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摘要：通过对预应力张拉过程进行箱梁应力监控，认为对移动模架法现浇箱梁预应力张拉采用分阶段张拉工艺是非常必要的，同时还可以检测预应力孔道的成孔质量、模架设计刚度及端部隔墙设计是否满足要求。
关键词：移动模架法制梁；分阶段张拉；应力监控；预应力效果；梁端局部应力
Abstract: Through the box beam stress monitoring in the tensioning process of the prestressing, we think it very necessary to use stretching process by moving die carrier cast-in-place box beam prestressed, and also can detect the passage hole quality, mold design stiffness and end wall design of the prestress pore, thus we can decide whether they meet the requirements.
Key words: movable formwork method beam; stretching process; stress monitoring ; prestressed effect; local stress of beam end
中图分类号：U445.463 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
武汉天兴洲天兴洲长江大桥正桥40.6m后张预应力混凝土双线简支箱梁受桥位、梁重、地质水文等不利条件限制，采用移动模架法施工，其预应力束的张拉工作需在桥位上带模进行。
箱梁混凝土浇筑后，移动模架会产生一定的下挠，此时梁体自重全部由移动模架承受；箱梁预施应力时，随预应力不断增加，梁体将逐渐拱起，移动模架逐步卸载。由于梁体的刚度较移动模架的刚度大，预应力张拉后梁体的上拱度比移动模架在梁体混凝土自重作用下的下挠小，因此预应力张拉过程中，梁体除承受部分自重荷载、预应力作用外，还将承受移动模架未释放变形生成的荷载。如果移动模架的刚度选择不合理（偏低），梁体上拱与移动模架下挠变形差别过大，则梁体自重大部分仍由支架承受，会造成在预应力作用下梁体上下缘局部应力过大，引起桥面板开裂。同时，由于梁体底面在预施应力过程中始终与移动模架压紧，会对梁体的纵向移动生产阻碍，影响梁体的预应力效果。此外，箱梁底板中心线两侧预应力束间距很大，张拉后容易引起端部底板沿中心线开裂，对梁体质量造成不利影响。
为此，该桥首孔箱梁张拉时需对预应力效果及梁端局部应力进行测试，以达到检验梁体预施应力效果、验证施工工艺的目的。
箱梁主要设计参数
箱梁采用等高度预应力混凝土单箱单室箱梁，箱梁中心线处梁高为3.591m，顶板宽度为13.4m，底板宽度为5.54m，腹板为斜腹板，斜率为1:5。箱梁顶板设双向横坡，在距箱梁中心线4.55m范围内设2％横坡。简支梁跨中截面中心线处顶板厚度为0.341m，底板厚0.3m，腹板厚0.5m，支点截面顶、底板厚度增至0.5m，腹板厚度增至0.65m。在梁端设横隔墙，隔墙厚度为1.0m（图1、图2）。
运营阶段主梁上缘最大应力-5.86MPa，最小应力+0.11MPa；主梁下缘最大应力-12.44MPa，最小应力-6.29MPa。静活载最大挠度（不计冲击）-6.5mm，为跨度的1/5815；恒载挠度+28.2mm（其中箱梁自重挠度-11.3mm，二期恒载挠度-8.5mm，预应力上拱度+28.9mm，徐变上拱度+19.1mm），为跨度的1/1340。
