預(yù)制T梁張拉裂縫成因分析及控制措施研究*

田 飛，曹利景，鄭和暉，王 敏

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040； 3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040)

0 引言

據(jù)交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，全國(guó)已建成87.83萬(wàn)座公路橋梁，其中中小型橋梁約76.46萬(wàn)座，約占總數(shù)的87.05%。中小跨徑橋梁多采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁、小箱梁，隨著我國(guó)裝配式橋梁的發(fā)展，預(yù)制T梁、小箱梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已較完善，預(yù)制安裝成套技術(shù)也已十分成熟。但預(yù)制T梁、小箱梁在預(yù)制安裝過(guò)程中，仍存在多種質(zhì)量病害。改善量大面廣的預(yù)制T梁、小箱梁建造質(zhì)量，是提升我國(guó)橋梁建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵。預(yù)制期的梁體張拉開(kāi)裂是常見(jiàn)的質(zhì)量通病之一，預(yù)制T梁、小箱梁張拉起拱后，梁端底部混凝土較易出現(xiàn)豎向開(kāi)裂、破損，往往需后期鑿除破損混凝土、重新澆筑進(jìn)行修補(bǔ)，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)外觀及耐久性。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)預(yù)制混凝土T梁的早期裂縫成因開(kāi)展了大量試驗(yàn)及理論研究[1-4]，廣泛認(rèn)為早期裂縫的主要成因包括預(yù)制梁底座約束和沉降、溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力等。李軍[5]認(rèn)為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁預(yù)制過(guò)程中下翼緣豎向裂縫的成因與混凝土溫度應(yīng)力有關(guān)；周強(qiáng)[6]提出了預(yù)制T梁產(chǎn)生裂縫的原因包括溫度、收縮和外力等因素；張倩[7]研究了預(yù)應(yīng)力張拉階段T梁應(yīng)力變化影響因素及錨下混凝土應(yīng)力分布規(guī)律；謝文軍等[8]認(rèn)為預(yù)制T梁裂縫產(chǎn)生的主要原因是混凝土配合比不合理，養(yǎng)護(hù)及梁體混凝土與底模混凝土未采取減阻措施；羅俊等[9]針對(duì)梁端裂縫提出將梁端1.5m范圍內(nèi)原采用的鋼底模換成塑膠底模, 減小T梁在預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中梁端支撐段的摩阻力措施；丁新榜等[10]通過(guò)分析早期裂縫成因提出加緩凝劑、更換水泥和鋼底模涂刷脫模劑等措施。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)T梁張拉前后裂縫成因研究較多，但并未直接考慮臺(tái)座約束的影響，即對(duì)梁端張拉豎向裂縫產(chǎn)生機(jī)理及控制措施研究較少。因此，在前人研究的基礎(chǔ)上，本文通過(guò)建立預(yù)制T梁預(yù)應(yīng)力張拉的精細(xì)化有限元模型，研究T梁預(yù)制過(guò)程中臺(tái)座約束對(duì)梁端裂縫的影響，并提出相應(yīng)的控制措施。

1 預(yù)制T梁張拉開(kāi)裂機(jī)理

預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)，梁端底部產(chǎn)生豎向裂縫是常見(jiàn)的質(zhì)量通病，如圖1所示。導(dǎo)致該裂縫產(chǎn)生的原因較多，但本質(zhì)上均為所產(chǎn)生的混凝土拉應(yīng)力超過(guò)自身的抗拉強(qiáng)度引起。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，除混凝土本身澆筑過(guò)程的影響因素外，主要原因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力張拉完成后，梁體向上拱起，梁底混凝土產(chǎn)生收縮，因受到預(yù)制臺(tái)座的約束作用，造成梁端底部局部應(yīng)力超標(biāo)，同時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉所產(chǎn)生的壓應(yīng)力不能傳遞到梁端底部位置，從而導(dǎo)致梁端底部混凝土開(kāi)裂、破損。

圖1 梁端張拉裂縫

2 T梁預(yù)制過(guò)程數(shù)值模擬

2.1 有限元模型

以某25m跨預(yù)制T梁為例，采用ANSYS建立有限元模型(見(jiàn)圖2)，建模時(shí)x軸為順橋向，y軸為側(cè)向，z軸為豎向；預(yù)制臺(tái)座由鋼板+混凝土組成，在T梁底部與臺(tái)座鋼板建立接觸單元(計(jì)摩擦)，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[11]，普通鋼板與混凝土的摩擦系數(shù)取0.6；混凝土采用solid45實(shí)體單元，預(yù)應(yīng)力鋼束采用link8桿單元，底模鋼板采用shell63殼單元。

圖2 有限元模型

2.2 梁端臺(tái)座約束的數(shù)值模擬計(jì)算

針對(duì)T梁張拉開(kāi)裂的作用機(jī)理，采用數(shù)值模擬法進(jìn)行驗(yàn)證，考慮臺(tái)座的約束作用，將臺(tái)座約束轉(zhuǎn)變?yōu)榻佑|面摩阻力進(jìn)行分析，采用后張法一次性張拉，張拉控制應(yīng)力0.75fpk=1 395MPa。

