李波，韓福洲

(中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210014)

1 引言

3-5φs15.2扁錨橫向預(yù)應(yīng)力體系由于占用頂板尺寸較少(常見波紋管高度為19 mm)，截面削弱度低，在箱梁橋橫向預(yù)應(yīng)力體系中通常為設(shè)計者所采用。但一般來說，該體系又具有以下幾方面缺點：① 由于其鋼絞線短，傳力錨固時夾片回縮引起的預(yù)應(yīng)力損失大；② 鋼絞線在錨頭處存在彎折，錨口摩阻損失大，在設(shè)計中難以準(zhǔn)確考慮；③ 扁錨體系波紋管高度僅為19 mm，鋼絞線公稱直徑已達(dá)15.24 m，實際孔道摩阻損失較大，且壓漿不易密實等。

采用大直徑、強度等級更高的鋼絞線代替目前大量使用的φs15.2鋼絞線，能夠節(jié)約鋼材，并且可以減小每束預(yù)應(yīng)力鋼絞線的根數(shù)，這樣既方便了鋼絞線的穿束，又容易把控施工質(zhì)量，提高施工效率。因此從減小鋼絞線的根數(shù)，免除使用扁錨，減小錨口預(yù)應(yīng)力損失的角度出發(fā)，建議研究一種新型單根大直徑鋼絞線作為橫向預(yù)應(yīng)力體系來替代扁錨體系，相應(yīng)實體模型試驗在文獻(xiàn)[4]中進(jìn)行了詳細(xì)論證。該文首先對單根大直徑鋼絞線橫向預(yù)應(yīng)力體系進(jìn)行設(shè)計，確定主要構(gòu)造參數(shù)；其次，在實橋上對該新型橫向預(yù)應(yīng)力體系進(jìn)行應(yīng)用研究，驗證規(guī)模應(yīng)用的可行性。

2 工程概況

依托橋梁上部結(jié)構(gòu)采用懸澆變截面連續(xù)箱梁，跨徑布置為(35+60+40) m，截面形式為單箱單室，箱梁全寬13.65 m，主橋箱梁頂板厚為0.28 m，底板厚度按二次拋物線，由跨中的0.3 m變化至距0#塊中心線3.0 m處的0.6 m。箱梁腹板厚度：1#～3#梁段采用0.75 m，5#～6#梁段采用0.45 m，4#梁段由0.75 m直線漸變到0.45 m。箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。主橋連續(xù)箱梁采用掛籃懸臂澆筑法施工，各單“T”箱梁除0#塊采用在支架上現(xiàn)澆外，其余分為6對梁段，均采用對稱平衡懸臂逐段澆筑法施工。箱梁縱向懸澆分段長度為(1×3.5+5×4.0) m。橋梁縱斷面圖及箱梁典型橫斷面圖分別見圖1、2。

圖1 依托橋梁縱斷面圖(單位：cm)

圖2 箱梁典型橫斷面圖(單位：cm)

3 設(shè)計方案研究

(1) 鋼絞線和波紋管

GBT 31314-2014《多絲大直徑高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線》中大直徑鋼絞線型號主要包括公稱直徑為17.8、19.3、20.3、21.8和28.6 mm5種，其中19.3 mm級以下的鋼絞線與扁錨體系常用的15.24 mm的鋼絞線相比，截面面積提升不大，兩者實際作用效應(yīng)的對比不明顯。同時，考慮日本橋梁的橫向預(yù)應(yīng)力常使用21.8、28.6 mm的鋼絞線，因此，不將17.8 mm鋼絞線作為考慮的方案。

中國箱梁頂板常見設(shè)計厚度一般為28 cm，采用φs21.8和φs28.6的鋼絞線作為橫向預(yù)應(yīng)力技術(shù)上都可行。但是通過調(diào)研中國波紋管廠商，發(fā)現(xiàn)橋梁工程中使用的圓波紋管一般為縱向預(yù)應(yīng)力使用，內(nèi)徑一般為50 mm以上，有少數(shù)廠商生產(chǎn)內(nèi)徑為30 mm的金屬波紋管。實橋設(shè)計中選用φs21.8鋼絞線和內(nèi)徑30 mm的圓波紋管進(jìn)行配套，φs28.6鋼絞線和內(nèi)徑500 mm的圓波紋管進(jìn)行配套。

(2) 錨具

配套錨具系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足JT/T 329-2010《公路橋梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線用錨具、夾具和連接器》要求。目前中國已有多家企業(yè)能夠生產(chǎn)大直徑鋼絞線配套的錨固系統(tǒng)，且該類錨具較多使用在礦山等大型構(gòu)筑物建設(shè)中，該項目選用M22-1型單孔錨具與φs21.8鋼絞線配套使用。

(3) 橫向預(yù)應(yīng)力線形

文獻(xiàn)[1]中指出對于扁錨體系的橫向預(yù)應(yīng)力，直線布束和豎彎布束的實際作用效果相差不大，而直線布束還具有施工方便，預(yù)應(yīng)力損失小等優(yōu)勢。大直徑鋼絞線由9根鋼絲捻制而成，在頂板的狹小空間內(nèi)進(jìn)行彎折更加不容易。同時，通過調(diào)研日本某橋的施工圖紙(圖3)顯示，該橋橫向預(yù)應(yīng)力采用φs21.8鋼絞線，橫向預(yù)應(yīng)力線采用直線布束。因此綜合考慮，大直徑橫向預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計采用直線布束形式(圖4)。

