緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在鐵路橋梁中應(yīng)用可行性研究

劉吉元 楊全亮

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844）

預(yù)應(yīng)力混凝土是混凝土技術(shù)發(fā)展歷史上的一次飛躍。在發(fā)展過程中，最早出現(xiàn)的是先張法預(yù)應(yīng)力體系，但需要特定的預(yù)應(yīng)力施加系統(tǒng)，限制了先張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展。隨后后張法預(yù)應(yīng)力體系應(yīng)運而生，按施工工藝又分為無黏結(jié)和有黏結(jié)2 種。無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力體系中的預(yù)應(yīng)力筋布置相對靈活、無預(yù)留孔道和灌漿工序，但存在受彎構(gòu)件強度利用率較低、預(yù)應(yīng)力筋易銹蝕等缺點。有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力體系克服了上述缺點，也是目前橋梁結(jié)構(gòu)中最為常用的預(yù)應(yīng)力體系，但應(yīng)用過程出現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力筋安裝質(zhì)量差、孔道內(nèi)灌漿不實或泌水等問題。

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力施工時與無黏結(jié)體系一樣不需預(yù)留孔道、不需灌漿，張拉完成后包裹于預(yù)應(yīng)力筋上的緩凝材料逐漸硬化，達到與有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力體系相當(dāng)?shù)男Ч?。緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力體系能把后張法中無黏結(jié)和有黏結(jié)應(yīng)力體系相結(jié)合，發(fā)揮各自所長，逐漸成為預(yù)應(yīng)力體系新的發(fā)展方向之一。目前我國緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)大多應(yīng)用于公路、建筑領(lǐng)域［1-2］，考慮到采用緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)制造的混凝土結(jié)構(gòu)受力及抗震性能良好，施工工藝簡單，質(zhì)量容易控制等特點，可將其引入到鐵路橋梁中來，在一定范圍內(nèi)替代既有的后張法預(yù)應(yīng)力體系。

1 鐵路橋梁預(yù)應(yīng)力體系及存在問題

1.1 既有橋梁概述

從既有鐵路橋梁來看，預(yù)應(yīng)力混凝土梁占比最高。據(jù)統(tǒng)計，截至2016 年底全路共有圬工梁675 118孔，其中預(yù)應(yīng)力混凝土梁共有556 368 孔，占總數(shù)的82.4%。

從新建鐵路橋梁來看，除特殊結(jié)構(gòu)和框構(gòu)橋外均為預(yù)應(yīng)力混凝土梁。以2019年建成的蒙華鐵路為例，正線橋梁總長378 km，占正線長度的20.8%，其中預(yù)制預(yù)架預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁17 785 單線孔，跨度主要包括32，24，20，16 m四種，其余為框構(gòu)橋、連續(xù)梁等。

1.2 鐵路橋梁預(yù)應(yīng)力體系

目前，預(yù)應(yīng)力混凝土梁中的預(yù)應(yīng)力體系主要包括縱向、豎向和橫向預(yù)應(yīng)力，一般而言簡支梁僅布置縱向預(yù)應(yīng)力束，連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)或特殊混凝土結(jié)構(gòu)同時布置兩向或三向預(yù)應(yīng)力束。

1.2.1 縱向預(yù)應(yīng)力

對于簡支梁，縱向預(yù)應(yīng)力一般布置在底板和腹板內(nèi)，用以抵抗梁體恒載與活載產(chǎn)生的彎矩。腹板內(nèi)鋼束在梁端位置通常彎起，一是為便于端部錨固，二是為梁端附近提供抗剪強度，抵抗梁體的主拉應(yīng)力與剪應(yīng)力，見圖1（a）。對于連續(xù)梁，縱向預(yù)應(yīng)力一般布置在箱梁頂板、腹板和底板，見圖1（b）。布置在頂板的縱向預(yù)應(yīng)力鋼束承受梁體的負彎矩，如梁體墩頂段頂板。布置在跨中底板的縱向預(yù)應(yīng)力鋼束承受梁體的正彎矩。頂板束可以設(shè)置下彎至腹板內(nèi)，底板束可上彎至腹板內(nèi)，承受腹板部分主拉應(yīng)力。目前鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中縱向預(yù)應(yīng)力一般采用7-15.2 mm 符合GB/T 5224—2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》要求的鋼絞線，抗拉強度1 860 MPa，彈性模量195 GPa。采用抽拔棒或圓形鍍鋅金屬波紋管成孔，錨固體系采用自錨式拉絲體系。

