預(yù)制小箱梁橫張法施工方法研究

李 璐，高 睿

(武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

目前，常見的預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁施工技術(shù)主要有先張法[1]和后張法[2]2種。預(yù)應(yīng)力筋與混凝土的黏結(jié)形式分有黏結(jié)和無黏結(jié)，預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)計位置分體內(nèi)束和體外束[3]?，F(xiàn)有的預(yù)加應(yīng)力施工技術(shù)既有其各自的優(yōu)點(diǎn)，又存在一些不足。當(dāng)前預(yù)應(yīng)力混凝土梁的預(yù)制中，一般是采用預(yù)埋波紋管后張的方法進(jìn)行施工，該施工方法的最大問題在于：①預(yù)應(yīng)力筋兩端的張拉力大，而中間部位的預(yù)應(yīng)力筋張拉力相對較小，這就造成了同一根預(yù)應(yīng)力筋上的張拉力分布不均的問題，因而就不能充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力筋的作用；②預(yù)應(yīng)力筋張拉后，存在孔道壓漿不密實的問題。因此，本文通過對現(xiàn)有的問題進(jìn)行分析，提出了在小箱梁中應(yīng)用橫張預(yù)應(yīng)力筋[4]的概念。

1 橫張預(yù)應(yīng)力混凝土梁的基本原理

1.1 橫張法的基本概念

橫張法屬于后張法的一種，采用有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，錨固形式與先張法相同，利用預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間的黏結(jié)力實現(xiàn)自錨，以此可以減少錨具用量[5]。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用體內(nèi)束，不僅保證了梁體的美觀，同時也確保了在張拉預(yù)應(yīng)力筋時操作人員的安全。

1.2 橫張法預(yù)應(yīng)力原理

橫張法預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)的預(yù)應(yīng)力原理為：先澆筑梁體中部混凝土并設(shè)法在預(yù)應(yīng)力筋安裝處留設(shè)明槽，再在設(shè)計位置穿束，并將預(yù)應(yīng)力筋分散綁扎在鋼筋籠上，然后澆筑梁兩端混凝土，養(yǎng)護(hù)到位，借助張拉桿從梁底張拉預(yù)應(yīng)力筋，通過預(yù)應(yīng)力筋向上回彈的力來使梁體獲得上拱，見圖1。

圖1 橫張法施工示意

以圖1中的簡支箱梁為例，橫張法預(yù)應(yīng)力的施工工藝為：①綁扎Ⅱ,Ⅲ段鋼筋籠，安置Ⅱ,Ⅲ段模板，并在腹板中間留設(shè)出一道明槽；②澆筑Ⅱ,Ⅲ段混凝土；③綁扎Ⅰ區(qū)段鋼筋籠，布置預(yù)應(yīng)力筋，并將預(yù)應(yīng)力筋錨在Ⅰ區(qū)段的鋼筋籠上；④澆筑Ⅰ段混凝土，從Ⅱ,Ⅲ段交接處張拉預(yù)應(yīng)力筋，張拉方向向下，張拉到位后將預(yù)應(yīng)力筋在底板處錨固；⑤澆筑Ⅱ,Ⅲ段預(yù)留明槽混凝土，待混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后拆除底板錨具，完成整片梁的施工。

1.3 橫張法較現(xiàn)有后張法的優(yōu)勢

橫張法施工技術(shù)屬于后張法的一種，它的提出旨在彌補(bǔ)后張法施工的缺陷，同時降低施工造價，具體體現(xiàn)在以下3個方面：

1)后張法施工的最大缺陷在于管道壓漿易出現(xiàn)不密實現(xiàn)象，從而影響梁的質(zhì)量。因此橫張法改管道壓漿為預(yù)留明槽澆筑混凝土，使梁的質(zhì)量得到更好的控制。

2)采用后張法，預(yù)應(yīng)力筋較長時存在張拉力不均、中部預(yù)應(yīng)力筋利用率低的問題，而采用橫張法張拉預(yù)應(yīng)力筋在梁跨中部仍有較好的張拉效果，預(yù)應(yīng)力筋的利用率可以高達(dá)80%[6]。

