淺談體外預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋設(shè)計(jì)
摘要：本文作者結(jié)合自身多年對(duì)橋梁設(shè)計(jì)的工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程實(shí)例，論述體外預(yù)應(yīng)力混凝土T梁設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題及其優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程，可供類似橋梁設(shè)計(jì)參考。
關(guān)鍵詞：體外預(yù)應(yīng)力；T梁；橋梁設(shè)計(jì)
體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)將預(yù)應(yīng)力筋(索)置于混凝土梁體以外，僅在梁的轉(zhuǎn)向塊和錨固塊處與梁體接觸。與傳統(tǒng)的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相比，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有截面尺寸小、自重輕、預(yù)應(yīng)力筋更換與維護(hù)管理方便、預(yù)應(yīng)力摩擦損失小、施工工期短以及耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)用非常廣泛，既可以用于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁、特種結(jié)構(gòu)和建筑工程結(jié)構(gòu)等新建結(jié)構(gòu)，也可以用于既有混凝土結(jié)構(gòu)的加固及維修，同時(shí)還可以用于臨時(shí)性預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)或施工臨時(shí)性鋼索。隨著斜拉橋和高強(qiáng)混凝土技術(shù)的發(fā)展，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用將是現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)施工的主要趨勢(shì)之一。
混凝土T梁具有預(yù)制方便、架設(shè)簡(jiǎn)單、截面形式經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于中等跨徑的簡(jiǎn)支梁橋以及先簡(jiǎn)支后連續(xù)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。將體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于鋼筋混凝土T梁中，能夠結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)，在中等跨度橋梁特別是多跨連續(xù)梁橋的建設(shè)中，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)用于既有T梁橋加固的工程實(shí)例很多，但用于新建混凝土T梁橋的很少。如何將體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)與T梁橋很好地結(jié)合起來，從而發(fā)揮其各自的優(yōu)勢(shì)，尚需進(jìn)行大量的探索和研究。筆者結(jié)合某體外預(yù)應(yīng)力橋梁工地的施工實(shí)踐，從便于施工和維護(hù)的角度對(duì)體外預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋設(shè)計(jì)特別是方案構(gòu)思時(shí)值得注意的幾個(gè)問題進(jìn)行初步探討�！�
1工程概況
體外預(yù)應(yīng)力概念設(shè)計(jì)的混凝土橋梁。該橋分左右兩幅，每幅雙車道。一聯(lián)三跨，采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的方法施工。左幅跨徑為35+41+40m，右幅跨徑為35+41+24m，每幅采用6片T梁，體內(nèi)體外混合配束。每片T梁內(nèi)配(4～25)φ15．24低松弛鋼絞線作為體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束，錨具采用HVM群錨體系；每片T梁腹板兩側(cè)通長(zhǎng)布置(2～6)φ15．24預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為體外預(yù)應(yīng)力束，錨具使用OVM錨具。錨固塊設(shè)于該聯(lián)兩端，每跨跨間、中間墩頂位置分別設(shè)置轉(zhuǎn)向塊。體外束孔道采用高密度聚乙烯管(HDPE)，張拉后孔道內(nèi)灌人黃油，沿孔道每隔8～10m設(shè)置1道減振裝置。其中24m跨T梁的立面和橫斷面見圖1�！�
