基于工业化建造思想的标准化预应力管道研发

许 琪，石雪飞，叶建龙

（1.同济大学桥梁工程系，上海市 200092；2.浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006）

0 引言

预应力管道是体内预应力实现的基本构件，目前普遍应用的金属波纹管和塑料波纹管在使用过程中也暴露了诸多缺点。在设计中，管道管径使得腹板厚度大大超过其抗力计算所用，并且造成梁体自重过大，影响结构施工，浪费材料。在施工中，管道刚度不足导致预应力线形易偏、接头处堵孔和压浆不密实等问题。在运营中，也存在管道腐蚀和预应力损失大的问题[1-3]。

近年来，标准化设计和工业化建造成为桥梁工程建设的发展趋势，交通运输部在2016年连续发布了《关于实施绿色公路建设的指导意见》，以及交通运输节能环保“十三五”发展规划、交通运输标准化“十三五”发展规划，对进一步发展绿色公路、节约资源能源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平、化解过剩产能提出了具体要求。特别是对主要构件的模块化、标准化、工厂化、工业化提出了更多、更高的要求。实现公路桥梁建造的标准化设计、工业化生产、装配化施工、信息化管理，发展桥梁工业化已经逐渐成为绿色公路建设的重要标准[2]。

从工业化建造的要求出发，本文研究了一种新型预应力管道。通过对管道材料和结构形式的创新，一方面解决预应力管道施工过程中的堵管、定位偏差等问题；另一方面将预应力长期性能监测设备与管道集成，实现对永存预应力的长期跟踪，为结构运营状态判定提供依据。新型预应力管道孔径将比目前使用的波纹管形式大大减小，使得结构尺寸优化和体系成为可能。

为了实现预应力管道的标准化设计、分段组拼，保证预应力筋的传束，实现预应力索力的长期监测和压浆质量的检测，新型智能预应力管道包括锚头组件、标准管道组件、连接接头组件、索力测量组件和密实度测量组件五个部分。在完成了结构标准化设计之后，研究了这种新型预应力管道在T梁、板梁、小箱梁等中小跨径桥梁上的应用。

1 标准化管道体系设计理念

1.1 设计要求

在简支变连续T梁、小箱梁、空心板梁和变截面连续梁的标准图纸的基础上，为了实现新型智能预应力管道标准化设计和工业化生产的要求，需要对预应力线形和布置形式进行相应的优化。优化原则如下：

（1）简化线形设计。将结构的预应力线形进行优化，组成直线+曲线段的标准化线形，统一不同钢束的曲线段样式，实现预应力管道的标准化设计。

（2）管道模数化设计。直线段管道的长度应该按照一定模数设计，以整米级或半米级为模数，以便于节段组合。曲线段管道尽量归一化，减少曲线段管道的类型。

（3）平衡节段类型与接头数量。不同节段间通过接头接合，设计时需要在节段类型数量和接头数量中寻找平衡点，一方面尽量减少节段类型数量，另一方面尽量减少接头数量。

1.2 设计思路

为了实现新型智能预应力管道的标准化设计和工业化生产，在满足结构安全、符合规范要求且合理可行的基础上，需要将一般的预应力线形进行优化调整，之后进行节段划分，划分为由若干曲线段和直线段组成的线形，且直线段尽量为整米（n×1 m）或者整半米（n×0.5 m），圆弧弯曲段尽量统一。

为了达到上述目的，有以下两种标准化设计思路：多节段类型，少接头数量；少节段类型，多接头数量。

（1）“多节段少接头”的设计思想是指尽量减少标准化管道的类型数量。由于预应力筋线形比较复杂，为了达到上述目的，标准化管道的长度一般设计得比较小，这样连接接头的数量会相应增多。

