預(yù)制高強(qiáng)混凝土裝配預(yù)應(yīng)力型混凝土U形梁抗扭性能試驗

收稿日期：2024-01-26

作者簡介：孔曉闖（1983—），男，本科，工程師，從事工程水運試驗檢測方面的工作。

摘要 為探究預(yù)制高強(qiáng)混凝土裝配預(yù)應(yīng)力型混凝土U形梁抗扭性能。文章以沙特紅海發(fā)展公司紅海10號、11號、12號酒店棧橋和浮碼頭項目為例，通過預(yù)制高強(qiáng)混凝土裝配預(yù)應(yīng)力型混凝土U形梁施工，開展試驗研究。經(jīng)過分析比較不同底板寬度對U形梁雙力矩的影響以及不同底板寬度對U形梁扭轉(zhuǎn)角的影響。實驗結(jié)果表明：增加底板的寬度會對U形梁的雙力矩產(chǎn)生不利影響，但有利于減小扭轉(zhuǎn)角。

關(guān)鍵詞 預(yù)制；裝配；型鋼；預(yù)應(yīng)力；高強(qiáng)混凝土

中圖分類號 U441文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0153-03

0 引言

隨著建筑工業(yè)化的進(jìn)程加速，預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)在各類工程項目中越來越受到重視，尤其是在橋梁和建筑領(lǐng)域，這種高效、可靠的施工方式已經(jīng)成為主流。預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)能夠大幅度提高施工效率，降低現(xiàn)場作業(yè)的難度和復(fù)雜性，從而縮短工程周期，降低成本[1]。其中，U形梁作為預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)中的一種重要梁型，具有非常突出的優(yōu)點。由于其獨特的U形截面設(shè)計，U形梁展現(xiàn)出優(yōu)秀的承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使得其在橋梁和建筑中得到了廣泛應(yīng)用。此外，U形梁的施工便利性也是其受歡迎的一個重要原因。預(yù)制的特點使得U形梁可以在工廠內(nèi)進(jìn)行批量生產(chǎn)，然后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進(jìn)行快速安裝，大大提高了施工效率[2]。然而，U形梁在實際應(yīng)用中面臨的一個關(guān)鍵問題是其在承受扭矩作用時的性能表現(xiàn)。扭矩是衡量梁承受彎矩和剪力的復(fù)合作用能力的指標(biāo)，對梁的穩(wěn)定性至關(guān)重要。如果U形梁在承受扭矩時的性能不佳，可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，甚至引發(fā)安全事故。因此，對U形梁抗扭性能的研究顯得尤為重要。該文正是基于這一需求，通過試驗方法對預(yù)制高強(qiáng)混凝土裝配預(yù)應(yīng)力型混凝土U形梁的抗扭性能進(jìn)行了深入研究。希望通過這一研究，能夠為U形梁在實際工程中的應(yīng)用提供更為翔實、科學(xué)的依據(jù)，進(jìn)一步推動預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展和進(jìn)步。

1 工程概況

該項目為沙特紅海發(fā)展公司紅海10號、11號、12號酒店棧橋和浮碼頭項目，工作內(nèi)容包括棧橋U形梁、棧橋甲板、浮碼頭的制作與安裝，主要工程內(nèi)容包括：10號酒店包含主棧橋2 618.8 m，別墅棧橋489.4 m及浮碼頭5處；11號酒店包含主棧橋2 060.8 m，別墅棧橋797.6 m及浮碼頭2處；12號酒店包含主棧橋2 029.7 m，別墅棧橋826.8 m及浮碼頭2處。典型施工計劃進(jìn)行1榀U形梁的預(yù)制，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 典型施工的U形梁參數(shù)表

序號 參數(shù) 數(shù)值

1 U形梁長度/m 12.45

2 U形梁寬度（內(nèi)寬）/m 3

3 鋼絞線數(shù)量/束 30

4 數(shù)量/榀 1

該項目共計有預(yù)制U形梁825榀，計劃委托當(dāng)?shù)仡A(yù)制廠進(jìn)行預(yù)制（成品采購形式），在正式預(yù)制施工開始前先進(jìn)行典型施工。

2 預(yù)制高強(qiáng)混凝土裝配預(yù)應(yīng)力型混凝土U形梁施工

通過進(jìn)行U形梁預(yù)制的典型施工，驗證并確定U形梁預(yù)制施工方案的可行性，為后續(xù)進(jìn)行規(guī)模施工提供施工依據(jù)，對當(dāng)前采取的預(yù)制工藝進(jìn)行完善與改進(jìn)；檢驗所用張拉系統(tǒng)是否滿足施工工藝要求和設(shè)計質(zhì)量要求；檢驗?zāi)０逑到y(tǒng)是否滿足要求并加以改進(jìn)；檢驗混凝土澆筑工藝是否滿足要求；檢驗施工人力、材料、設(shè)備等資源的配置是否合理并加以改進(jìn)[3]。如圖1所示，為預(yù)制高強(qiáng)混凝土裝配預(yù)應(yīng)力型混凝土U形梁施工工藝流程圖。