箱梁自重作用下移动模架设计挠度（不含模架重量）为100mm。
图1 箱梁跨中截面图（单位：cm）
图2 箱梁端部截面图（单位：cm）
2测点布置及主要仪器设备
梁体钢筋绑扎完成、混凝土浇筑前，在梁体的跨中截面埋设了8个内埋应变测点；梁体预应力张拉前，在箱梁跨中截面内布置了5个外贴应变测点，以测试梁体预施应力的效果，测点的位置及编号见图3。
图3 箱梁跨中截面应变测点布置图（单位：cm）
图4 箱梁两端部截面应变测点布置圖（单位：cm）
同时，在箱梁两端部底板中心线处还分别布置了各3个外贴应变测点，测试梁体预施应力时梁端横向应力的变化情况（图4）。
首孔箱梁试验中，共布置内埋及外贴振弦式应变测点19个，采用便携式读数仪测试预施应力及落梁前后梁体的应力变化，仪器设备的型号、性能见表1。
表1 试验设备及测点
根据模架在梁重作用下的设计挠度为100mm，梁体张拉设计上拱值（不计自重）为28.9mm,则移动模架在梁体自重下产生的竖向变形为全部预应力作用下（不计自重）上拱度的3.46倍，因此当全部预应力束张拉完成后，仅有约28％的自重作用于梁体，而其余部分
仍由移动模架承受。
图5 箱梁预应力束布置图（单位：cm）
根据计算结果（表2），在全部预应力及自重作用下，箱梁上、下缘的应力分别为-2.12MPa和-12.49MPa，与设计计算值-12.44MPa一致。在仅有28％自重作用时（移动模架不落架，预应力束全部张拉），箱梁上、下缘的应力分别为+1.24MPa和-18.65MPa。此时，箱梁顶板拉应力较大，容易造成桥面板的开裂。
表2预应力及自重下梁体应力计算结果汇总（单位：MPa）
为此，需采用分段张拉工艺，在张拉完8束W1～W4束、6束B2束（第一阶段张拉）后落梁，待全部自重作用后，再张拉剩余的2束B2及4束B1束（第二阶段张拉）。根据理论计算结果（表3），调整预应力束的张拉顺序后，在扣除2束B2及4束B1束作用后，预应力作用下梁体上、下缘的应力分别为+1.64MPa和
-14.64MPa，与28％自重应力叠加后上、下缘的应力分别为+0.33MPa和-12.25MPa，可以确保梁体预施应力过程中的安全。
表3调整张拉顺序后梁体应力计算结果汇总（单位：MPa）
4试验内容、结果与分析
试验过程中，实测梁体混凝土最高温度为34.5℃，最低温度为28.6℃，各测点测试前后温差不大，说明环境变化对测试结果影响很小，可忽略不计。
根据实测结果，梁体跨中截面实测平均应变与梁高呈良好线性关系（第一束张拉和落梁外），相关系数大于0.999，说明预应力张拉过程中梁体变形符合平截面原理，测试数据可靠，可以反映梁体的受力状况。
4.1 预应力效果测试结果
根据落梁前W1～W4、B2-1～3等14束预应力束第一阶段张拉前后梁体跨中截面的应力变化的实测结果（见表4），张拉过程中，箱梁上缘应力增加较小，最大实测拉应力为+0.79MPa，小于C50混凝土的抗拉强度，说明预应力张拉后箱梁顶板不会出现拉应力过大的现象。实测箱梁底板最大压应力分别为-10.48MPa、-10.79MPa和-10.88MPa，底板应力分别较为均匀，与理论计算值-12.55MPa较为接近，说明采用分段张拉后，箱梁上、下缘应力得到有效控制。
表4第一阶段张拉后跨中截面应力实测结果（单位：MPa）
应力拉为＋、压为－（与理论计算相反）。
进一步分析实测结果可以看出，由于移动模架对梁体的纵向移动会有所阻碍，因此实测箱梁应力比理论计算值偏低。通过理论计算结果与实测结果的对比，发现考虑34％自重作用与第一阶段张拉预应力作用组合的计算结果与实测结果更为平行，中性轴处轴向应力偏差约为0.74MPa。
图6 第一阶段张拉后箱梁跨中截面应力测试结果
