大直徑鋼絞線橫向預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計(jì)與實(shí)橋應(yīng)用研究

李波，韓福洲

(中設(shè)設(shè)計(jì)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(jì)者所采用。但一般來說，該體系又具有以下幾方面缺點(diǎn)：① 由于其鋼絞線短，傳力錨固時(shí)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(jì)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(shí)際孔道摩阻損失較大，且壓漿不易密實(shí)等。

采用大直徑、強(qiáng)度等級(jí)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(shí)體模型試驗(yàn)在文獻(xiàn)[4]中進(jìn)行了詳細(xì)論證。該文首先對(duì)單根大直徑鋼絞線橫向預(yù)應(yīng)力體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定主要構(gòu)造參數(shù)；其次，在實(shí)橋上對(duì)該新型橫向預(yù)應(yīng)力體系進(jìn)行應(yīng)用研究，驗(yàn)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(duì)梁段，均采用對(duì)稱平衡懸臂逐段澆筑法施工。箱梁縱向懸澆分段長(zhǎng)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(jì)方案研究

(1) 鋼絞線和波紋管

GBT 31314-2014《多絲大直徑高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線》中大直徑鋼絞線型號(hào)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(jí)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(shí)際作用效應(yīng)的對(duì)比不明顯。同時(shí)，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(guó)箱梁頂板常見設(shè)計(jì)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(guó)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(shí)橋設(shè)計(jì)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(guó)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(xiàng)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(duì)于扁錨體系的橫向預(yù)應(yīng)力，直線布束和豎彎布束的實(shí)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(shì)。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(shí)，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(jì)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(jì)規(guī)范》，張拉控制應(yīng)力取為(0.75fpk=13 955 MPa，分別計(jì)算各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失如表1)。通過計(jì)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(jì)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(jì)要求。

建立箱梁平面框架模型按照不同布置間距對(duì)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(jì)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(shí)，預(yù)壓應(yīng)力水平較扁錨體系略高。因此，依托橋梁設(shè)計(jì)采用間距為0.4 m。

(6) 對(duì)比結(jié)果

對(duì)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(gè)方面進(jìn)行對(duì)比總結(jié)如表3所示，由表3可以看出：?jiǎn)胃笾睆襟w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(duì)比

表3 大直徑鋼絞線體系與扁錨體系對(duì)比結(jié)果

4 實(shí)橋應(yīng)用研究

在論證設(shè)計(jì)方案可行性和等比例模型試驗(yàn)驗(yàn)證之后，在依托橋梁工程項(xiàng)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(shí)施過程

對(duì)單根大直徑鋼絞線橫向預(yù)應(yīng)力體系實(shí)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(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)一線工人反饋該體系穿束方便，張拉較原扁錨體系簡(jiǎn)單，但由于間距40 cm一道，張拉數(shù)量增加，實(shí)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(shí)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(cè)試結(jié)果

在橫向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉前后，分別測(cè)取對(duì)應(yīng)工況預(yù)埋振弦式傳感器(圖6)應(yīng)變值，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土壓應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，跟蹤新型預(yù)應(yīng)力體系的實(shí)際作用效果，具體測(cè)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(jì)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(jì)中采用單根大直徑鋼絞線預(yù)應(yīng)力體系具有較強(qiáng)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(cè)區(qū)域及傳感器圖示

(2) 設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)可結(jié)合計(jì)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(chǎng)實(shí)施放樣簡(jiǎn)單，張拉方便，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施可操作性強(qiáng)；實(shí)測(cè)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(cè)試結(jié)果