王壹帆，王海有，白 哲，王 健，曹金奎，王曉豐，薛秋香，劉自強，岳 超

(1.平頂山市公路工程質量檢測中心，河南 平頂山 467000；2.平頂山市公路事業(yè)發(fā)展中心，河南 平頂山 467000；3.河南城建學院 土木與交通工程學院，河南 平頂山 467036；4.河南中亞交建集團有限公司，河南 平頂山 467000；5.鄭州市大道公路工程有限公司，河南 鄭州 450000；6.河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000)

由于先張法預應力混凝土空心橋板具有跨越能力大、結構及受力簡單、施工便捷、能大批量工廠化集中生產、造價低等優(yōu)點而得到廣泛、大量地應用，但其出現(xiàn)病害較多，特別是極易發(fā)生早期病害，如橋面鋪裝3～5 a就會損壞[1]。其主要原因之一是沒有對橋板的拱度值進行全過程(包括生產階段與運營階段)控制，即生產階段沒有精準控制拱度值以及運營階段沒有預防性補償拱度值損失。在生產階段，理論上講先張法預應力空心板的實際拱度(簡稱拱度，是預應力放張后空心板底面縱向形成的弧線)和實際拱度值(簡稱拱度值，是拱度弧線的矢高)均應分別與設計拱度(又叫預拱度)和設計拱度值(又叫預拱度值，是通過理論計算預計設定的值)一致，但事實并非如此，橋板的拱度值大小不一，且與預拱度值相差較大；在運營階段，拱度值損失累積過大，導致頻繁維修，不但養(yǎng)護費用增加、橋梁使用率降低、社會使用成本升高、存在安全隱患，嚴重時甚至會造成安全事故。因此，對先張法預應力混凝土空心橋板拱度值精準控制及其損失的預防性補償技術進行研究十分必要。

1 先張法預應力混凝土空心橋板拱度值全過程控制的現(xiàn)狀

目前，在生產階段鋼絞線放張后，橋板的拱度自由發(fā)展，沒有控制辦法，結果導致同型號甚至是同一槽橋板的拱度值大小不一，而且跨徑20 m及其以下預應力混凝土空心橋板的拱度值普遍偏大，跨徑大于20 m預應力混凝土空心橋板的拱度值普遍偏小。

運營階段預應力混凝土空心橋板的拱度值一般不進行控制，直到拱度值損失累積過大導致承載能力嚴重不足或者破壞后才進行維修，有時采用體外預應力補償拱度值損失，有時作廢棄處理，這些處理方法都屬于事后處理。

一座橋梁所用橋板的拱度值不同將會帶來很大的危害。先張法預應力混凝土空心橋板拱度值大小不一導致橋板性能不一，拱度值過大將影響橋板的使用剛度，加大車輛的沖擊作用，引起橋梁的劇烈振動，降低橋梁的使用品質與壽命；同時，可能導致橋面鋪裝混凝土厚度不均，極易造成橋梁上部結構過早損壞；另外，拱度值小于設計值時很容易出現(xiàn)負拱度，使橋板中間底部產生過大的撓度，進而導致混凝土受拉而開裂，從而引起預應力筋和鋼筋的銹蝕，致使整個構件乃至整座橋梁上部結構破壞。

運營階段拱度值不予控制，自由發(fā)展，直至拱度值損失累積過大，使橋梁不能持續(xù)保持設計承載能力[2]，加速損壞，甚至引發(fā)安全隱患，嚴重者可能造成安全事故。

先張法預應力混凝土空心橋板拱度值大小不一、拱度值損失累積過大及其他不利因素有可能疊加，造成更大的危害。

2 拱度值大小不一及拱度值損失累積過大的主要原因

2.1 先張法預應力混凝土空心橋板拱度值大小不一的主要原因

先張法預應力混凝土空心橋板拱度值大小不一的原因較為復雜，主要有以下幾個方面：

(1)先張法預應力混凝土空心橋板拱度值的設計計算理論與實際偏差較大。影響拱度值的因素很多，并且錯綜復雜、隨機性強，設計計算理論不能完全涵蓋實際情況，導致出現(xiàn)系統(tǒng)性、規(guī)律性的較大偏差[3-6]。