3)后張法需要錨具對預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行固定，而橫張法借鑒了先張法的黏結(jié)自錨，節(jié)省了錨具；同時，橫張法所需的張拉力遠(yuǎn)小于后張法的張拉力，可以選用較小噸數(shù)的千斤頂；橫張法從箱梁下部張拉，兩端預(yù)應(yīng)力束無需伸出梁體來獲得張拉操作空間，節(jié)省了一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力筋。

2 橫張預(yù)應(yīng)力小箱梁的設(shè)計

此箱梁用于武漢市四環(huán)線龔家鋪至中洲段第2合同段。設(shè)計采用25 m標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制小箱梁。

2.1 小箱梁的構(gòu)造

后張法的梁長25 m，采用變截面。將后張法的梁改為橫張法后，將腹板尺寸全部調(diào)整為300 mm，其余尺寸均保持不變，以保證橫張法的梁可以完全替代原設(shè)計后張法施工的梁，具體尺寸如圖2。

圖2 橫張法箱梁截面尺寸(單位：mm)

2.2 箱梁臺座的設(shè)計

橫張法預(yù)應(yīng)力施工中，預(yù)應(yīng)力筋的張拉不再從端部進(jìn)行，取而代之的是從箱梁底部進(jìn)行張拉，故需改進(jìn)臺座。臺座上方的底模為8 mm厚的鋼板，操作空間上方采用50 mm厚的可拆卸鋼板，并在鋼板下方搭設(shè)支架。臺座如圖3所示。

圖3 橫張法施工箱梁臺座

3 橫張預(yù)應(yīng)力小箱梁施工工藝

3.1 明槽的留設(shè)

橫張法施工的關(guān)鍵是明槽的留設(shè)。長度25 m的箱梁在第一次澆筑時需要在平直區(qū)段和傾斜區(qū)段留設(shè)出長20 m左右的明槽，以此滿足張拉時鋼絞線下行的需要。為降低腹板寬度，預(yù)留明槽的寬度取100 mm，明槽過于狹長導(dǎo)致傳統(tǒng)鋼模板和木模板不再適用。經(jīng)研究確定，采用氣囊作為明槽模板，而在氣囊的實際生產(chǎn)中，由于寬高比過大導(dǎo)致普通的橡膠氣囊、PVC氣囊均無法滿足精度要求，因此，經(jīng)試驗確定選用進(jìn)口拉絲底PVC材質(zhì)的氣囊。鋼筋籠綁扎后通過定位鋼筋將氣囊定位并與鋼筋籠固定成一個整體。混凝土澆筑完成后將氣囊放氣，將氣囊從兩端抽出形成預(yù)留明槽，見圖4。

圖4 預(yù)留明槽段截面

3.2 箱梁模板的選擇

箱梁截面尺寸的變化，使得箱梁的箱室縮小。這導(dǎo)致目前使用的抽拉式鋼模在施工中存在困難。在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及可行性后，選擇橡膠材質(zhì)的變截面氣囊作為內(nèi)模。但在大規(guī)模生產(chǎn)中也可考慮液壓模板。

選用氣囊作為箱梁內(nèi)模，就必須考慮到混凝土澆筑時可能存在氣囊上浮的現(xiàn)象。傳統(tǒng)鋼模板由于自重較大，配合壓杠即可避免內(nèi)模上浮。而氣囊自身質(zhì)量不到1 t，僅靠壓杠的作用很難避免上浮現(xiàn)象，故采用在氣囊頂部每隔40 cm用1根φ10鋼筋固定，將氣囊與鋼筋籠連接為一個整體，同時在外側(cè)模頂端拼縫兩側(cè)和模板中心各設(shè)置一道I18a的工字鋼橫梁，工字鋼和內(nèi)模之間設(shè)置2根底托進(jìn)行加固，底托下設(shè)一塊鋼板以分散受力。

對于外模板選擇傳統(tǒng)的鋼模板，因未改變現(xiàn)有25 m 標(biāo)準(zhǔn)小箱梁的外形尺寸，使用原有的鋼模板即可完成橫張法梁的澆筑過程。