上述结果说明，第一阶段张拉完成后、移动模架拆除前，箱梁的自重约2/3仍由支架承受，同时由于模板的阻碍，箱梁跨中截面轴向应力比理论计算值偏小0.74MPa。
根据箱梁第二阶段预应力束（B2-4、B1-1、B1-2）张拉后的实测应力变化结果（表5及图7），移动模架拆除后，箱梁跨中截面实测应力分布较为均匀，平均应力与理论计算值十分接近，换算至箱梁下缘的实测应力为6.20MPa，仅比理论计算值6.40MPa偏小3.1％。
表5第二阶段张拉后跨中截面应力实测结果（单位：MPa）
应力拉为＋、压为－（与理论计算相反）。
图7 第二阶段张拉后箱梁跨中截面应力变化测试结果
上述分析结果表明，二阶段预应力张拉完成时，实测箱梁跨中截面的预应力效果与理论计算值基本吻合，说明梁体各部位结构尺寸控制较好，预应力管道的定位计预应力张拉较为准确，梁体预施应力效果符合设计要求。
4.2 移动模架落架后应力测试结果
表6模架落架后跨中截面应力变化实测结果（单位：MPa）
应力拉为＋、压为－（与理论计算相反）。
根据移动模架落架后实测结果（表6及图8），箱梁跨中截面顶板最大压应力为-3.44MPa、底板最大拉应力为+3.40MPa。由于上述测试结果中包含第一阶段因移动模架阻碍造成的影响，因此应进行修正；根据第一阶段实测结果修正后的实测应力与按66％自重作用下的计算结果基本接近，底板平均应力偏差约12.3％。由于移动模架的拆除工作持续时间较长，并在白天进行，因此环境变化会对测试结果的精度造成一定影响。上述结果说明，虽然移动模架会对箱梁预施应力的分布造成一定影响，但拆除后可基本消除。
图8 移动模架落架后跨中截面应力测试结果
4.3 各张拉阶段预应力效果测试结果汇总
由表7及图9可知，箱梁实测预应力效果与理论计算值十分接近，根据扣除66％梁体自重后实测结果，换算至箱梁上、下缘的应力分别为-1.96MPa和-12.32MPa，与相应理论计算值-2.11MPa和-12.49MPa仅相差7.1％和1.4％。
表7梁体预应力束张拉后跨中截面应力实测结果汇总（单位：MPa）
图9各张拉阶段箱梁跨中截面应力测试结果与计算值比较
4.4 梁端局部应力测试结果
随箱梁腹板及底板预应力束的张拉，梁端底板横向拉应力呈不断上升的趋势（除梁端底板顶面在张拉W1束外）；落梁时，横向拉应力有减小的现象，此结果与箱梁设计综合试验的结果基本一致。根据实测结果（表8及图10），预应力张拉过程中，梁端局部横向最大拉应力分别为2.25MPa（南侧）和2.67MPa（北测），均出现在梁端底板的顶面。小于C50混凝土的抗拉强度（3.1MPa），梁端未出现局部开裂现象。
表8各张拉阶段箱梁梁端局部应力测试结果（单位：MPa）
应力拉为＋、压为－（与理论计算相反）。
图10 各张拉阶段箱梁梁端局部应力测试结果
5结论
（1）移动模架法现浇箱梁进行张拉时采用分阶段张拉工艺是非常必要的，否则极易引起桥面顶板及端部隔墙底板顶面混凝土因拉应力过大而开裂，同时箱梁底板的压应力还可以得到有效性控制。
（2）测试结果表明，箱梁预应力效果及分布与理论计算结果较为吻合，说明梁体各部位结构尺寸控制较好，预应力管道的定位及预应力张拉较为准确，梁体预施应力效果符合设计要求。
（3）带模张拉会对箱梁预应力施工造成一定影响，当支架拆除后上述影响可基本消除；但预应力施工过程中需加强对移动模架的观测，防止因阻力过大造成支架的损坏。
（4）根据应力测试结果，在满足模架落架的条件下，即预施应力完全抵抗梁体自重时，一阶段张拉孔束尽量减少，这样可以有效控制箱梁顶板及端部隔墙底板的开裂。
参考文献
1．铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土結构设计规范(TB10002.3-2005).北京: 中国铁道出版社,2005.
