杨峰
中交第二航务工程局有限公司
摘要：文章依托广东省交通工程30m预制简支箱梁的标准图，利用单因素分析法，采用midas civil 有限软件分析了顶板厚度偏差、底板厚度偏差、预应力孔道位置偏差、孔道压浆空隙长度、混凝土弹性模量偏差、预应力张拉控制力及回缩等7项施工常见的缺陷对30m预制箱梁单梁静载实验校验系数和承载力的敏感性，分析表明箱梁挠度的效验系数对混凝土弹性模量较敏感，敏感系数达到0.922，其次是箱梁顶底板厚度偏差，敏感系数为0.534；箱梁的承载力对预应力的张拉控制力极为敏感，敏感系数达到1.319。根据分析的结果，明确施工中关键控制因素，并提出了相应的施工建议。
关键词：预制箱梁；静载实验；校验系数；承载力；敏感性分析
20世纪90年代以来，预制梁由于期经济性、施工便捷性而在交通建设中大量采用，尤其在中小跨径的桥梁中运用更为广泛。影响预制梁结构性能的因素众多，为研究各因素对梁力学性能的影响，一些学者在近年做了大量研究，姜天华等通过分析车道的均布和集中荷载、砼弹模、截面惯性矩、预应力损失、张拉控制应力等因素的敏感性，确定了张拉控制力和预应力损失对预应力混凝土桥梁挠度最为敏感[1]；秦发祥等人考虑结构折减、预应力损失、收缩徐变这三个主要因素对成桥挠度值影响的敏感程度，发现T梁的挠度对结构刚度折减、预应力损失较敏感，对成桥一年后收缩徐变不敏感[2]，庞凌志考虑了材料的非线性对30m预应力简支箱梁的极限承载力进行全过程跟踪分析，最终得出预应力箱梁的极限承载力[3]；王德光等分析了孔道压浆缺陷对预应力混凝土梁力学性能的影响[4]。这些分析更多的集中在设计阶段、运营阶段，或者仅点状的分析施工误差引起结构力学性能影响，缺乏系统性，对于施工指导性不强。本文在以往的研究基础上，尝试采用单因素分析法，研究顶板厚度偏差、底板厚度偏差、预应力孔道位置偏差、孔道压浆空隙长度、混凝土弹性模量偏差、预应力张拉控制力及回缩等7项施工常见的缺陷等对30m预制简支梁单梁静载实验校验系数和承载力影响，并对其敏感性进行量化，确定各因素的影响程度，明确施工中的关键控制因素。
1、30m预制简支箱梁的设计概况
根据广东省标准图显示，30m预制简支箱梁中梁顶板宽2.4m厚0.18m，底板宽1m厚0.3m（0.18m），腹板厚0.3m（0.2m）。混凝土设计强度等级为C50，设置10束钢绞线，上面4束为5φ15.2，下面6束为6φ15.2。钢绞线强度为1860MPa，低松弛。设计荷载为公路Ⅰ级荷载。预制箱梁按照A类构件进行设计，即全断面不允许出现拉应力。
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a 端头断面 b 跨中断面
图1 箱梁断面图
Fig1 Section diagram of box girder
2、预制箱梁常见的施工缺陷
在混凝土配合比、钢筋、钢绞线、波纹管等原材料预制箱梁的施工缺陷主要可以分为三大类：结构截面模量和截面惯性矩变化导致结构刚度变化，混凝土的弹性模量的变化导致结构刚度变化，预应力出现变化导致结构预应力度出现变化。
2.1 结构截面模量和截面惯性矩变化
预制梁基本采用定性钢模，模板有专业的厂家加工，进场前均会经过各方验收，模板的结构尺寸满足设计要求，导致结构截面模量和截面惯性矩变化主要有以下因素：
1）顶板厚度偏差:主要原因为箱梁浇筑时顶板标高控制偏差，内模固定偏差或者上浮，顶板浮浆导致顶板有效厚度减小。
2）底板厚度偏差：主要原因为内模固定偏差或者上浮，底板浮浆导致底板有效厚度减小。
3）预应力位置偏差：由于波纹管定位偏差，导致截面的换算截面模量和换算截面惯性矩偏差。
4）孔道压浆饱满程度：孔道压浆饱满程度除了影响钢绞线与混凝土结构的共同受力之外，还减小结构的有效截面积。
2.2 混凝土弹性模量偏差