圖1 縱向預(yù)應(yīng)力布置示意

1.2.2 橫向預(yù)應(yīng)力

橫向預(yù)應(yīng)力通常指頂板內(nèi)的橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，也包括部分橫隔板內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼束。當(dāng)主梁結(jié)構(gòu)為寬箱梁或者翼緣板較長時，為避免頂板縱向開裂需配置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，見圖2。橫向預(yù)應(yīng)力一般是曲線配束，分布在頂板上下2層鋼筋網(wǎng)片中間，其線型設(shè)計根據(jù)截面橫向受力特性和橫截面構(gòu)造情況而定。鐵路橋梁上橫向預(yù)應(yīng)力一般采用7-15.2 mm 鋼絞線，扁形鍍鋅金屬波紋管或塑料波紋管成孔，錨固體系采用BM 系列錨具及配套的支承墊板，張拉與錨固端交錯布置，單端張拉。

圖2 橫向及豎向預(yù)應(yīng)力布置示意

1.2.3 豎向預(yù)應(yīng)力

豎向預(yù)應(yīng)力主要布置在梁體腹板內(nèi)，其主要作用是增強腹板截面的抗剪強度，承擔(dān)腹板截面內(nèi)的主拉應(yīng)力，見圖2。由于豎向預(yù)應(yīng)力長度較短，預(yù)應(yīng)力張拉過程中容易因為施工操作不當(dāng)造成較嚴(yán)重的預(yù)應(yīng)力損失，從而大大減小其對腹板主拉應(yīng)力的承擔(dān)能力。鐵路橋梁上一般主跨大于80 m 的連續(xù)結(jié)構(gòu)才設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力，采用直徑25 mm 或32 mm 高強精軋螺紋鋼筋，型號多為PS830，錨固體系采用JLM-25 或JLM32型錨具，管道采用內(nèi)徑40 mm鐵皮管成孔。

1.3 預(yù)應(yīng)力施工過程中存在問題

孫璐［3］通過對2006年以來近150場次鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁檢驗匯總分析，指出高速鐵路、客運專線、客貨共線鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁存在的問題。包括：①壓漿質(zhì)量控制中普遍存在漿體流動度超標(biāo)、密封罩漏漿，下料計量不準(zhǔn)確，壓漿設(shè)備性能落后不宜保壓，冬季施工保溫措施不力等現(xiàn)象；②封端質(zhì)量控制中存在封端未采用細石混凝土，未單獨進行耐久性試驗，預(yù)應(yīng)力鋼絞線保護層厚度不足，防水涂料施工質(zhì)量差，喇叭口未清理導(dǎo)致鋼絞線安裝偏位等問題。

宋郁民等［4］提出預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的豎向預(yù)應(yīng)力由于其自身構(gòu)造特點存在4 個方面的問題：①錨墊板與鋼筋軸線的垂直度偏差大；②預(yù)應(yīng)力粗鋼筋的錨固操作困難；③施工規(guī)范不完善；④有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋防腐性能較差。

劉昶［5］對12 根豎向預(yù)應(yīng)力筋的有效張拉進行了測試，測試結(jié)果表明精軋螺紋鋼筋在張拉錨固完成后，豎向預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)的有效預(yù)應(yīng)力分別為505，550，495，450，380，425，415，540，425，440，540，470 kN，遠沒有達到設(shè)計要求的560 kN，且有效張拉力離散性差，說明施工質(zhì)量不穩(wěn)定、隨機性大。

此外，在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)的施工過程中也出現(xiàn)了波紋管破裂導(dǎo)致漏漿的情況，導(dǎo)致無法進行鋼絞線穿束而必須進行返工維修管道。在端部施工時也存在錨下鋼筋密布，不容易振搗密實，導(dǎo)致張拉后錨墊板被壓壞的問題。