（2）“少节段多接头”的设计思想是指尽量减少连接接头组件数量。由于预应力筋线形比较复杂，为了达到上述目的，标准管道类型数量会相应增多。

1.3 设计过程

现有的中小跨径预应力混凝土梁桥的标准图中，预应力钢束布置线形长度杂乱无章，圆弧弯曲段半径和角度不一。要进行新型预应力管道的标准化设计，首先要将标准图集中的钢束线形进行标准化调整，使直线段长度规整，便于节段组合；圆弧弯曲段尽量归一化，减少节段类型。调整钢束线形时，尽量使调整线形与通用图原线形吻合，并且每束钢束的钢绞线根数与通用图设计保持一致，以保证结构安全性能满足要求，如图1～图3所示。

图1 小箱梁中跨原本预应力线形

图2 “多节段少接头”类型中跨预应力线形

图3 “少节段多接头”类型中跨预应力线形

然后在新的预应力线形下，对结构安全性能进行复核，根据规范要求，对结构的承载能力和抗裂能力进行验算。最后将管道按“多节段类型，少接头数量”和“少节段类型，多接头数量”这两种设计思路分段，并对两种设计结果的施工效率、经济成本等指标进行对比，如图4、图5所示。

图4 正截面抗弯强度

图5 长期效应组合下正应力图

2 标准化管道体系设计的产品系列

2.1 产品系列

新型智能预应力管道包括锚头组件、标准管道组件、连接接头组件、索力测量组件和密实度测量组件五个部分，如图6所示。

图6 新型预应力管道的组成

2.1.1 锚头组件

锚头组件采用一般的预应力锚固系统，设置在两端，用来锚固预应力筋。锚头组件包括锚具、夹具、连接器及锚下支承系统等，较常采用的有锥形锚、墩头锚和夹片锚等。

2.1.2 标准管道组件

标准管道组件为预制钢管道，用于预应力钢束的穿行，在工厂预制后，在现场根据预应力线形进行组拼。为了实现新型预应力管道的标准化设计，标准管道组件分为若干整米或者整半米的标准化直线段和若干不同曲率半径、不同弧度的标准化曲线段，比如2 m、2.5 m、3 m等长度的直线段，曲率为45.5 m、转动角度为5°的曲线段。标准管道组件应根据实际钢绞线根数和优化调整后的预应力线形定制长度和尺寸，见表1。

2.1.3 连接接头组件

连接接头组件用于连接标准管道组件，分为直线段接头和曲线段接头。直线段接头用于连接直线管道和直线管道，曲线段管道用于连接曲线管道和直线管道。连接接头组件的内外径需要根据预应力管道的内外径而定。连接接头组件与标准管道组件之间通过螺纹、机械连接、胶合等方式连接。

2.1.4 索力测量组件

在一根预应力管道上设置有一个索力测量组件，基于磁通量的原理，长期监测管道内预应力筋的索力。索力测量组件设置在管道中点位置。索力测量组件由预应力管道、激励线圈、感应线圈、温度补充传感器、磁通量保护壳等部件组成。在测量时通过外部驱动电路产生脉冲电流，电流通过包裹在管道外部的励磁线圈产生磁场，铁磁材料的磁通量特性取决于其内部的应力状态，当预应力钢束的应力发生变化时磁通量特性也会发生变化，通过测量线圈和外部信号处理设备即可得到索力大小[5]。

2.1.5 密实度测量组件

在一根预应力管道上设置有若干密实度测量组件，基于图像识别的原理检测预应力管道内的压浆质量[6]。密实度测量组件可设置在曲线段上部或者直线段中点等容易出现压浆空洞的位置。密实度测量组件由透明玻璃钢管道、预留光学元件、微型摄像头等部件组成。在测量时只需将光学元件和微型摄像头连接电源，利用电脑图像识别技术，识别管道中是否有空洞。

表1 标准管道组件产品系列表

2.2 T梁应用案例

T梁通用图中原钢束分为正弯矩钢束和跨间负弯矩钢束，将钢束线形标准化后，即可按照两种方案进行预应力管道的标准化设计。

（1）基于“多节段少接头”设计思想的25 m、30 m跨径的T梁预应力管道类型包括3种，有1种标准化直线段管道类型和2种曲线段管道类型（见图 7、图 8）。

图7 “多节段少接头”型单跨预应力管道布置

图8 “多节段少接头”型跨间预应力管道布置

（2）基于“少节段多接头”设计思想的25 m跨径的T梁预应力管道类型包括9种，其中标准化直线段管道类型有7种，曲线段管道类型有2种（见图9、图10）。30 m跨径的T梁预应力管道类型包括8种，其中标准化直线段管道类型有6种，曲线段管道类型有2种。