在混凝土配合比确定的条件下，混凝土弹性模量主要与混凝土养护质量、振捣质量有关。
1）养护质量对混凝土弹性模量的影响：根据吴佳、刘红兵等人的研究，认为混凝土养护过程也是水泥水化的过程，随着养护的持续，水化反应不断进行，水化产物持续生成，填充混凝土的微空隙，使空隙率减小，混凝土更加致密，混凝土的强度和弹性模量持续提高。养护的时间长短和养护的方式对混凝土强度和弹性模量的增长有直接的关系[5][6]。
2)混凝土振捣的影响：混凝土的振捣质量直接决定混凝土孔隙率的大小，振捣的越充分，混凝土的内部的气泡越少，孔隙率越小，混凝土的强度和弹性模量越高。
2.3 预应力变化
预应力的欠张拉、锚下回缩都会导致结构的预应力度的下降，降低结构的开裂弯矩。
3、分析的边界条件
3.1 材料
1）混凝土：
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混凝土按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）考虑收缩徐变的影响[7]。
2)钢绞线：
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3.2 预制箱梁单梁荷载试验取值及加载位置
预制箱梁的单梁荷载实验是依据理论状态的计算结果，对单梁进行加载，验证单梁的正常使用状态和承载能力是否满足设计要求。相对于成桥后的荷载实验，这种单梁的荷载实验，特别是首片梁的单梁荷载实验，能够在预制完成后第一时间检验箱梁预制质量是否满足设计要求，避免批量预制或者成桥后箱梁承载力检验不合格而带来不可预料的损失。
按照《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）5.1要求，静载实验选择结构控制性的截面应力、位移[8]，所以针对预制箱梁选择跨中截面的挠度和应变作为控制指标。
按照5.2的要求，静载实验以设计荷载作为控制荷载[6]，考虑到二期恒载、车辆荷载等是以均布荷载+集中力的方式作用在预制箱梁上，均布荷载分级加载相对困难，所以采用2个集中荷载代替（如图2所示），保证对跨中的应力的荷载效应一致。
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其中2P为荷载控制值，M为跨中等效弯矩，σ1为运营阶段跨中梁底应力，σ2为简支状态跨中梁底应力，W为跨中梁底的截面模量。
根据计算2P=1034kN。
3.3 预制箱梁极限承载力判定
该预制箱梁按照A类构件进行设计，即构件不允许出现拉应力。极限承载力判定以跨中应力为0为标准，荷载依旧采用3.2中等效荷载的方式，采用2个距离1.5m的集中力作用在跨中。
4、施工缺陷的敏感性分析
4.1 敏感系数定义
采用模型计算结果的响应变化的百分率与各参数变化的百分率比值按照线形进行拟合，拟合的曲线公式为f(△y/y)=A(△x/x)+B，其中A为敏感度系数。敏感系数越大说明结构对该参数的变化越敏感。
式中△y为考虑施工缺陷后模型计算结果的变化值，y为标准结构模型计算值，△x为施工缺陷导致结构参数的变化值，x为标准结构参数。
4.2 分析模型的建立
1）分析指标：选择静载实验下跨中的挠度、跨中梁底的应变校核系数以及结构在跨中梁底应变为0时的荷载作为分析指标。
2）施工缺陷的设置,如表3所示：
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3）施工阶段设置，根据施工流程，共设置3个施工阶段。
施工阶段1：箱梁施工，预应力的施加，混凝土龄期7天。
施工阶段2：预制梁简支状态存梁30天。
施工阶段3：施工2P荷载
4.3 分析结果
