的溫差小于15℃時(shí)完成蒸養(yǎng)，并于混凝土齡期2 d時(shí)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。

圖2混凝土材性隨蒸養(yǎng)時(shí)間變化趨勢(shì)圖

3 有效預(yù)應(yīng)力測(cè)試

反拉法是對(duì)具有二次拉拔條件的后張法預(yù)應(yīng)力錨具測(cè)試有效預(yù)應(yīng)力較為可靠的方法。通過測(cè)試反拉過程中索體位移隨荷載的變化特征，采用拐點(diǎn)法來判斷有效預(yù)應(yīng)力初值，并對(duì)有效預(yù)應(yīng)力進(jìn)行分析判斷，如圖3所示。

目前常見的預(yù)應(yīng)力鋼筋大多為高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，可視為彈性體，根據(jù)材料的應(yīng)力應(yīng)變特性對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行反拉，并實(shí)時(shí)測(cè)量位移S隨反拉力F的連續(xù)變化值，繪制出F-S曲線，如圖4所示。由圖4可以看出：OA段為預(yù)緊段；當(dāng)F小于錨下有效預(yù)應(yīng)力值時(shí)，外露段鋼絞線單獨(dú)受拉變形，為AB段；當(dāng)F大于錨下有效預(yù)應(yīng)力值時(shí)，錨索的外露段與梁內(nèi)錨固段共同受力繼續(xù)拉伸，為BC段，F(xiàn)增加很小但S增加很大，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)(B點(diǎn))，據(jù)此拐點(diǎn)分析計(jì)算可判斷有效預(yù)應(yīng)力[15-17]。

選取背景工程中4片箱梁，采用“反拉法”對(duì)混凝土齡期9 d內(nèi)梁體有效預(yù)應(yīng)力進(jìn)行定期測(cè)試，孔道編號(hào)見圖1，測(cè)試制度如表1所示。圖5為采用反拉法測(cè)試的箱梁有效預(yù)應(yīng)力隨混凝土齡期的變化曲線，因?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)較多，表2僅給出各片箱梁典型測(cè)試數(shù)據(jù)。

從圖5和表2可以看出，隨混凝土齡期的增長(zhǎng)，鋼束有效預(yù)應(yīng)力均不斷遞減且減小速率逐漸降低。齡期為3 d的有效預(yù)應(yīng)力損失量在6%以內(nèi)，齡期為5 d和9 d時(shí)有效預(yù)應(yīng)力損失率均在5%以內(nèi)，呈逐漸減小的趨勢(shì)，這些均表明預(yù)應(yīng)力損失在混凝土齡期5 d后基本趨于穩(wěn)定。

圖3 “反拉法”示意圖

圖4 反拉力-位移曲線

圖5實(shí)測(cè)有效預(yù)應(yīng)力隨齡期變化圖

表2 箱梁錨下預(yù)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

4 上拱度測(cè)試

預(yù)制箱梁在臺(tái)座上完成張拉后，采用龍門吊吊運(yùn)至存梁區(qū)存放，梁體兩端底部墊有硬枕木，預(yù)制梁處于簡(jiǎn)支受力狀態(tài)，通過在梁兩端及跨中底部布設(shè)百分表對(duì)梁體張拉后上拱度變化量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，梁體上拱測(cè)點(diǎn)布置見圖6。

圖6張拉后上拱度測(cè)點(diǎn)布置圖

圖7為預(yù)制梁跨中上拱度隨齡期變化規(guī)律，表3為上拱度相對(duì)變化數(shù)據(jù)。從圖7和表3可以看出，在蒸汽養(yǎng)生混凝土齡期為2 d進(jìn)行張拉后，梁體上拱度隨齡期的增加呈現(xiàn)明顯減小的趨勢(shì)，預(yù)制梁混凝土齡期在9 d內(nèi)跨中累計(jì)上拱度在1 mm以內(nèi)。

圖7 預(yù)制梁跨中上拱度隨齡期變化圖

5 材性指標(biāo)測(cè)試

圖8給出了預(yù)制箱梁混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨齡期變化圖。由圖8可以看出，隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)，混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量呈緩慢遞增的趨勢(shì)，其抗壓強(qiáng)度在齡期3 d達(dá)到設(shè)計(jì)值，彈性模量在齡期5 d達(dá)到設(shè)計(jì)值，表明蒸汽養(yǎng)生工藝可以快速增加混凝土材性指標(biāo)，節(jié)省養(yǎng)生施工時(shí)間。

圖8預(yù)制箱梁混凝土材性隨齡期變化圖

因此，預(yù)制梁預(yù)應(yīng)力張拉后跨中上拱度很小且其相對(duì)變化量隨時(shí)間呈明顯減小趨勢(shì)，表明了采用蒸汽養(yǎng)生工藝并不會(huì)出現(xiàn)蒸養(yǎng)結(jié)束后抗壓強(qiáng)度和彈性模量回縮從而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失的問題。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1) 本文提出的蒸汽養(yǎng)生條件下預(yù)制箱梁混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量均達(dá)到設(shè)計(jì)值要求的90%及以上進(jìn)行一次性預(yù)應(yīng)力張拉是合理的。

(2) 蒸汽養(yǎng)生條件下預(yù)應(yīng)力箱梁混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量在齡期為40 h時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)值要求的90%，蒸養(yǎng)結(jié)束后其抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別在齡期3 d和5 d達(dá)到設(shè)計(jì)值。蒸養(yǎng)工藝可以快速提高混凝土材性指標(biāo)，節(jié)省養(yǎng)生施工時(shí)間。

(3) 預(yù)制箱梁混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量在張拉后仍呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，跨中上拱度很小且相對(duì)變化量隨時(shí)間呈明顯減小趨勢(shì)，預(yù)應(yīng)力損失在混凝土齡期5 d后基本趨于穩(wěn)定。