(2)先張法預應力混凝土空心橋板實行工廠化生產，一般同槽可以生產多塊橋板，它們的鋼絞線張拉應力應該是相等的，混凝土澆筑時間、養(yǎng)護條件等可以認為基本上也是一樣的，但實際上其拱度值也大小不一[7]，表明影響先張法預應力混凝土空心橋板拱度值的因素存在不確定性，進而導致拱度值不可精確控制。

(3)預應力的大小不一導致拱度值大小不一。預應力的大小是決定先張法預應力混凝土空心橋板拱度值的第一要素，拱度值是預應力的表征，并且拱度值對預應力的變化反應靈敏。預應力大則拱度值大；反之亦然。由于設備、操作等系統(tǒng)性誤差或者結構性差別是不可避免的，導致不同槽的橋板的拱度值不同。

(4)混凝土強度的離散性導致拱度值大小不一?；炷翉姸扔绊懴葟埛A應力混凝土空心橋板的拱度值，特別是放張時混凝土強度對拱度值的影響較大?；炷翉姸雀邉t拱度值??；混凝土強度低則拱度值大。由于原材料的離散性、不同橋板混凝土澆筑不可能同時進行、養(yǎng)護以及存放條件等的不同，使混凝土強度出現(xiàn)較大離散性，導致橋板的拱度值不同[8-10]。

(5)混凝土齡期不同導致先張法預應力混凝土空心橋板的拱度值大小不一。橋板存放期對拱度值的影響很大[11-12]，在工程實踐中，同橋同型號橋板的預制往往需要持續(xù)較長一段時間，而橋板的運輸安裝一般在很短的時間內完成，使不同橋板混凝土的齡期差別較大，導致拱度值大小不一。

如上所述，影響先張法預應力混凝土空心橋板拱度值的因素很多，不可完全控制，而且主要因素也不可控或不可完全控制，在工程實踐中絕大多數(shù)只是針對上述因素采取措施加強拱度值的控制，結果導致其拱度值一直沒有得到精準控制，這就需要研發(fā)新的技術來解決這個問題。

2.2 預應力混凝土空心橋板拱度值損失累積過大的主要原因

預應力混凝土空心橋板拱度值損失是預應力損失所致，引起預應力損失的因素很多，準確測量或者計算非常困難，而且諸多因素會發(fā)生交互作用，相互影響。拱度值損失的主要原因有：(1)混凝土徐變引起預應力損失，導致拱度值損失[13]；(2)鋼筋(包括預應力筋和非預應力筋)松弛引起預應力損失，導致拱度值損失[14]。

預應力損失是預應力混凝土空心橋板的固有屬性，無法消除[15]，所以對預應力損失進行補償是必須的，而且只有進行預防性的預應力損失補償，才能避免拱度值損失累積過大，從而使其持續(xù)保持設計承載能力，避免早期損壞。

3 先張法預應力混凝土空心橋板拱度值全過程控制方法

調控先張法預應力混凝土空心橋板拱度值最簡單且有效的方法是調整預應力的大小，而對于先張法預應力混凝土空心橋板，無法利用先張預應力鋼絞線進行調控，只有采用體外預應力鋼絞線調控施加在橋板上的預應力。

針對生產階段先張法預應力混凝土空心橋板預拱度值的現(xiàn)狀——大小不一且大多偏大，控制困難，提出的解決思路是：對于拱度值偏大者，首先增加預應力鋼絞線的失效，使其預應力減小，即保證拱度值小于設計值，然后設置體外預應力系統(tǒng)，在運輸安裝前張拉體外預應力鋼絞線，把橋板的拱度值精準調控到設計值。

針對運營階段先張法預應力混凝土空心橋板預拱度值的現(xiàn)狀——損失自由累積，測量或者計算非常困難，提出的解決思路是：設置體外預應力系統(tǒng)，實時監(jiān)測拱度值損失累積情況，進行拱度值損失預防性補償，避免由于拱度值損失累積過大而導致橋板承載能力下降。

