预制T梁张拉裂缝成因分析及控制措施研究*

2022-06-18曹利景郑和晖

施工技术(中英文) 2022年10期

田飞，曹利景，郑和晖，王敏

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430040； 2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉 430040； 3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北武汉 430040)

0 引言

据交通运输部统计，截至2020年底，全国已建成87.83万座公路桥梁，其中中小型桥梁约76.46万座，约占总数的87.05%。中小跨径桥梁多采用预应力混凝土T梁、小箱梁，随着我国装配式桥梁的发展，预制T梁、小箱梁的设计标准已较完善，预制安装成套技术也已十分成熟。但预制T梁、小箱梁在预制安装过程中，仍存在多种质量病害。改善量大面广的预制T梁、小箱梁建造质量，是提升我国桥梁建设质量的关键。预制期的梁体张拉开裂是常见的质量通病之一，预制T梁、小箱梁张拉起拱后，梁端底部混凝土较易出现竖向开裂、破损，往往需后期凿除破损混凝土、重新浇筑进行修补，严重影响结构外观及耐久性。

国内外学者针对预制混凝土T梁的早期裂缝成因开展了大量试验及理论研究[1-4]，广泛认为早期裂缝的主要成因包括预制梁底座约束和沉降、温度应力和收缩应力等。李军[5]认为预应力混凝土简支T梁预制过程中下翼缘竖向裂缝的成因与混凝土温度应力有关；周强[6]提出了预制T梁产生裂缝的原因包括温度、收缩和外力等因素；张倩[7]研究了预应力张拉阶段T梁应力变化影响因素及锚下混凝土应力分布规律；谢文军等[8]认为预制T梁裂缝产生的主要原因是混凝土配合比不合理，养护及梁体混凝土与底模混凝土未采取减阻措施；罗俊等[9]针对梁端裂缝提出将梁端1.5m范围内原采用的钢底模换成塑胶底模, 减小T梁在预应力张拉过程中梁端支撑段的摩阻力措施；丁新榜等[10]通过分析早期裂缝成因提出加缓凝剂、更换水泥和钢底模涂刷脱模剂等措施。

综上所述，国内外学者对T梁张拉前后裂缝成因研究较多，但并未直接考虑台座约束的影响，即对梁端张拉竖向裂缝产生机理及控制措施研究较少。因此，在前人研究的基础上，本文通过建立预制T梁预应力张拉的精细化有限元模型，研究T梁预制过程中台座约束对梁端裂缝的影响，并提出相应的控制措施。

1 预制T梁张拉开裂机理

预应力张拉时，梁端底部产生竖向裂缝是常见的质量通病，如图1所示。导致该裂缝产生的原因较多，但本质上均为所产生的混凝土拉应力超过自身的抗拉强度引起。根据相关经验，除混凝土本身浇筑过程的影响因素外，主要原因为预应力张拉完成后，梁体向上拱起，梁底混凝土产生收缩，因受到预制台座的约束作用，造成梁端底部局部应力超标，同时预应力张拉所产生的压应力不能传递到梁端底部位置，从而导致梁端底部混凝土开裂、破损。

图1 梁端张拉裂缝

2 T梁预制过程数值模拟

2.1 有限元模型

以某25m跨预制T梁为例，采用ANSYS建立有限元模型(见图2)，建模时x轴为顺桥向，y轴为侧向，z轴为竖向；预制台座由钢板+混凝土组成，在T梁底部与台座钢板建立接触单元(计摩擦)，通过查阅相关文献[11]，普通钢板与混凝土的摩擦系数取0.6；混凝土采用solid45实体单元，预应力钢束采用link8杆单元，底模钢板采用shell63壳单元。

图2 有限元模型

2.2 梁端台座约束的数值模拟计算

针对T梁张拉开裂的作用机理，采用数值模拟法进行验证，考虑台座的约束作用，将台座约束转变为接触面摩阻力进行分析，采用后张法一次性张拉，张拉控制应力0.75fpk=1 395MPa。

摩阻力系数对梁端混凝土应力的影响如图3所示。由图3可知，T梁梁端底部混凝土受拉，主拉应力最大约5MPa，超出混凝土抗拉设计强度2.65MPa；梁端主拉应力随台座底模与梁底间摩阻力的增大而增大。结果表明，台座的约束效应会导致梁端拉应力超标，减小梁端支撑段摩阻力可较好地控制梁端裂缝，因此，建议预制T梁张拉前在钢底模涂刷脱模剂，确保表面平整、光滑，尽量减少梁底摩擦力，为梁体自由伸缩创造条件。

图3 摩阻力系数对梁端混凝土应力的影响

3 裂缝控制措施

根据上节计算结果，针对梁端混凝土开裂问题提出合理的预防措施，常见的预防措施包括设置塑胶底模、将端模底部做成倒角形式和钢底模涂刷脱模剂等，如图4所示。铁路桥梁中一般采用分段张拉施工工艺[12]，对预制T梁早期裂缝和梁端裂缝控制也有较好效果。为研究预防措施对预制T梁梁端裂缝的控制效果，对其进行数值模拟分析，为提高梁段预制质量提供理论支撑。

图4 T梁梁端处理

3.1 设置塑胶底模

将梁底支撑段钢底模换成塑胶底模，通过降低端部台座刚度，减小台座对梁底收缩的约束，从而降低开裂风险。分别分析不同厚度和长度的橡胶条对梁端应力的影响，橡胶条尺寸初拟为30mm×30mm(长×厚)，厚度变化为10～50mm，长度变化为30～300mm，橡胶材料弹性模量为7.8MPa，密度为 1 300kg/m3，泊松比为0.47。