圖3 日本東名第二高速公路φs28.6鋼絞線橫向預(yù)應(yīng)力布置

圖4 依托橋梁橫向預(yù)應(yīng)力布置圖(單位：cm)

(4) 有效預(yù)應(yīng)力

按照J(rèn)TG 3362-2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》，張拉控制應(yīng)力取為(0.75fpk=13 955 MPa，分別計算各項預(yù)應(yīng)力損失如表1)。通過計算可得扁錨體系有效預(yù)應(yīng)力為1 048.8 MPa，大直徑體系有效預(yù)應(yīng)力約為1 103.8 MPa。

表1 后張法預(yù)應(yīng)力損失計算結(jié)果

(5) 布置間距

橫向預(yù)應(yīng)力體系施加的主要目的是為箱梁頂板提供預(yù)壓應(yīng)力，避免橋梁頂板后期產(chǎn)生縱向開裂。因此，此次預(yù)應(yīng)力布置間距的設(shè)置應(yīng)以頂板有效預(yù)壓應(yīng)力較常規(guī)扁錨體系不降低或略有提高作為設(shè)計要求。

建立箱梁平面框架模型按照不同布置間距對扁錨體系和大直徑鋼絞線體系有效預(yù)壓應(yīng)力效應(yīng)進(jìn)行計算，結(jié)果如表2所示。由表2可知：采用φs21.8大直徑鋼絞線，當(dāng)設(shè)置間距為0.4 m時，預(yù)壓應(yīng)力水平較扁錨體系略高。因此，依托橋梁設(shè)計采用間距為0.4 m。

(6) 對比結(jié)果

對單根大直徑體系與扁錨體系從截面面積、布置間距、摩阻損失等多個方面進(jìn)行對比總結(jié)如表3所示，由表3可以看出：單根大直徑體系代替常規(guī)扁錨體系具有可行性。

表2 扁錨體系與大直徑鋼絞線體系作用效應(yīng)對比

表3 大直徑鋼絞線體系與扁錨體系對比結(jié)果

4 實橋應(yīng)用研究

在論證設(shè)計方案可行性和等比例模型試驗驗證之后，在依托橋梁工程項目中全面應(yīng)用了單根大直徑鋼絞線橫向預(yù)應(yīng)力體系，以論證規(guī)模應(yīng)用的可行性。

4.1 實施過程

對單根大直徑鋼絞線橫向預(yù)應(yīng)力體系實施過程進(jìn)行了跟蹤調(diào)查，從鋼絞線穿束、錨具安裝、張拉、灌漿全過程進(jìn)行了跟蹤觀測?，F(xiàn)場一線工人反饋該體系穿束方便，張拉較原扁錨體系簡單，但由于間距40 cm一道，張拉數(shù)量增加，實際工作量并未有效減少。因此，后期大直徑鋼絞線橫向預(yù)應(yīng)力體系應(yīng)用可以進(jìn)一步拓寬思路，研究更大直徑鋼絞線應(yīng)用的可能性，降低鋼絞線根數(shù)，并增加預(yù)壓應(yīng)力。實橋大直徑鋼絞線橫向預(yù)應(yīng)力主要施工工序流程圖見圖5。

4.2 測試結(jié)果

在橫向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉前后，分別測取對應(yīng)工況預(yù)埋振弦式傳感器(圖6)應(yīng)變值，實現(xiàn)對混凝土壓應(yīng)力的監(jiān)測，跟蹤新型預(yù)應(yīng)力體系的實際作用效果，具體測試數(shù)據(jù)如表4所示，由表4可以看出：大直徑鋼絞線橫向預(yù)應(yīng)力體系與理論計算值基本吻合，預(yù)壓效果良好。

5 結(jié)論與展望

(1) 在混凝土箱梁橫向預(yù)應(yīng)力設(shè)計中采用單根大直徑鋼絞線預(yù)應(yīng)力體系具有較強的可行性，鋼絞線可選用φs21.8或φs28.6型鋼絞線，配套波紋管內(nèi)徑可根據(jù)頂板空間情況選擇φ30或φ50 mm內(nèi)徑波紋管。

圖5 大直徑橫向預(yù)應(yīng)力鋼束施工過程圖片

圖6 頂板預(yù)壓應(yīng)力監(jiān)測區(qū)域及傳感器圖示

(2) 設(shè)計時以預(yù)壓應(yīng)力水平作為選擇大直徑鋼絞線布置間距的主要指標(biāo)，1-φs21.8(間距0.4 m)大直徑鋼絞線體系與常見3-φs15.2(間距0.5 m)扁錨體系預(yù)壓應(yīng)力水平基本相當(dāng)，設(shè)計時可結(jié)合計算情況進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。

(3) 單根大直徑鋼絞線橫向預(yù)應(yīng)力體系現(xiàn)場實施放樣簡單，張拉方便，現(xiàn)場實施可操作性強；實測預(yù)壓應(yīng)力水平與理論值偏差較小，預(yù)應(yīng)力施加效果良好。

(4) 當(dāng)前大直徑鋼絞線在礦山、大型構(gòu)筑物等領(lǐng)域使用較多，在橋梁專業(yè)應(yīng)用較少，還需進(jìn)一步研究大直徑鋼絞線在橋梁工程中的深度應(yīng)用，如大直徑鋼絞線預(yù)應(yīng)力體系在縱向預(yù)應(yīng)力體系中的應(yīng)用，以減少施工過程中過多穿束、張拉帶來的不便，提高施工效率，改善結(jié)構(gòu)受力。

表4 單根大直徑鋼絞線體系預(yù)壓應(yīng)力測試結(jié)果