3.1 設置拱度值精準控制及其損失的預防性補償系統(tǒng)

先張法預應力混凝土空心橋板拱度值精準控制及其損失的預防性補償系統(tǒng)如圖1所示，簡稱預設系統(tǒng)，其中的鋼絞線稱為預設鋼絞線。

圖1 拱度值精準控制及其損失的預防性補償系統(tǒng)示意圖

預設系統(tǒng)包括左端板、右端板、左拉桿、右拉桿、左錨具墊板、右錨具墊板、左錨具、右錨具、轉向軸、轉向軸底座和預設鋼絞線。其中：左端板和右端板設置在空心橋板端頭下部；預設鋼絞線的左端設置左錨具，左錨具通過左錨具墊板和左拉桿固定在左端板上；左拉桿兩端通過螺絲分別與左錨具墊板和左端板連接；預設鋼絞線的另一端設有右錨具，右錨具通過右錨具墊板設置在空心橋板右端頭底部；預設鋼絞線的彎折處通過設置在空心橋板空心中的轉向軸、轉向軸底座和右拉桿連接；右拉桿兩端通過螺絲分別與右端板和轉向軸底座連接。

3.2 先張法預應力混凝土空心橋板拱度值精準控制方法

3.2.1 確定先張法預應力鋼絞線失效方案

依據(jù)經驗判斷工程實踐中先張法預應力混凝土空心橋板的拱度值是否大于設計值；若不大于設計值，則跳過此步驟；若大于設計值，則應讓部分先張法預應力鋼絞線失效。

讓部分先張法預應力鋼絞線失效的方式為對等設置要失效的先張法預應力鋼絞線，包括橫向和縱向對等設置，其中：橫向是對稱失效，包括先張法預應力鋼絞線的位置和失效長度；縱向是相等失效，先張法預應力鋼絞線兩端的失效長度相等。

先張法預應力鋼絞線失效的程度根據(jù)經驗確定，原則是確保運輸安裝時拱度值不大于設計值，一般先張法預應力鋼絞線失效方案為：中間的一根預應力鋼絞線兩端各3～5 m長失效，選擇中間的一根預應力鋼絞線兩端失效的另一個目的是為在底板上為預設鋼絞線穿孔預留位置。

3.2.2 設置預設系統(tǒng)，并進行初步張拉

預設系統(tǒng)安裝后進行初步張拉，初步張拉應力為5～10 MPa，目的是使預設系統(tǒng)各部分緊固。

3.2.3 調整先張法預應力混凝土空心橋板的拱度值至預拱度值

橋板運輸安裝的前1 d進行拱度值調整，使先張法預應力混凝土空心橋板的拱度值等于預拱度值。施工時除了要符合現(xiàn)行規(guī)范的相關要求外，還要遵循以下要求：

張拉預設鋼絞線時，荷載要分級逐步增加，每增加一級荷載持荷2～5 min，然后測量橋板的拱度值，如此反復；在加荷的后期，橋板的拱度值逐漸接近預拱度值，每級增加的荷載也逐漸減小，當橋板的拱度值達到預拱度值時停止加載。對橋板的拱度值進行精確控制調整完成時的誤差ε不超過0.01 mm(ε為拱度值與預拱度值的差)。

在先張法預應力混凝土空心板橋上部結構中，預應力混凝土空心橋板、非預應力混凝土的企口縫和橋面鋪裝要共同工作，一起變形，而預應力混凝土空心橋板具有抵消變形而不開裂的性能，非預應力混凝土的企口縫和橋面鋪裝則沒有此性能，因此，預應力混凝土空心橋板的承載能力越弱、變形越快、變形量越大，非預應力混凝土的企口縫和橋面鋪裝越容易遭到破壞。由此可見，對先張法預應力混凝土空心橋板拱度值進行精準控制能夠提高橋梁的使用品質，延長使用壽命。