图9 “少节段多接头”型单跨预应力管道布置

图10 “少节段多接头”型跨间预应力管道布置

2.3 小箱梁应用案例

交通部公布的25 m和30 m跨径的小箱梁标准图纸（连续梁，五跨一联）中预应力钢束布置分为中跨、边跨和负弯矩区三种预应力线形。

（1）基于“多节段少接头”设计思想的25 m、30 m跨径的小箱梁预应力管道类型包括3种，其中标准化直线段管道类型有2种，曲线段管道类型有1种（见图 11）。

（2）基于“少节段多接头”设计思想的25 m跨径的小箱梁预应力管道类型包括7种，其中标准化直线段管道类型有6种，曲线段管道类型有1种（见图12）。30 m跨径的小箱梁预应力管道类型包括7种，其中标准化直线段管道类型有6种，曲线段管道类型有1种。

图11 “多节段少接头”型预应力布置线形

图12 “少节段多接头”型预应力布置线形

2.4 空心板梁应用案例

16 m跨径的空心板梁标准图纸（连续梁，五跨一联）原钢束布置包括边跨和中跨两种预应力线形。

（1）基于“多节段少接头”设计思想的16 m跨径的空心板梁预应力管道类型包括3种，其中标准化直线段管道类型有2种，曲线段管道类型有1种（见图 13）。

图13 “多节段少接头”型边跨、中跨预应力线形

（2）基于“少节段多接头”设计思想的16 m跨径的空心板梁预应力管道类型包括5种，其中标准化直线段管道类型有4种，曲线段管道类型有1种（见图 14）。

图14 “少节段多接头”型边跨、中跨预应力线形

3 新型管道产业化经济效益分析

在五跨一联T梁、小箱梁和空心板中，按照以上两种标准化设计思路，形成的新型预应力管道的节段种类数、管道数量和接头数量统计见表2。

表2 预应力管道方案比选

与原方案相比，钢束线形调整后，管道拼接成形，适用于工厂化快速施工。两种优化方案相比，方案一虽然节段数量多、接头多，施工速度较慢，但种类少，拼接程序单一，适用于大规模生产；方案二虽然节段数量少，施工速度略快，但节段类型较多，不利于大规模重复生产。

新型预应力管道需要使用钢管，根据试验桥中的造价进行测算，目前材料单价较普通管道材料较高，但未来如能实现产业化制造，费用将大幅降低，见表3。并且这种新型预应力管道能配合智能张拉设备，密实度测量组件能检测预应力管道内的压浆质量，也能提高各钢绞线受力的均匀性，同时也提高了各钢绞线的有效强度，从而使桥梁梁体更轻便并具有更高的承载能力[7]。

表3 新型预应力管道和普通管道材料单价比较

索力测量组件能长期监测管道内预应力筋的索力，能和监测系统更好地对接，便于养护，提高桥梁耐久性，全寿命经济性好。标准化设计和工业化建造能在提高预应力施工质量的同时，节约施工时间和人工成本，对于实现桥梁施工和管理的信息化、智能化、绿色化有很好的促进作用。

4 结语

基于工业化建造思想研发的新型预应力管道，通过对管道材料和结构形式的创新，一方面解决预应力管道施工过程中的堵管、定位偏差等问题；另一方面将预应力长期性能监测设备与管道集成，实现对永存预应力的长期跟踪，为结构运营状态判定提供依据。新型预应力管道孔径将比目前使用的波纹管形式大大减小，使得结构尺寸优化和体系成为可能。

通过标准化设计的新型预应力管道，适用于大规模生产和工厂化快速施工。在提高预应力施工质量的同时，节约施工时间和人工成本，对于实现桥梁施工和管理的信息化、智能化、绿色化有很好的促进作用。