在典型施工開始之前，應(yīng)熟悉U形梁施工圖紙、技術(shù)要求及技術(shù)規(guī)格書等文件。施工前，應(yīng)仔細(xì)核對管線及預(yù)埋件圖紙，明確施工范圍內(nèi)所有的管線，預(yù)埋件的位置及標(biāo)高，確保不出現(xiàn)錯埋或漏埋的情況[4]。此外，應(yīng)編制具有可操作性的施工技術(shù)交底書，并組織施工人員進(jìn)行施工技術(shù)交底和培訓(xùn)，同時，做好相關(guān)記錄表格的記錄工作。在混凝土配合比設(shè)計完成后，應(yīng)進(jìn)行試拌與審批，確保滿足要求。預(yù)制所需材料（水泥、砂、石、外加劑、鋼筋、鋼絞線、錨具夾片等）進(jìn)場并檢驗合格，以確?？捎糜陬A(yù)制施工。

圖1 施工工藝流程圖

完成張拉臺座的準(zhǔn)備。完成模板（底模、側(cè)模、內(nèi)模、端頭模板等）的加工制作并檢驗合格。完成現(xiàn)場水、電布設(shè)及施工便道設(shè)置。

鋼絞線采用逐根張拉工藝，張拉采用單孔張拉千斤頂。張拉順序為左下、右下、左上、右上。按設(shè)計要求，張拉控制應(yīng)力Sk為1 395 MPa，根據(jù)規(guī)范張拉力的計算公式：

δ=σk·A·δ （1）

式中，N——張拉力；A——截面面積；δ——安全系數(shù)。根據(jù)上述公式，得出張拉力為195 kN。張拉采用兩循環(huán)程序，操作程序如下：

第一循環(huán)：0—0.2 N臨時錨固。全部鋼絞線經(jīng)過第一循環(huán)后，觀察臺座和模板，確認(rèn)各構(gòu)件貼合緊密，位置正確。

第二循環(huán)：0.2 N—1.0 N持荷2 min—超張拉后錨固（因工具夾片張拉鎖定時會有6～8 mm的回縮量，張拉到1.07 N，可以確保錨具鎖定后鋼絞線的錨固應(yīng)力達(dá)到設(shè)計要求）。張拉過程采用“雙控”法保證作業(yè)質(zhì)量，以應(yīng)力為主，伸長值校核，張拉過程需密切觀測，避免出現(xiàn)鋼絞線滑絲或斷絲的情況，觀測量超出設(shè)計要求時，按設(shè)計規(guī)定進(jìn)行處理。

張拉完成后進(jìn)行混凝土澆筑?；炷恋燃墳镃50，理論方量為9.68 m3。采用罐車自卸入模方式，一次、分層完成澆筑。澆筑順序如圖2所示。

圖2 U形梁澆筑順序示意圖

澆筑①、②步驟時，若翼板上混凝土無法成型達(dá)到指定高度，則增加臨時壓板。澆筑時應(yīng)注意：

第一，隨著澆筑進(jìn)度及時調(diào)整罐車位置，控制下料，避免在同一地方下料，以使混凝土順利攤鋪。

第二，振搗混凝土?xí)r應(yīng)快插慢拔，直到表面無氣泡出現(xiàn)。相鄰振搗點不能超過30 cm，呈梅花形布設(shè)。

第三，振搗混凝土?xí)r應(yīng)時刻觀察模板及預(yù)埋件情況，若有模板失穩(wěn)、預(yù)埋件移位等情況及時停止振搗并采取措施修復(fù)。振搗棒不得與模板表面直接接觸。

第四，混凝土澆筑至頂面時，及時用抹子進(jìn)行收面，直至表面出現(xiàn)較稠的混凝土漿且無碎石外露。

第五，混凝土即將初凝前，需進(jìn)行二次光面，使用鐵抹子進(jìn)行人工光面。

第六，二次光面完成后，在混凝土頂面覆蓋土工布，在混凝土完全初凝后進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間為14 d。

待U形梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%即可進(jìn)行放張作業(yè)。模板部分拆除后，為防止已成型的U形梁在放張過程出現(xiàn)梁體扭轉(zhuǎn)損傷和起拱滑移崩角現(xiàn)象，每一榀U形梁都需要進(jìn)行雙端對稱依次放張操作[5]。先對一側(cè)放張1根鋼絞線，再對另一側(cè)對稱位置的1根鋼絞線進(jìn)行放張；重復(fù)上述操作，依次逐根對稱放張鋼絞線，直至對所有鋼絞線完成放張。嚴(yán)禁非對稱放張。

用兩臺單孔千斤頂對U形梁內(nèi)鋼絞線進(jìn)行對稱同步放張，先在地上用油泵將單孔千斤頂?shù)幕钊虺?0～

60 mm行程。將雙肢鋼撐腳套在待放張的鋼絞線上，使其退30 mm開口鋼墊用的缺口朝上，再將千斤頂套入鋼絞線，使千斤頂頭部密貼撐腳頂板，千斤頂內(nèi)部夾片夾持住鋼絞線。開動油泵，向外張拉鋼絞線1～2 mm，使工具錨板遠(yuǎn)離錨固梁，不再壓緊30 mm厚開口鋼墊。向上取出開口鋼墊，隨后兩臺油泵同步降壓，直到油表降到0。此時，鋼絞線的拉力消除，可以通過敲擊來分解單孔工具錨和工具夾片。