3.3 預應力混凝土橋板拱度值損失的預防性補償方法

拱度值損失是預應力損失所致，拱度值損失補償即預應力損失補償。預應力混凝土橋板拱度值損失的預防性補償方法為：

(1)監(jiān)測預應力混凝土空心橋板的拱度值并計算其損失，橋梁完工至通車之前，測量每塊橋板的拱度值h0。

從通車運營開始，監(jiān)測每塊預應力混凝土空心橋板的拱度值hi，計算每塊橋板的拱度值損失Δ，即Δ=h0-hi。

(2)預應力損失的預防性補償

對Δ≥0.02 mm的預應力混凝土空心橋板進行預應力損失補償，張拉預設鋼絞線，使其拱度值最小達到h0，最大為(h0+0.01) mm。

由于拱度值的補償具有延遲性，預設鋼絞線張拉后，至少開放交通24 h，再監(jiān)測計算橋板的拱度值損失Δ，同時也監(jiān)測計算相鄰橋板的拱度值損失Δ。

由于相鄰橋板的拱度值損失具有相關性，所以也要對相鄰橋板的拱度值損失Δ同時進行補償，每次預應力損失補償為5 MPa左右。

4 工程實例

圖2 某橋預應力混凝土空心橋板橫斷面示意圖

某橋采用16 m 90°先張法預應力混凝土空心橋板，共10塊橋板，橫斷面如圖2所示，設置15根先張法預應力鋼絞線，設計拱度值為30 mm，混凝土強度等級為C50，環(huán)氧樹脂砂漿1 d的抗壓強度不低于45 MPa，轉向軸距底座底板底面的距離即轉向軸高度為70 mm，轉向軸轉向半徑為25 mm，轉向軸底座底板上連接右拉桿的螺母的軸線距轉向軸底座底板頂面的距離為20 mm，橋板預制后92 d運輸和安裝。

4.1 先張法預應力鋼絞線失效方案

選擇中間一根預應力鋼絞線兩端各3.5 m長失效。失效預應力鋼絞線的設置是成熟技術，按照(JTG/T F50—2011)《公路橋涵施工技術規(guī)范》的有關規(guī)定執(zhí)行。

4.2 設置預設系統(tǒng)

在轉向系統(tǒng)中，轉向軸底座、轉向軸、右錨具墊板及右錨具距右端頭100 cm，以方便張拉預設鋼絞線為原則。轉向軸底座底板尺寸為：長×寬×厚=500 mm×500 mm×20 mm。

預設鋼絞線選用1860級?j15.2鋼絞線。

端板厚度取20 mm，端板寬度取1 240 mm，端板高度以小于空心橋板高度的1/2為原則確定，1/2×850 mm=425 mm，取420 mm。

拉桿采用?18鋼筋，兩頭帶絲，與錨具墊板或者轉向系統(tǒng)墊板以及端板上的螺絲孔連接。其中：左拉桿的長度由錨具墊板與端板的厚度、錨具長度和預設鋼絞線外伸長度決定，取100 mm；右拉桿的長度取80 mm。每端各用兩根拉桿，橫向對稱布置。

左拉桿、左錨具及預設鋼絞線軸線平行于空心橋板底板，距空心橋板底板頂面的高度取決于轉向軸的高度、轉向軸轉向半徑和預設鋼絞線直徑。左拉桿、左錨具及預設鋼絞線軸線距空心橋板底板頂面的高度為：轉向軸的高度+轉向軸轉向半徑+預設鋼絞線直徑×1/2=70 mm+25 mm+12.7 mm×1/2=101.35 mm。

確定預設鋼絞線軸線的橫向位置時，要避開底板中的鋼絞線和鋼筋，并且要對稱。由于中間的一根預應力鋼絞線兩端各3.5 m長失效，為預設鋼絞線穿孔留出了位置，所以預設鋼絞線軸線的橫向位置設置在空心橋板中線處。

右錨具墊板尺寸為：長×寬×厚=500 mm×500 mm×20 mm。左錨具墊板厚尺寸為：長×寬×厚=200 mm×200 mm×20 mm。

先張法預應力滑凝土空心橋板預制時，鋼端板用木板代替，木板的形狀同端板與空心橋板混凝土的接觸面，厚度為20 mm+3 mm，在木板上與先張法預應力鋼絞線相對應的位置打孔用以穿鋼絞線。