施工中如果出現(xiàn)管道壓漿不飽滿，會直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，導(dǎo)致水泥漿不能夠完全保護預(yù)應(yīng)力鋼絞線，使其無法和混凝土共同作用。如果灌漿之后出現(xiàn)空隙或存在孔洞，即灌漿不密實的情況，會影響預(yù)應(yīng)力技術(shù)的效果。水泥漿的水灰比過大，活載灌漿的階段出現(xiàn)問題，就會導(dǎo)致管道明顯的泌水聚積，使得水泥下沉水上浮，泌水聚積的地方導(dǎo)致空隙出現(xiàn)，空隙出現(xiàn)的位置也是預(yù)應(yīng)力發(fā)生腐蝕的區(qū)域。

2 緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)簡介

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)是通過緩黏結(jié)劑的固化實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間從無黏結(jié)逐漸過渡到有黏結(jié)的一種預(yù)應(yīng)力形式。在施工階段預(yù)應(yīng)力筋可伸縮自由變形、不與周圍緩黏劑產(chǎn)生黏結(jié)，而在施工完成后的預(yù)定時期內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋通過固化的緩黏結(jié)劑與周圍混凝土產(chǎn)生黏結(jié)作用，預(yù)應(yīng)力筋與周圍混凝土形成一體，共同工作，達到有黏效果，見圖3。緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)克服了有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力與無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力的缺點，綜合了二者的優(yōu)點，是在有黏結(jié)與無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的預(yù)應(yīng)力新技術(shù)［6-7］。

圖3 緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)造

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋由3部分構(gòu)成：鋼絞線、緩黏結(jié)劑和護套［8］，目前常用規(guī)格有 4 種：直徑 15.24，17.8，21.8，28.6 mm，其中前2種為7絲編束、后2種為19絲編束［9］。

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力主要有如下技術(shù)特點：

1）緩黏結(jié)劑的張拉適用期與固化期可根據(jù)不同工程需要進行調(diào)整；

2）緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋在工廠內(nèi)整體制造而成，生產(chǎn)質(zhì)量能夠有效控制；

3）緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋單根分散布置與錨固，對結(jié)構(gòu)凈保護層厚度的要求降低，便于截面設(shè)計優(yōu)化；

4）不需預(yù)埋波紋管或抽拔棒、不需穿束和灌漿，施工過程簡化，施工效率提高；

5）安裝定位簡便、錨固構(gòu)造簡單、張拉設(shè)備輕便，工人勞動強度降低，施工質(zhì)量容易保證。

3 鐵路橋梁中應(yīng)用可行性分析

3.1 用作梁體橋面板橫向預(yù)應(yīng)力

常規(guī)跨度單線、雙線箱梁的橋面板內(nèi)通常不設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力，只在大跨度雙線或多線連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)的橋面板內(nèi)設(shè)置。橫向預(yù)應(yīng)力的設(shè)置形式一般為3-7φ5 mm 或 4-7φ5 mm 的鋼絞線，沿主梁縱向 40～60 cm間距布置。

1）受力方面

單根7φ5 mm 鋼絞線截面積為140 mm2，通常橫向預(yù)應(yīng)力的編束為3 根或4 根，而φ28.6 mm 的單根緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面積為532 mm2，相當(dāng)于3.8 根7φ5 mm鋼絞線，二者極限張拉應(yīng)力均采用1 860 MPa，同等張拉力條件下基本可實現(xiàn)與既有橫向預(yù)應(yīng)力布置同條件替換。如果要實現(xiàn)與既有4-7φ5 mm 鋼絞線完全等條件替換，則只需將緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力提高5.2%即可；與3-7φ5 mm 鋼絞線完全等條件替換，則只需將張拉控制應(yīng)力降低21.1%即可。由此，在保持原設(shè)計縱向間距、橫向位置不變的條件下，可采用φ28.6 mm 的緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線代替既有橫向預(yù)應(yīng)力筋。