摩阻力系數(shù)對(duì)梁端混凝土應(yīng)力的影響如圖3所示。由圖3可知，T梁梁端底部混凝土受拉，主拉應(yīng)力最大約5MPa，超出混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度2.65MPa；梁端主拉應(yīng)力隨臺(tái)座底模與梁底間摩阻力的增大而增大。結(jié)果表明，臺(tái)座的約束效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致梁端拉應(yīng)力超標(biāo)，減小梁端支撐段摩阻力可較好地控制梁端裂縫，因此，建議預(yù)制T梁張拉前在鋼底模涂刷脫模劑，確保表面平整、光滑，盡量減少梁底摩擦力，為梁體自由伸縮創(chuàng)造條件。

圖3 摩阻力系數(shù)對(duì)梁端混凝土應(yīng)力的影響

3 裂縫控制措施

根據(jù)上節(jié)計(jì)算結(jié)果，針對(duì)梁端混凝土開(kāi)裂問(wèn)題提出合理的預(yù)防措施，常見(jiàn)的預(yù)防措施包括設(shè)置塑膠底模、將端模底部做成倒角形式和鋼底模涂刷脫模劑等，如圖4所示。鐵路橋梁中一般采用分段張拉施工工藝[12]，對(duì)預(yù)制T梁早期裂縫和梁端裂縫控制也有較好效果。為研究預(yù)防措施對(duì)預(yù)制T梁梁端裂縫的控制效果，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為提高梁段預(yù)制質(zhì)量提供理論支撐。

圖4 T梁梁端處理

3.1 設(shè)置塑膠底模

將梁底支撐段鋼底模換成塑膠底模，通過(guò)降低端部臺(tái)座剛度，減小臺(tái)座對(duì)梁底收縮的約束，從而降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。分別分析不同厚度和長(zhǎng)度的橡膠條對(duì)梁端應(yīng)力的影響，橡膠條尺寸初擬為30mm×30mm(長(zhǎng)×厚)，厚度變化為10～50mm，長(zhǎng)度變化為30～300mm，橡膠材料彈性模量為7.8MPa，密度為 1 300kg/m3， 泊松比為0.47。

根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算橡膠條尺寸參數(shù)對(duì)梁端底部應(yīng)力的影響，如圖5所示。由圖5可知，橡膠材料對(duì)梁端拉應(yīng)力控制效果較好，且梁端底部拉應(yīng)力均隨橡膠材料厚度和長(zhǎng)度的增加而減小，但厚度>30mm和長(zhǎng)度>150mm后，梁端主拉應(yīng)力減小趨勢(shì)變緩。因此，針對(duì)25m跨預(yù)制T梁，塑膠底模尺寸宜為30mm×150mm，此時(shí)梁端主拉應(yīng)力約1MPa。綜上所述，將梁端支撐段范圍內(nèi)原采用的鋼底模換成塑膠底模，對(duì)梁端底部拉應(yīng)力控制效果較明顯，在工程實(shí)踐中，該措施可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行應(yīng)用。

圖5 橡膠條尺寸對(duì)梁端底部應(yīng)力的影響

3.2 預(yù)制模板做成倒角形式

將T梁模板做成倒角形式，通過(guò)減少梁端與底模的接觸面，間接減小臺(tái)座對(duì)T梁的約束作用。本文考慮梁端普通鋼筋混凝土的最小保護(hù)層厚度，初步擬定倒角尺寸為30mm×30mm(長(zhǎng)×高)，梁端底部主拉應(yīng)力最大為4.2MPa，如圖6a所示。

考慮到混凝土鋼筋保護(hù)層厚度一般為50mm左右，分析最大倒角尺寸50mm×30mm情況下混凝土的應(yīng)力情況，如圖6b所示，梁端底部最大拉應(yīng)力約為3.1MPa。綜上所述，倒角尺寸的增加可在一定程度上減小梁端拉應(yīng)力，在實(shí)際工程應(yīng)用中，倒角尺寸大小需保證梁端普通鋼筋不受影響，且后期需對(duì)倒角處混凝土進(jìn)行澆筑修補(bǔ)。

圖6 不同倒角尺寸下T梁梁端混凝土應(yīng)力

3.3 分段張拉預(yù)應(yīng)力鋼束

根據(jù)JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[13]中關(guān)于后張法預(yù)應(yīng)力張拉的規(guī)定，張拉時(shí)混凝土強(qiáng)度應(yīng)不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%，彈性模量應(yīng)不低于混凝土28d彈性模量的80%；鐵路橋梁《高速與客運(yùn)專(zhuān)線鐵路施工工藝手冊(cè)》[14]中規(guī)定，T梁一般采用初張拉和終張拉兩階段進(jìn)行，施工圖無(wú)要求時(shí)按混凝土強(qiáng)度分別達(dá)到構(gòu)件混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%，100%控制。