2.预应力混凝土用锚具、夹具及连接器应用技术规程（JGJ85-2002）.北京：中国铁道出版社，2002.
关键词：移动模架法制梁；分阶段张拉；应力监控；预应力效果；梁端局部应力
Abstract: Through the box beam stress monitoring in the tensioning process of the prestressing, we think it very necessary to use stretching process by moving die carrier cast-in-place box beam prestressed, and also can detect the passage hole quality, mold design stiffness and end wall design of the prestress pore, thus we can decide whether they meet the requirements.
Key words: movable formwork method beam; stretching process; stress monitoring ; prestressed effect; local stress of beam end
中图分类号：U445.463 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
武汉天兴洲天兴洲长江大桥正桥40.6m后张预应力混凝土双线简支箱梁受桥位、梁重、地质水文等不利条件限制，采用移动模架法施工，其预应力束的张拉工作需在桥位上带模进行。
箱梁混凝土浇筑后，移动模架会产生一定的下挠，此时梁体自重全部由移动模架承受；箱梁预施应力时，随预应力不断增加，梁体将逐渐拱起，移动模架逐步卸载。由于梁体的刚度较移动模架的刚度大，预应力张拉后梁体的上拱度比移动模架在梁体混凝土自重作用下的下挠小，因此预应力张拉过程中，梁体除承受部分自重荷载、预应力作用外，还将承受移动模架未释放变形生成的荷载。如果移动模架的刚度选择不合理（偏低），梁体上拱与移动模架下挠变形差别过大，则梁体自重大部分仍由支架承受，会造成在预应力作用下梁体上下缘局部应力过大，引起桥面板开裂。同时，由于梁体底面在预施应力过程中始终与移动模架压紧，会对梁体的纵向移动生产阻碍，影响梁体的预应力效果。此外，箱梁底板中心线两侧预应力束间距很大，张拉后容易引起端部底板沿中心线开裂，对梁体质量造成不利影响。
为此，该桥首孔箱梁张拉时需对预应力效果及梁端局部应力进行测试，以达到检验梁体预施应力效果、验证施工工艺的目的。
箱梁主要设计参数
箱梁采用等高度预应力混凝土单箱单室箱梁，箱梁中心线处梁高为3.591m，顶板宽度为13.4m，底板宽度为5.54m，腹板为斜腹板，斜率为1:5。箱梁顶板设双向横坡，在距箱梁中心线4.55m范围内设2％横坡。简支梁跨中截面中心线处顶板厚度为0.341m，底板厚0.3m，腹板厚0.5m，支点截面顶、底板厚度增至0.5m，腹板厚度增至0.65m。在梁端设横隔墙，隔墙厚度为1.0m（图1、图2）。
运营阶段主梁上缘最大应力-5.86MPa，最小应力+0.11MPa；主梁下缘最大应力-12.44MPa，最小应力-6.29MPa。静活载最大挠度（不计冲击）-6.5mm，为跨度的1/5815；恒载挠度+28.2mm（其中箱梁自重挠度-11.3mm，二期恒载挠度-8.5mm，预应力上拱度+28.9mm，徐变上拱度+19.1mm），为跨度的1/1340。
箱梁自重作用下移动模架设计挠度（不含模架重量）为100mm。
图1 箱梁跨中截面图（单位：cm）