根据上述设置，利用midas civil建立模型计算，计算结果通过曲线拟合得到荷载实验条件下的静载实验下跨中的挠度、跨中梁底的应变校核系数以及结构承载力的对施工缺陷的敏感系数如表4所示：
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由表4敏感系数分析结果可知：
1）单一缺陷对挠度、应变、承载力的影响：随着顶板、底板厚度增加，实验荷载作用下预制箱梁跨中挠度、梁底应变均减小，承载力提高，其中挠度比承载力更为敏感；随着预应力孔道位置向上偏差和孔道压浆空隙率的增加，实验荷载作用下跨中挠度、梁底应变均增加，承载力减小，其中承载力比挠度更敏感；随着弹性模量的增加，实验荷载作用下跨中挠度、梁底应变均快速变小、承载力略为减小；预应力张拉控制力和锚下回缩对实验荷载作用下跨中挠度、梁底应变基本无影响，但是承载力对张拉控制力的变化极为敏感。
2）不同缺陷对单一结果的影响：在上述7中缺陷中，荷载作用下的跨中挠度、梁底应变对混凝土弹性模量最为敏感，敏感系数达到0.922，其次是顶板厚度偏差，预应力张拉控制力和锚下回缩对其基本无影响；A类构件的极限承载力对预应力张拉控制力极为敏感，敏感系数达到1.319，其次孔道位置的偏差。
5、结论和建议
本文通过模拟分析了顶板厚度偏差、底板厚度偏差、预应力孔道位置偏差、孔道压浆空隙长度、混凝土弹性模量偏差、预应力张拉控制力及回缩等7项施工常见的缺陷对30m预制箱梁在荷载作用下的跨中挠度、梁底应变的校核系数，A类构件的极限承载力的影响的敏感性，分析结果得到以下结论：
1）混凝土弹性模量变化极大影响了30m箱梁的在荷载作用下的挠度的校核系数，其敏感系数达到0.922，极大的影响了结构的正常使用状态的承载力，所以必须要严格控制。在混凝土配合比确定的条件下，必须要严格混凝土的养护和振捣工艺，减小混凝土的孔隙率，提高混凝土的密实性和弹性模量。
2）箱梁顶底板厚度的偏差对30m箱梁的在荷载作用下的挠度的校核系数也有较大的影响，敏感系数达到0.534，必须要严格控制箱梁模板安装的质量以及控制混凝土浮浆的厚度。
3）箱梁的承载力对预应力的张拉控制力极为敏感，敏感系数达到1.319，必须要严格控制，要严把张拉设备质量和标定关，减小设备误差；严把张拉操作工艺，减小操作误差。
4）孔道压浆空隙率虽然没有像混凝土弹性模量、预应力的张拉控制力对结构的影响那么敏感，但是孔道压浆的质量决定了钢绞线的耐久性，必须要严格控制压浆工艺，保证压浆的饱满度，确保预应力不会因为压浆不饱满而导致钢绞线锈蚀，预应力失效。
参考文献：
[1]姜天华,龚杰.预应力混凝土桥梁挠度的敏感性分析[J].中外公路,2015,35(05):135-138.
[2]秦发祥,魏家光,时元绪,邓淇元.预应力混凝土T梁桥挠度影响因素敏感性分析[J].河南城建学院学报,2019,28(01):18-23.
[3]庞凌志.30m预应力简支箱梁受弯极限承载力仿真分析[J].城市道桥与防洪,2015(02):41-43+51+7-8.
[4]王德光,吴珩,银晓东,罗辉,袁庆华,张军,代明净.孔道压浆缺陷对预应力混凝土梁力学性能的影响[J].土木工程与管理学报,2018,35(06):123-130.
[5]吴佳,杜红秀,杨军,姚利郎.桥梁用高性能混凝土养护龄期对弹性模量和孔隙结构的影响[J].混凝土,2016(04):32-35+38.
[6]刘红兵.养护条件对高性能混凝土力学性能影响研究[J].山西交通科技,2017(02):17-19+39.
[7] JTG3362-2018 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[S].2018(11):138-141.
[8] JTG/T J21-01-2015 《公路桥梁荷载试验规程》[S].2016(04):4-13.