循環(huán)以上操作，將U形梁內(nèi)的所有鋼絞線的拉力卸除。在此過程中，為避免U形梁向另一側(cè)整體滑移，放張并拆除部分工具錨后，對另一側(cè)工具錨執(zhí)行相同作業(yè)。全部鋼絞線放張完成后，向外移動U形梁端模，切除U形梁端面多余鋼絞線。放張完成后，利用龍門吊拆除剩余模板。

3 試驗與結(jié)果分析討論

在進(jìn)行上述施工的過程中，對影響U形梁的抗扭性能的因素進(jìn)行分析，分析底板寬度影響下U形梁雙力矩和扭轉(zhuǎn)角度的變化，將0.5 m、0.8 m和1.0 m的底板寬度下，雙力矩的具體表現(xiàn)情況繪制成圖如圖3所示。

圖3 不同底板寬度對U形梁雙力矩的影響曲線圖

從圖3中，可以清晰地觀察到三條曲線的變化趨勢。隨著位置的增加，雙力矩呈現(xiàn)出逐漸遞減的規(guī)律。特別是在7 m的位置，不論底板寬度如何，U形梁的雙力矩均為0。之后，這一數(shù)值開始逐漸減小，甚至變?yōu)樨?fù)值。這表明在某個特定點，雙力矩會發(fā)生顯著的轉(zhuǎn)折。

與此同時，對比三條曲線，發(fā)現(xiàn)在7 m之前，底板寬度為1.0 m的U形梁展現(xiàn)出最大的雙力矩。然而，當(dāng)位置超過7 m后，底板寬度為0.5 m的U形梁的雙力矩開始占據(jù)主導(dǎo)，并始終保持最大值。這一現(xiàn)象表明，在某個特定點，不同底板寬度的U形梁的雙力矩會發(fā)生反轉(zhuǎn)。

在此基礎(chǔ)上，繪制不同底板寬度對U形梁扭轉(zhuǎn)角的影響曲線，如圖4所示。

進(jìn)一步觀察圖4，可以發(fā)現(xiàn)隨著U形梁位置的增加，無論底板寬度如何，其扭轉(zhuǎn)角均呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。值得注意的是，寬度為0.5 m的底板對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角始終是最小的，其次是0.8 m，最后是1.0 m。這表明隨著底板寬度的增加，扭轉(zhuǎn)角會逐漸減小，但減小的速度逐漸變慢。

圖4 不同底板寬度對U形梁扭轉(zhuǎn)角的影響曲線圖

結(jié)合圖3和圖4的試驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：隨著底板寬度的增加，扭轉(zhuǎn)角逐漸減小，但減小的幅度逐漸變慢。與此同時，雙力矩會隨著底板寬度的增加而逐漸增大。這一發(fā)現(xiàn)意味著增加底板的寬度對U形梁的雙力矩產(chǎn)生不利影響，但有利于減小扭轉(zhuǎn)角。因此，在設(shè)計和應(yīng)用U形梁時，應(yīng)充分考慮底板寬度的選擇，以達(dá)到最佳的性能平衡。

4 結(jié)束語

通過該次試驗，可以得出以下結(jié)論：首先，預(yù)制高強(qiáng)混凝土裝配預(yù)應(yīng)力型混凝土U形梁具有較好的抗扭能力，能夠承受較大的扭矩而不發(fā)生顯著的扭轉(zhuǎn)變形和裂縫發(fā)展。其次，在承受扭矩時，混凝土和型鋼均表現(xiàn)出較好的彈性變形和屈服性能，應(yīng)力水平保持在較低的范圍。最后，該試驗為預(yù)制高強(qiáng)混凝土裝配預(yù)應(yīng)力型混凝土U形梁在實際工程中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持，有助于推動預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]何葉， 劉清穎， 馬江萍， 等. 基于ABAQUS的復(fù)合受力下型鋼混凝土柱的抗扭性能研究[J]. 粉煤灰綜合利用， 2021（6）： 7-11+130.

[2]侯玉飛. 自密實包漿再生混凝土早期抗拉抗扭強(qiáng)度性能研究[J]. 城市建設(shè)理論研究（電子版）， 2023（25）： 129-131.

[3]廖栩， 李吉人， 王慶利. 軸壓荷載下中空夾層鋼管混凝土抗扭性能試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)， 2022（6）： 90-96+125.

[4]黃漢輝， 陳康明， 吳慶雄， 等. 波形鋼腹板-鋼管混凝土桁式弦桿組合梁抗扭性能研究[J]. 土木工程學(xué)報， 2023（10）： 93-104+126.

[5]于曉杰， 翟步升， 張小慧， 等. 小半徑混凝土曲線梁橋抗扭加固方法及受力性能研究[J]. 黑龍江交通科技， 2022（8）： 115-117.