大直径钢绞线横向预应力体系设计与实桥应用研究

2020-12-11李波韩福洲

中外公路 2020年5期

李波，韩福洲

(中设设计集团股份有限公司，江苏南京 210014)

1 引言

3-5φs15.2扁锚横向预应力体系由于占用顶板尺寸较少(常见波纹管高度为19 mm)，截面削弱度低，在箱梁桥横向预应力体系中通常为设计者所采用。但一般来说，该体系又具有以下几方面缺点：① 由于其钢绞线短，传力锚固时夹片回缩引起的预应力损失大；② 钢绞线在锚头处存在弯折，锚口摩阻损失大，在设计中难以准确考虑；③ 扁锚体系波纹管高度仅为19 mm，钢绞线公称直径已达15.24 m，实际孔道摩阻损失较大，且压浆不易密实等。

采用大直径、强度等级更高的钢绞线代替目前大量使用的φs15.2钢绞线，能够节约钢材，并且可以减小每束预应力钢绞线的根数，这样既方便了钢绞线的穿束，又容易把控施工质量，提高施工效率。因此从减小钢绞线的根数，免除使用扁锚，减小锚口预应力损失的角度出发，建议研究一种新型单根大直径钢绞线作为横向预应力体系来替代扁锚体系，相应实体模型试验在文献[4]中进行了详细论证。该文首先对单根大直径钢绞线横向预应力体系进行设计，确定主要构造参数；其次，在实桥上对该新型横向预应力体系进行应用研究，验证规模应用的可行性。

2 工程概况

依托桥梁上部结构采用悬浇变截面连续箱梁，跨径布置为(35+60+40) m，截面形式为单箱单室，箱梁全宽13.65 m，主桥箱梁顶板厚为0.28 m，底板厚度按二次抛物线，由跨中的0.3 m变化至距0#块中心线3.0 m处的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直线渐变到0.45 m。箱梁采用纵、横、竖三向预应力体系。主桥连续箱梁采用挂篮悬臂浇筑法施工，各单“T”箱梁除0#块采用在支架上现浇外，其余分为6对梁段，均采用对称平衡悬臂逐段浇筑法施工。箱梁纵向悬浇分段长度为(1×3.5+5×4.0) m。桥梁纵断面图及箱梁典型横断面图分别见图1、2。

图1 依托桥梁纵断面图(单位：cm)

图2 箱梁典型横断面图(单位：cm)

3 设计方案研究

(1) 钢绞线和波纹管

GBT 31314-2014《多丝大直径高强度低松弛预应力钢绞线》中大直径钢绞线型号主要包括公称直径为17.8、19.3、20.3、21.8和28.6 mm5种，其中19.3 mm级以下的钢绞线与扁锚体系常用的15.24 mm的钢绞线相比，截面面积提升不大，两者实际作用效应的对比不明显。同时，考虑日本桥梁的横向预应力常使用21.8、28.6 mm的钢绞线，因此，不将17.8 mm钢绞线作为考虑的方案。

中国箱梁顶板常见设计厚度一般为28 cm，采用φs21.8和φs28.6的钢绞线作为横向预应力技术上都可行。但是通过调研中国波纹管厂商，发现桥梁工程中使用的圆波纹管一般为纵向预应力使用，内径一般为50 mm以上，有少数厂商生产内径为30 mm的金属波纹管。实桥设计中选用φs21.8钢绞线和内径30 mm的圆波纹管进行配套，φs28.6钢绞线和内径500 mm的圆波纹管进行配套。

(2) 锚具

配套锚具系统技术参数应满足JT/T 329-2010《公路桥梁预应力钢绞线用锚具、夹具和连接器》要求。目前中国已有多家企业能够生产大直径钢绞线配套的锚固系统，且该类锚具较多使用在矿山等大型构筑物建设中，该项目选用M22-1型单孔锚具与φs21.8钢绞线配套使用。

(3) 横向预应力线形

文献[1]中指出对于扁锚体系的横向预应力，直线布束和竖弯布束的实际作用效果相差不大，而直线布束还具有施工方便，预应力损失小等优势。大直径钢绞线由9根钢丝捻制而成，在顶板的狭小空间内进行弯折更加不容易。同时，通过调研日本某桥的施工图纸(图3)显示，该桥横向预应力采用φs21.8钢绞线，横向预应力线采用直线布束。因此综合考虑，大直径横向预应力体系设计采用直线布束形式(图4)。

图3 日本东名第二高速公路φs28.6钢绞线横向预应力布置

图4 依托桥梁横向预应力布置图(单位：cm)

(4) 有效预应力

按照JTG 3362-2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，张拉控制应力取为(0.75fpk=13 955 MPa，分别计算各项预应力损失如表1)。通过计算可得扁锚体系有效预应力为1 048.8 MPa，大直径体系有效预应力约为1 103.8 MPa。

表1 后张法预应力损失计算结果

(5) 布置间距

横向预应力体系施加的主要目的是为箱梁顶板提供预压应力，避免桥梁顶板后期产生纵向开裂。因此，此次预应力布置间距的设置应以顶板有效预压应力较常规扁锚体系不降低或略有提高作为设计要求。

建立箱梁平面框架模型按照不同布置间距对扁锚体系和大直径钢绞线体系有效预压应力效应进行计算，结果如表2所示。由表2可知：采用φs21.8大直径钢绞线，当设置间距为0.4 m时，预压应力水平较扁锚体系略高。因此，依托桥梁设计采用间距为0.4 m。

(6) 对比结果

对单根大直径体系与扁锚体系从截面面积、布置间距、摩阻损失等多个方面进行对比总结如表3所示，由表3可以看出：单根大直径体系代替常规扁锚体系具有可行性。

表2 扁锚体系与大直径钢绞线体系作用效应对比

表3 大直径钢绞线体系与扁锚体系对比结果

4 实桥应用研究

在论证设计方案可行性和等比例模型试验验证之后，在依托桥梁工程项目中全面应用了单根大直径钢绞线横向预应力体系，以论证规模应用的可行性。

4.1 实施过程

对单根大直径钢绞线横向预应力体系实施过程进行了跟踪调查，从钢绞线穿束、锚具安装、张拉、灌浆全过程进行了跟踪观测。现场一线工人反馈该体系穿束方便，张拉较原扁锚体系简单，但由于间距40 cm一道，张拉数量增加，实际工作量并未有效减少。因此，后期大直径钢绞线横向预应力体系应用可以进一步拓宽思路，研究更大直径钢绞线应用的可能性，降低钢绞线根数，并增加预压应力。实桥大直径钢绞线横向预应力主要施工工序流程图见图5。