3.3 箱梁澆筑順序

確定整套箱梁模板后，考慮到模板裝拆方便及梁整體性的要求，確定混凝土的澆筑順序如下：

1)先一次澆筑預(yù)留明槽區(qū)段的底板、腹板以及頂板混凝土?；炷琉B(yǎng)護(hù)到位后，拆除明槽模板，穿入預(yù)應(yīng)力鋼絞線束。同時在箱梁頂板沿明槽長度方向每間隔1 m安置PVC管以預(yù)留孔洞，用于后期灌注明槽混凝土。并在腹板與底板的傾斜區(qū)段與平直區(qū)段交接處預(yù)留孔洞，以便從腹板中部放入承壓板，從底板預(yù)留孔洞穿出鋼絞線。

2)預(yù)應(yīng)力筋通過定位鋼板來確保位置準(zhǔn)確，并在黏結(jié)錨固區(qū)段通過綁扎在腹板箍筋上來分散布置，以使預(yù)應(yīng)力筋與混凝土的黏結(jié)錨固作用最佳，然后澆筑黏結(jié)錨固區(qū)段底板、腹板及頂板混凝土。

3)通過第一次澆筑混凝土?xí)r的預(yù)留孔，從梁頂澆筑預(yù)留明槽的混凝土，形成整片梁。

現(xiàn)場按此施工順序進(jìn)行混凝土澆筑，在先后兩次澆筑的混凝土連接處進(jìn)行鑿毛，該處鋼筋采用搭接處理。對于第三次澆筑混凝土，因預(yù)留明槽縫隙較窄，難以進(jìn)行鑿毛，故采用提高一個等級的微膨脹細(xì)石混凝土進(jìn)行澆筑，以使梁體具有更好的整體性。

3.4 預(yù)應(yīng)力筋的施工

橫張法預(yù)應(yīng)力筋的張拉采用從梁底橫向張拉的方法，張拉后預(yù)應(yīng)力筋成折線形。為滿足橫張法預(yù)應(yīng)力筋所成線形和受力性能的要求，選用具有較大柔性特點(diǎn)的鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力筋。所需預(yù)應(yīng)力筋的長度為 24 400 mm，但在張拉前難以保證預(yù)應(yīng)力筋的絕對平直且考慮安裝難易程度，要保證其具有20 mm的松弛度，所以預(yù)應(yīng)力筋的實際下料長度為 24 420 mm。并依據(jù)黏結(jié)錨固段的長度(1 854 mm)，在每根預(yù)應(yīng)力筋上的對應(yīng)位置做好標(biāo)記用以正確定位。同時，需在黏結(jié)錨固段增設(shè)加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)以增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋的錨固效果。

在預(yù)應(yīng)力筋的傾斜區(qū)段和黏結(jié)錨固區(qū)段的交界處設(shè)置定位鋼板，細(xì)部構(gòu)造見圖5。鋼板的厚度以 30 mm 為宜，鋼板上相鄰兩孔的凈距為44 mm，每一個孔洞對應(yīng)穿一根鋼絞線；傾斜區(qū)段側(cè)的鋼板孔口應(yīng)設(shè)倒角。定位鋼板的作用有2個：①安裝時固定鋼絞線的位置；②改善混凝土的局部應(yīng)力狀態(tài)。傾斜區(qū)段側(cè)孔口倒角的設(shè)置，目的在于使鋼絞線在鋼板的彎折處的曲線更為平滑，以減小和避免橫張時鋼絞線產(chǎn)生的局部損傷。

圖5 細(xì)部構(gòu)造

將預(yù)應(yīng)力筋穿過定位鋼板上對應(yīng)的孔洞，并在梁頂通過定位鋼筋來保證預(yù)應(yīng)力筋的平直，復(fù)核鋼絞線標(biāo)記點(diǎn)與定位鋼板的相應(yīng)孔洞的偏差并作調(diào)整，在誤差滿足要求后將預(yù)應(yīng)力筋兩端固定在鋼筋籠上。

3.5 預(yù)應(yīng)力筋的穿束

由于橫張法預(yù)應(yīng)力筋直接與混凝土黏結(jié)，沒有波紋管，無法直接采用穿束機(jī)進(jìn)行穿束，因此需要人工穿束。由于預(yù)留明槽狹長，預(yù)應(yīng)力穿束難度較大，為降低穿束難度及保證預(yù)應(yīng)力筋位置準(zhǔn)確，采用在腹板中預(yù)先留設(shè)孔洞的方法，每隔4 m預(yù)留一個孔洞。穿束時，當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋穿束到孔洞附近時，在預(yù)留孔洞處對預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行定位。同時，預(yù)應(yīng)力筋每根穿束完成后及時安裝在定位鋼板上，防止鋼絞線相互纏繞。