图2 箱梁端部截面图（单位：cm）
2测点布置及主要仪器设备
梁体钢筋绑扎完成、混凝土浇筑前，在梁体的跨中截面埋设了8个内埋应变测点；梁体预应力张拉前，在箱梁跨中截面内布置了5个外贴应变测点，以测试梁体预施应力的效果，测点的位置及编号见图3。
图3 箱梁跨中截面应变测点布置图（单位：cm）
图4 箱梁两端部截面应变测点布置圖（单位：cm）
同时，在箱梁两端部底板中心线处还分别布置了各3个外贴应变测点，测试梁体预施应力时梁端横向应力的变化情况（图4）。
首孔箱梁试验中，共布置内埋及外贴振弦式应变测点19个，采用便携式读数仪测试预施应力及落梁前后梁体的应力变化，仪器设备的型号、性能见表1。
表1 试验设备及测点
根据模架在梁重作用下的设计挠度为100mm，梁体张拉设计上拱值（不计自重）为28.9mm,则移动模架在梁体自重下产生的竖向变形为全部预应力作用下（不计自重）上拱度的3.46倍，因此当全部预应力束张拉完成后，仅有约28％的自重作用于梁体，而其余部分
仍由移动模架承受。
图5 箱梁预应力束布置图（单位：cm）
根据计算结果（表2），在全部预应力及自重作用下，箱梁上、下缘的应力分别为-2.12MPa和-12.49MPa，与设计计算值-12.44MPa一致。在仅有28％自重作用时（移动模架不落架，预应力束全部张拉），箱梁上、下缘的应力分别为+1.24MPa和-18.65MPa。此时，箱梁顶板拉应力较大，容易造成桥面板的开裂。
表2预应力及自重下梁体应力计算结果汇总（单位：MPa）
为此，需采用分段张拉工艺，在张拉完8束W1～W4束、6束B2束（第一阶段张拉）后落梁，待全部自重作用后，再张拉剩余的2束B2及4束B1束（第二阶段张拉）。根据理论计算结果（表3），调整预应力束的张拉顺序后，在扣除2束B2及4束B1束作用后，预应力作用下梁体上、下缘的应力分别为+1.64MPa和
-14.64MPa，与28％自重应力叠加后上、下缘的应力分别为+0.33MPa和-12.25MPa，可以确保梁体预施应力过程中的安全。
表3调整张拉顺序后梁体应力计算结果汇总（单位：MPa）
4试验内容、结果与分析
试验过程中，实测梁体混凝土最高温度为34.5℃，最低温度为28.6℃，各测点测试前后温差不大，说明环境变化对测试结果影响很小，可忽略不计。
根据实测结果，梁体跨中截面实测平均应变与梁高呈良好线性关系（第一束张拉和落梁外），相关系数大于0.999，说明预应力张拉过程中梁体变形符合平截面原理，测试数据可靠，可以反映梁体的受力状况。
4.1 预应力效果测试结果
根据落梁前W1～W4、B2-1～3等14束预应力束第一阶段张拉前后梁体跨中截面的应力变化的实测结果（见表4），张拉过程中，箱梁上缘应力增加较小，最大实测拉应力为+0.79MPa，小于C50混凝土的抗拉强度，说明预应力张拉后箱梁顶板不会出现拉应力过大的现象。实测箱梁底板最大压应力分别为-10.48MPa、-10.79MPa和-10.88MPa，底板应力分别较为均匀，与理论计算值-12.55MPa较为接近，说明采用分段张拉后，箱梁上、下缘应力得到有效控制。
表4第一阶段张拉后跨中截面应力实测结果（单位：MPa）
应力拉为＋、压为－（与理论计算相反）。
进一步分析实测结果可以看出，由于移动模架对梁体的纵向移动会有所阻碍，因此实测箱梁应力比理论计算值偏低。通过理论计算结果与实测结果的对比，发现考虑34％自重作用与第一阶段张拉预应力作用组合的计算结果与实测结果更为平行，中性轴处轴向应力偏差约为0.74MPa。
图6 第一阶段张拉后箱梁跨中截面应力测试结果
上述结果说明，第一阶段张拉完成后、移动模架拆除前，箱梁的自重约2/3仍由支架承受，同时由于模板的阻碍，箱梁跨中截面轴向应力比理论计算值偏小0.74MPa。