預設系統(tǒng)的安裝和預張拉在橋板運輸安裝的前2 d進行。預應力混凝土空心橋板封端前，去除代替鋼端板的木板和多余的先張法預應力鋼絞線，在預設鋼絞線穿過底板的位置打孔，安裝端板，在端板與空心橋板混凝土的接觸面墊環(huán)氧樹脂砂漿；之后，依次安裝左、右拉桿、轉向系統(tǒng)、左、右錨具墊板、左、右錨具及預設鋼絞線。預設系統(tǒng)安裝完畢，隨即進行預張拉，張拉應力為10 MPa。預張拉的目的是使預設系統(tǒng)各部分緊固以及端板、墊板與空心橋板混凝土緊固，以不改變空心板的拱度值為原則。

4.3 拱度值精準控制

10塊橋板預制完成后90 d的拱度值如表1所示，其中3#橋板的拱度值為25 mm，以此塊橋板為例，拱度值精準控制的具體方法為：(1)初張拉 對預設鋼絞線進行第一次張拉，使它的拉應力達到100 MPa，持荷5 min，測量拱度值為25.5 mm；(2)第二次張拉 對預設鋼絞線進行第二次張拉，使它的拉應力增加100 MPa，達到200 MPa，持荷5 min，測量預拱度值為27.9 mm；(3)第三次張拉 對預設鋼絞線進行第三次張拉，使它的拉應力增加100 MPa，達到300 MPa，持荷5 min，測量拱度值為29.7 mm；(4)第四次張拉 對預設鋼絞線進行第四次張拉，使它們的拉應力增加10 MPa，達到310 MPa，持荷5 min，測量拱度值為29.9 mm；(5)第五次張拉 對預設鋼絞線進行第五次張拉，使它們的拉應力增加5 MPa，達到315 MPa，持荷5 min，測量拱度值為30 mm，即拱度值調整到預拱度值。

表1 預應力混凝土空心橋板預制完成后90 d拱度值

橋板拱度值調整完畢后，進行運輸安裝等項目施工，至橋梁完工。

4.4 拱度值損失的預防性補償

橋梁完工至通車之前，測量每塊橋板的拱度值h0。從左到右橋板的編號依次為1#～10#，1#和10#橋板的拱度值為29.01 mm，其他橋板的拱度值為30 mm。

運營66 d時，2#～4#橋板的拱度值損失Δ分別為0.012 mm、0.02 mm和0.015 mm，其他橋板的Δ均小于0.02 mm。監(jiān)測結果表明3#橋板出現(xiàn)Δ≥0.02 mm的情況，需要對其進行拱度值損失的預防性補償。

預應力損失的預防性補償具體方法如下：

(1)張拉3#橋板預設鋼絞線，使預應力增加5 MPa。

(2)開放交通24 h后，再監(jiān)測計算3#橋板的拱度值損失Δ，同時監(jiān)測計算相鄰的2#和4#橋板的拱度值損失Δ，2#～4#橋板的拱度值損失Δ分別為0.012 mm、0.017 mm和0.015 mm。

(3)對2#～4#橋板的拱度值損失Δ同時進行補償，張拉2#～4#橋板的預設鋼絞線，使2#～4#橋板的預應力增加5 MPa。

(4)開放交通24 h后，再監(jiān)測計算2#～4#橋板的拱度值損失Δ，分別為0.002 mm、0.000 mm和0.004 mm，補償后3#橋板的拱度值損失Δ為0，即拱度值達到h0=30 mm，則此次預防性拱度值損失補償完成。

在橋梁運營期間，一直重復以上步驟，進行預防性預應力損失補償。

5 結論

(1)原有技術條件下，先張法預應力混凝土空心橋板拱度值大小不一是必然的，拱度值損失及其累積過大也是必然的。

(2)利用體外預應力能夠使先張法預應力混凝土空心橋板的拱度值得到精準控制，可以提高預應力混凝土空心橋板的承載能力，減小振動。

(3)預應力混凝土空心橋板拱度值損失只有得到預防性補償，才能持續(xù)保持橋梁的設計承載能力，是橋梁預防性養(yǎng)護的最主要內容。