3.6 預(yù)應(yīng)力筋張拉

橫張法預(yù)應(yīng)力張拉作為一種新工藝，首次應(yīng)用于預(yù)制小箱梁，預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力的取值應(yīng)保證一定的安全系數(shù)，滿足張拉控制應(yīng)力σcon≤0.6fpk(fpk為預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度)，小于公橋規(guī)預(yù)應(yīng)力筋σcon≤0.75fpk的要求。張拉力計算式[7]為

式中：Np為預(yù)應(yīng)力筋張拉力；θ為水平段與傾斜段間夾角;Ap為預(yù)應(yīng)力筋截面積。

采用如圖6所示的方法對預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉，為保證張拉桿張拉時與千斤頂成垂直狀態(tài)，在梁底安裝楔形承壓板后再安裝錨具及千斤頂。

圖6 張拉示意

選用鋼絞線作為張拉桿，通過擠壓機(jī)將鋼絞線的一端固定到P型錨擠壓套上，再將鋼絞線穿入承壓板。承壓板作用在縱向的預(yù)應(yīng)力筋上，鋼絞線下端通過底板的預(yù)留孔洞穿出梁體后再依次穿過底板下的楔形承壓板、錨具。安裝千斤頂，預(yù)應(yīng)力筋張拉到設(shè)計值后卸除千斤頂。澆筑預(yù)留明槽混凝土，達(dá)到規(guī)范要求的強(qiáng)度后拆除底板的錨固件、楔形承壓板，切割伸出梁體外的鋼絞線，完成整個預(yù)應(yīng)力筋的張拉操作過程。

由于橫張法的預(yù)應(yīng)力損失值有待測量，故不采用規(guī)范中以張拉力為控制值、伸長量為校核的控制方法。采用以張拉力為控制、上拱值為校核的方法來控制[8]。張拉時，由于張拉桿與混凝土孔壁和鋼墊板之間的接觸面較為粗糙，除此之外，還存在其他影響兩者之間摩擦力的因素[9]，換言之，其實際的摩擦力在一個范圍變動。因此，在實際操作中，如果上拱值沒有達(dá)到要求，即使此時張拉力已達(dá)到張拉控制力也應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)張拉，以達(dá)到最小上拱值的要求[10]。

4 結(jié)論與建議

1)橫張法施工工藝適用于預(yù)制小箱梁。

2)采用橫張法進(jìn)行張拉，預(yù)應(yīng)力筋效果良好，跨中與張拉點(diǎn)處的實測張拉力值相差很小。同時，也說明采用以張拉力為控制值、上拱值為校核的預(yù)應(yīng)力指標(biāo)是可行的。

3)橫張法預(yù)應(yīng)力小箱梁較后張法小箱梁在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會效益等方面都有顯著優(yōu)勢：預(yù)應(yīng)力損失較小，鋼絞線及錨具用量降低，技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯。

4)靜力荷載試驗證明，同條件下橫張法預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁與后張法小箱梁受力并無差異，3次澆筑混凝土之間的黏結(jié)可靠。

5)橫張法施工的關(guān)鍵在于保證預(yù)留明槽的尺寸、每段預(yù)應(yīng)力筋的長度以及預(yù)留孔洞的位置的準(zhǔn)確性。

同時，由于橫張法應(yīng)用于預(yù)制小箱梁尚屬首次，還存在一些問題，故提出如下建議：

1)因橫張法構(gòu)造需求，小箱梁腹板尺寸較原后張法的尺寸大，導(dǎo)致了箱梁自重增大。如何更好地降低腹板厚度，以降低箱梁自重是今后研究探討的重點(diǎn)。

2)預(yù)留明槽的留設(shè)現(xiàn)階段采用的是氣囊材料，而氣囊材料可能存在著漏氣、氣壓不足等現(xiàn)象，因此還需探索明槽留設(shè)的新方法。

3)目前的施工工藝較為復(fù)雜，尚需進(jìn)一步改進(jìn)。