根据箱梁第二阶段预应力束（B2-4、B1-1、B1-2）张拉后的实测应力变化结果（表5及图7），移动模架拆除后，箱梁跨中截面实测应力分布较为均匀，平均应力与理论计算值十分接近，换算至箱梁下缘的实测应力为6.20MPa，仅比理论计算值6.40MPa偏小3.1％。
表5第二阶段张拉后跨中截面应力实测结果（单位：MPa）
应力拉为＋、压为－（与理论计算相反）。
图7 第二阶段张拉后箱梁跨中截面应力变化测试结果
上述分析结果表明，二阶段预应力张拉完成时，实测箱梁跨中截面的预应力效果与理论计算值基本吻合，说明梁体各部位结构尺寸控制较好，预应力管道的定位计预应力张拉较为准确，梁体预施应力效果符合设计要求。
4.2 移动模架落架后应力测试结果
表6模架落架后跨中截面应力变化实测结果（单位：MPa）
应力拉为＋、压为－（与理论计算相反）。
根据移动模架落架后实测结果（表6及图8），箱梁跨中截面顶板最大压应力为-3.44MPa、底板最大拉应力为+3.40MPa。由于上述测试结果中包含第一阶段因移动模架阻碍造成的影响，因此应进行修正；根据第一阶段实测结果修正后的实测应力与按66％自重作用下的计算结果基本接近，底板平均应力偏差约12.3％。由于移动模架的拆除工作持续时间较长，并在白天进行，因此环境变化会对测试结果的精度造成一定影响。上述结果说明，虽然移动模架会对箱梁预施应力的分布造成一定影响，但拆除后可基本消除。
图8 移动模架落架后跨中截面应力测试结果
4.3 各张拉阶段预应力效果测试结果汇总
由表7及图9可知，箱梁实测预应力效果与理论计算值十分接近，根据扣除66％梁体自重后实测结果，换算至箱梁上、下缘的应力分别为-1.96MPa和-12.32MPa，与相应理论计算值-2.11MPa和-12.49MPa仅相差7.1％和1.4％。
表7梁体预应力束张拉后跨中截面应力实测结果汇总（单位：MPa）
图9各张拉阶段箱梁跨中截面应力测试结果与计算值比较
4.4 梁端局部应力测试结果
随箱梁腹板及底板预应力束的张拉，梁端底板横向拉应力呈不断上升的趋势（除梁端底板顶面在张拉W1束外）；落梁时，横向拉应力有减小的现象，此结果与箱梁设计综合试验的结果基本一致。根据实测结果（表8及图10），预应力张拉过程中，梁端局部横向最大拉应力分别为2.25MPa（南侧）和2.67MPa（北测），均出现在梁端底板的顶面。小于C50混凝土的抗拉强度（3.1MPa），梁端未出现局部开裂现象。
表8各张拉阶段箱梁梁端局部应力测试结果（单位：MPa）
应力拉为＋、压为－（与理论计算相反）。
图10 各张拉阶段箱梁梁端局部应力测试结果
5结论
（1）移动模架法现浇箱梁进行张拉时采用分阶段张拉工艺是非常必要的，否则极易引起桥面顶板及端部隔墙底板顶面混凝土因拉应力过大而开裂，同时箱梁底板的压应力还可以得到有效性控制。
（2）测试结果表明，箱梁预应力效果及分布与理论计算结果较为吻合，说明梁体各部位结构尺寸控制较好，预应力管道的定位及预应力张拉较为准确，梁体预施应力效果符合设计要求。
（3）带模张拉会对箱梁预应力施工造成一定影响，当支架拆除后上述影响可基本消除；但预应力施工过程中需加强对移动模架的观测，防止因阻力过大造成支架的损坏。
（4）根据应力测试结果，在满足模架落架的条件下，即预施应力完全抵抗梁体自重时，一阶段张拉孔束尽量减少，这样可以有效控制箱梁顶板及端部隔墙底板的开裂。
参考文献
1．铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土結构设计规范(TB10002.3-2005).北京: 中国铁道出版社,2005.
2.预应力混凝土用锚具、夹具及连接器应用技术规程（JGJ85-2002）.北京：中国铁道出版社，2002.