目前，國(guó)內(nèi)已有項(xiàng)目采用全自動(dòng)液壓模板封閉蒸養(yǎng)兩階段張拉預(yù)制T梁施工工法，通過(guò)蒸汽養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%進(jìn)行預(yù)應(yīng)力初張拉，使梁板能承受自重荷載和吊運(yùn)時(shí)的沖擊荷載，然后快速吊離預(yù)制臺(tái)座。與傳統(tǒng)施工方法相比，新的兩階段施工工藝可顯著提升預(yù)制臺(tái)座的周轉(zhuǎn)效率，減少預(yù)制臺(tái)座數(shù)量及借地成本，應(yīng)用該工法可取得顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會(huì)效益。

鑒于目前該工法研究較少，本文參考鐵路橋梁規(guī)范中關(guān)于預(yù)制T梁的要求，同時(shí)借鑒已有項(xiàng)目的工程應(yīng)用情況，開(kāi)展預(yù)制T梁兩階段張拉工藝的研究。預(yù)應(yīng)力采用分次張拉工藝時(shí)，預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間控制需根據(jù)混凝土強(qiáng)度而定，根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》及混凝土拆模強(qiáng)度≥25MPa的要求，初步擬定混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%時(shí)進(jìn)行初張拉，即35MPa；而初張力大小既要保證梁段在吊裝轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)梁底不開(kāi)裂，也要防止梁體在臺(tái)座上反拱過(guò)大，造成梁頂開(kāi)裂及線形誤差過(guò)大等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)試算，初張力宜為(0.2～0.6)σcon，本文取0.55σcon。C50混凝土(7d)彈性模量為2.77MPa，抗壓強(qiáng)度(70%)為35MPa，抗拉強(qiáng)度為2.2MPa；張拉控制應(yīng)力為1 395MPa，初張拉力為0.55×1 395MPa。

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7a可知，梁端底部混凝土主拉應(yīng)力約為1.9MPa，滿(mǎn)足抗拉強(qiáng)度(7d)=2.2MPa的要求。

圖7 T梁梁端混凝土應(yīng)力

綜上所述，分段張拉鋼束可較好地控制梁端裂縫，初張拉時(shí)混凝土強(qiáng)度可為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，張拉力宜≤0.6σcon，且分段張拉還能避免混凝土早期養(yǎng)護(hù)時(shí)產(chǎn)生的溫差和收縮裂縫，提高臺(tái)座的使用效率，也能更好地控制梁體應(yīng)力、撓度與反拱，確保梁體剛度和抗裂性能滿(mǎn)足要求。

3.4 不同措施組合效應(yīng)

對(duì)上述預(yù)制T梁裂縫控制可考慮上述措施的組合應(yīng)用，本文選取分段張拉預(yù)應(yīng)力鋼束和塑膠底模措施共同應(yīng)用進(jìn)行計(jì)算，鋼束初張拉力取0.6σcon，混凝土強(qiáng)度取35MPa(70%)，端模設(shè)置30mm×30mm橡膠層。如圖7b所示，梁端主拉應(yīng)力約1.2MPa。綜上所述，不同裂縫控制措施可根據(jù)實(shí)際施工條件組合應(yīng)用，不僅能提高預(yù)制T梁質(zhì)量，還能提高工效。

4 預(yù)制T梁裂縫控制措施對(duì)比

根據(jù)上述計(jì)算分析，預(yù)制T梁裂縫控制措施主要有以下幾種：①塑膠底模 通過(guò)橡膠在預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中發(fā)生彈性變形，從而減小梁端局部應(yīng)力，控制梁端裂縫較好，施工簡(jiǎn)便易行；②預(yù)制模板做倒角 對(duì)模具要求較特殊，且倒角范圍過(guò)大對(duì)梁端配筋有一定影響，工序較復(fù)雜；③鋼底模涂刷脫模劑 涂刷脫模劑可減小梁底與底模接觸面的摩阻力，但有一定限度；④分段張拉預(yù)應(yīng)力 該方法可更好地控制梁體應(yīng)力、撓度與反拱，避免梁體早期裂縫，提高臺(tái)座使用效率。

5 結(jié)語(yǔ)

1)預(yù)制T梁后張法預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)，梁端裂縫與臺(tái)座約束有關(guān)，可通過(guò)減小梁端支撐段摩阻力控制裂縫。

2)梁端裂縫控制措施可采用設(shè)置塑膠底模、端模做成倒角形式、鋼底模涂刷脫模劑和分段張拉預(yù)應(yīng)力鋼束等。

3)針對(duì)25m預(yù)制T梁，采用兩階段張拉施工工藝時(shí)，初張拉宜在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%后進(jìn)行，初張拉力宜為(0.2～0.6)σcon，終張拉在梁體混凝土達(dá)到齡期后進(jìn)行；該方式不僅可控制早期裂縫的產(chǎn)生，對(duì)梁端裂縫控制效果也較好，還能提高梁段預(yù)制工效，降低成本。