2）構(gòu)造方面

緩黏結(jié)鋼絞線直徑大幅減小，從而減少與縱向預(yù)應(yīng)力、豎向預(yù)應(yīng)力、普通鋼筋、預(yù)埋件間位置的相互干擾，更便于設(shè)計單位優(yōu)化橋面板設(shè)計。

3）施工方面

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與錨墊板連接處，只需將預(yù)應(yīng)力筋伸出錨墊板，將錨墊板與預(yù)應(yīng)力筋間的空隙封堵即可。澆筑混凝土過程中如果錨墊板處漏漿，也不會影響后續(xù)張拉施工。

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線直徑較小，更易于與普通鋼筋綁扎定位，施工難度降低，定位鋼筋的用量相應(yīng)減少。

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線只需安裝1 次夾片與錨具，張拉1 次即可完成張拉施工，緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力不存在灌漿問題，張拉完成后即可實施封錨。預(yù)施應(yīng)力工序的工作量大幅減少。

綜上，緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力用作橫向預(yù)應(yīng)力，相較與既有橫向預(yù)應(yīng)力體系構(gòu)造更簡單，工藝更簡便，不必灌漿，質(zhì)量可控，可同條件替換既有橫向預(yù)應(yīng)力筋。

3.2 用作連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)腹板豎向預(yù)應(yīng)力

目前鐵路橋梁的簡支箱梁均不設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力，但在連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)中通常設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力，以承受腹板主拉應(yīng)力、防止腹板開裂。

根據(jù)腹板受力需要及腹板厚度布置1排或多排豎向預(yù)應(yīng)力筋。豎向預(yù)應(yīng)力的設(shè)置形式一般為φ25 mm或φ32 mm的PSB830螺紋鋼筋，沿主梁縱向40～60 cm 間距布置，管道通常采用金屬波紋管或鋼管，錨具采用配套錨固螺栓，單端張拉，張拉力為0.7～0.8 倍張拉控制應(yīng)力。設(shè)計一般要求采用復(fù)拉措施，即張拉錨固后重新張拉至設(shè)計值，再次擰緊錨固螺栓。豎向預(yù)應(yīng)力的張拉力可參照文獻［10］進行檢測。采用緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋替代豎向預(yù)應(yīng)力的可能性分析：

1）受力方面

在保持原設(shè)計縱向間距、橫向位置不變的條件下，可采用φ28.6 mm 或φ21.8 mm 的緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線代替既有豎向精軋螺紋鋼筋。

豎向精軋螺紋鋼筋短、抗拉強度小、張拉力小、伸長量小，錨具回彈引起的預(yù)應(yīng)力損失所占比例甚大，采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線則可盡量減小錨具回縮引起的損失。

2）構(gòu)造方面

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線需要設(shè)置一定數(shù)量的定位鋼筋保證豎直。

3）施工方面

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線按照張拉力與伸長量雙項指標(biāo)進行張拉，張拉質(zhì)量更容易控制。

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力用作豎向預(yù)應(yīng)力，相較與既有豎向預(yù)應(yīng)力體系張拉力更易控制，不必灌漿，可同等條件替換既有精軋螺紋鋼筋，但需增加一定數(shù)量定位鋼筋。

3.3 用作中小跨度梁體縱向預(yù)應(yīng)力

現(xiàn)有緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線最大直徑為φ28.6 mm，相當(dāng)于3.8 根φ15.24 mm 的鋼絞線，可用緩黏結(jié)鋼絞線替換縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力在截面上的布置比較靈活，張拉過程也便于控制，省去灌漿工序。