根据上述参数计算橡胶条尺寸参数对梁端底部应力的影响，如图5所示。由图5可知，橡胶材料对梁端拉应力控制效果较好，且梁端底部拉应力均随橡胶材料厚度和长度的增加而减小，但厚度>30mm和长度>150mm后，梁端主拉应力减小趋势变缓。因此，针对25m跨预制T梁，塑胶底模尺寸宜为30mm×150mm，此时梁端主拉应力约1MPa。综上所述，将梁端支撑段范围内原采用的钢底模换成塑胶底模，对梁端底部拉应力控制效果较明显，在工程实践中，该措施可根据实际情况进行应用。

图5 橡胶条尺寸对梁端底部应力的影响

3.2 预制模板做成倒角形式

将T梁模板做成倒角形式，通过减少梁端与底模的接触面，间接减小台座对T梁的约束作用。本文考虑梁端普通钢筋混凝土的最小保护层厚度，初步拟定倒角尺寸为30mm×30mm(长×高)，梁端底部主拉应力最大为4.2MPa，如图6a所示。

考虑到混凝土钢筋保护层厚度一般为50mm左右，分析最大倒角尺寸50mm×30mm情况下混凝土的应力情况，如图6b所示，梁端底部最大拉应力约为3.1MPa。综上所述，倒角尺寸的增加可在一定程度上减小梁端拉应力，在实际工程应用中，倒角尺寸大小需保证梁端普通钢筋不受影响，且后期需对倒角处混凝土进行浇筑修补。

图6 不同倒角尺寸下T梁梁端混凝土应力

3.3 分段张拉预应力钢束

根据JTG/T 3650—2020《公路桥涵施工技术规范》[13]中关于后张法预应力张拉的规定，张拉时混凝土强度应不低于设计强度的80%，弹性模量应不低于混凝土28d弹性模量的80%；铁路桥梁《高速与客运专线铁路施工工艺手册》[14]中规定，T梁一般采用初张拉和终张拉两阶段进行，施工图无要求时按混凝土强度分别达到构件混凝土设计强度的80%，100%控制。

目前，国内已有项目采用全自动液压模板封闭蒸养两阶段张拉预制T梁施工工法，通过蒸汽养护至设计强度的70%进行预应力初张拉，使梁板能承受自重荷载和吊运时的冲击荷载，然后快速吊离预制台座。与传统施工方法相比，新的两阶段施工工艺可显著提升预制台座的周转效率，减少预制台座数量及借地成本，应用该工法可取得显著的经济、环保和社会效益。

鉴于目前该工法研究较少，本文参考铁路桥梁规范中关于预制T梁的要求，同时借鉴已有项目的工程应用情况，开展预制T梁两阶段张拉工艺的研究。预应力采用分次张拉工艺时，预应力张拉时间控制需根据混凝土强度而定，根据《公路桥涵施工技术规范》及混凝土拆模强度≥25MPa的要求，初步拟定混凝土强度达到设计强度的70%时进行初张拉，即35MPa；而初张力大小既要保证梁段在吊装转场时梁底不开裂，也要防止梁体在台座上反拱过大，造成梁顶开裂及线形误差过大等问题，经过试算，初张力宜为(0.2～0.6)σcon，本文取0.55σcon。C50混凝土(7d)弹性模量为2.77MPa，抗压强度(70%)为35MPa，抗拉强度为2.2MPa；张拉控制应力为1 395MPa，初张拉力为0.55×1 395MPa。

根据上述参数进行有限元计算分析，结果如图7所示。由图7a可知，梁端底部混凝土主拉应力约为1.9MPa，满足抗拉强度(7d)=2.2MPa的要求。

图7 T梁梁端混凝土应力

综上所述，分段张拉钢束可较好地控制梁端裂缝，初张拉时混凝土强度可为设计强度的70%，张拉力宜≤0.6σcon，且分段张拉还能避免混凝土早期养护时产生的温差和收缩裂缝，提高台座的使用效率，也能更好地控制梁体应力、挠度与反拱，确保梁体刚度和抗裂性能满足要求。

3.4 不同措施组合效应

对上述预制T梁裂缝控制可考虑上述措施的组合应用，本文选取分段张拉预应力钢束和塑胶底模措施共同应用进行计算，钢束初张拉力取0.6σcon，混凝土强度取35MPa(70%)，端模设置30mm×30mm橡胶层。如图7b所示，梁端主拉应力约1.2MPa。综上所述，不同裂缝控制措施可根据实际施工条件组合应用，不仅能提高预制T梁质量，还能提高工效。

4 预制T梁裂缝控制措施对比

根据上述计算分析，预制T梁裂缝控制措施主要有以下几种：①塑胶底模通过橡胶在预应力张拉过程中发生弹性变形，从而减小梁端局部应力，控制梁端裂缝较好，施工简便易行；②预制模板做倒角对模具要求较特殊，且倒角范围过大对梁端配筋有一定影响，工序较复杂；③钢底模涂刷脱模剂涂刷脱模剂可减小梁底与底模接触面的摩阻力，但有一定限度；④分段张拉预应力该方法可更好地控制梁体应力、挠度与反拱，避免梁体早期裂缝，提高台座使用效率。