1）受力與構(gòu)造方面

以圖號為2103 的16 m 預(yù)應(yīng)力混凝土曲線梁為例，梁體計算跨度16.0 m，梁高1.6 m，底板寬度0.88 m，跨中腹板厚度0.24 m，梁端腹板厚度0.44 m，設(shè)計活載為1.2倍ZH（2005）。梁體縱向預(yù)應(yīng)力為47根7φ5 mm鋼絞線（N1～N4 分別為2-10，1-9，1-9，1-9），梁體鋼絞線重心距梁體底面為235 mm。在保證預(yù)加應(yīng)力相同的情況下（假設(shè)預(yù)應(yīng)力損失相同），只需要12.4 根φ28.6 mm 緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線就能與其截面積相同。緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的外徑僅為41 mm，其距離梁體底面的距離考慮3.5 cm 凈保護層及φ16 mm 腹板箍筋后，取鋼絞線中心距梁體底面7.5 cm即可，豎向間距按10 cm 布置；橫向考慮錨墊板尺寸（14 cm×14 cm）的影響，取間距15 cm?？缍?6 m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁鋼束設(shè)計對比見圖4。在跨中截面位置，按圖4布置13 根緩黏結(jié)鋼絞線，重心距離梁體底面160 mm，鋼絞線重心比采用普通鋼絞線更靠下，更能發(fā)揮預(yù)應(yīng)力的作用。在梁端位置，可以按照前者錨固位置分3 排進行錨固，所有鋼束均不需要平彎。在梁體端面上滿足錨固要求，而且仍有調(diào)整優(yōu)化的余地。

對跨度為 20，24，32 m 的 T 梁進行緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力的替換設(shè)計，參數(shù)見表1。表中，原設(shè)計鋼絞線為7φ5 mm鋼絞線，緩黏結(jié)鋼絞線為φ28.6mm鋼絞線，錨固組合為截面從下至上的鋼絞線根數(shù)。

表1 緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力替換既有預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁參數(shù)

圖4 跨度16 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁鋼束設(shè)計對比（單位：mm）

2）施工方面

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線為單根張拉，千斤頂重量較小，通常2～3 人即可完成作業(yè)。張拉過程中，對于既有預(yù)應(yīng)力鋼絞線，若出現(xiàn)滑絲現(xiàn)象，可更換鋼絞線重新張拉錨固。但對于緩黏結(jié)鋼絞線，由于將其提前預(yù)埋到混凝土中，如果發(fā)生鋼絞線滑絲或崩斷則無法更換，只能考慮其他方式進行補救。從避免滑絲等張拉問題來看，成束鋼絞線優(yōu)于緩黏結(jié)鋼絞線。

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力由于鋼絞線與護套之間填充緩黏結(jié)劑，到固化期即完成固化，不用進行后灌漿工序。緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線在工廠內(nèi)制造，質(zhì)量相對容易控制。從張拉后省了灌漿工藝來看，緩黏結(jié)鋼絞線優(yōu)勢明顯。

綜上，在梁體截面不變的前提下，跨度16，20，24，32 m 預(yù)應(yīng)力混凝土梁的鋼束，均可用φ28.6 mm 的緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線替換。從保證結(jié)構(gòu)受力角度來看，緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線可以在梁體縱向預(yù)應(yīng)力筋中應(yīng)用；施工方面需要考慮斷絲或滑絲的補救措施。

4 結(jié)論

1）緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力用作橫向預(yù)應(yīng)力從受力、構(gòu)造及施工方面均可行，相較與既有橫向預(yù)應(yīng)力體系構(gòu)造更簡單，工藝更簡便，可同等條件替換既有橫向預(yù)應(yīng)力筋。

2）緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力用作豎向預(yù)應(yīng)力，相較與既有豎向預(yù)應(yīng)力體系張拉力更易控制，不必灌漿，可同等條件替換既有精軋螺紋鋼筋，但需增加一定數(shù)量定位鋼筋。

3）緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力用作替換既有預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，在梁體截面不變的前提下，從受力與構(gòu)造方面均可行。但隨著跨度增大鋼束的張拉次數(shù)隨之增加，須嚴(yán)格控制緩黏結(jié)鋼絞線的質(zhì)量避免出現(xiàn)滑絲或破斷問題。

緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)可用來解決既有混凝土梁豎向和橫向預(yù)應(yīng)力體系容易出現(xiàn)的預(yù)應(yīng)力筋安裝質(zhì)量差、斷裂或松弛失效、管道灌漿不密實、耐久性問題等問題，也可在梁體中用作縱向預(yù)應(yīng)力以進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。對于目前按非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)尺寸、普通鋼筋配置不做大的調(diào)整情況下，可用緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力直接代替其中部分普通鋼筋，將其變?yōu)轭A(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，以提高結(jié)構(gòu)的耐久性。