2幾個(gè)在設(shè)計(jì)階段值得考慮的問題
2．1T梁的架設(shè)
體外預(yù)應(yīng)力高架橋的施工順序如下：
(1)在工地預(yù)制場(chǎng)分片預(yù)制好T梁，T梁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋、灌孔、封錨，下部結(jié)構(gòu)同時(shí)平行施工。
(2)用運(yùn)梁小車將T梁運(yùn)至安裝現(xiàn)場(chǎng)。
(3)T梁架設(shè)。
(4)澆筑后澆帶混凝土，連接橫隔板。
(5)拆除臨時(shí)支座，進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換。
(6)張拉體外預(yù)應(yīng)力柬。
(7)橋面系施工。
本工程T梁架設(shè)采用逐跨架設(shè)法。由于體外索是在該聯(lián)的T梁全部架設(shè)以后才進(jìn)行張拉的，在此之前，已架設(shè)的T梁憑借自身已有的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋，并不具有足夠的承載力來承受如混凝土攪拌車、運(yùn)梁小車等重型施工荷載，因此，需要采取必要的措施來保證梁體承載力能夠滿足施工荷載的要求。當(dāng)時(shí)提出了兩套架設(shè)方案：一是在橋下順著橋軸線方向沿橋梁兩側(cè)鋪設(shè)軌道，安裝龍門吊進(jìn)行T梁架設(shè)，這樣可以避免混凝土攪拌車和運(yùn)梁小車在已架好的T梁上行走，從而保證了T梁的安全；另一套方案是用架橋機(jī)架設(shè)T梁，在每跨已架好的T梁下增加兩個(gè)臨時(shí)墩，以減小T梁的跨徑，從而使梁能夠承受混凝土攪拌車和運(yùn)梁小車等重型荷載。經(jīng)綜合比較，選用了第二套方案進(jìn)行T梁架設(shè)。雖然采用該方案T梁得以順利架設(shè)，但相對(duì)同等跨度的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力梁來說，由于施工中每跨增加了兩個(gè)臨時(shí)墩，架設(shè)體外預(yù)應(yīng)力T梁顯然費(fèi)時(shí)費(fèi)工，經(jīng)濟(jì)上也不合算。此外，該橋橋下為施工便道，凈空高度約17m，臨時(shí)墩架設(shè)相對(duì)比較方便，倘若是高墩或者跨河橋，采取架設(shè)臨時(shí)墩或者橋下安裝龍門吊的方法架設(shè)T梁顯然就不現(xiàn)實(shí)了。如前所述，體外預(yù)應(yīng)力橋梁具有相對(duì)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力橋梁無可比擬的許多優(yōu)勢(shì)，但如果體外預(yù)應(yīng)力橋梁架設(shè)施工比較麻煩，費(fèi)用比較高昂，則其優(yōu)勢(shì)特別是全生命周期成本較低的優(yōu)勢(shì)將大打折扣，從而直接影響到體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此，如何在設(shè)計(jì)和施工過程中采取措施，降低體外預(yù)應(yīng)力橋梁特別是先簡(jiǎn)支后連續(xù)施工的T梁施工成本，必須引起足夠的重視。解決的思路之一可以考慮在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)每片T梁兩端設(shè)置臨時(shí)錨固塊，T梁架設(shè)前張拉臨時(shí)體外預(yù)應(yīng)力束，使其在簡(jiǎn)支階段即具有足夠的承載力滿足施工荷載的要求，從而不必采取額外的施工措施來保證T梁架設(shè)能夠順利進(jìn)行。臨時(shí)體外預(yù)應(yīng)力束可以在永久體外預(yù)應(yīng)力束張拉后拆除或直接轉(zhuǎn)換為永久體外預(yù)應(yīng)力束。
2．2錨固塊和轉(zhuǎn)向塊的配筋
錨固塊和轉(zhuǎn)向塊是體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)特有的重要部件。體外預(yù)應(yīng)力束置于混凝土梁體之外，僅在錨固塊和轉(zhuǎn)向塊處與混凝土梁體接觸。體外索對(duì)梁體提供的強(qiáng)大支持力是通過錨固塊和轉(zhuǎn)向塊傳給梁體的，因此錨固塊和轉(zhuǎn)向塊都承受強(qiáng)大的作用力。錨固的可靠與否，直接影響到結(jié)構(gòu)的安全和耐久性能；而轉(zhuǎn)向塊具有固定體外束線形的功能，體外預(yù)應(yīng)力束轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向設(shè)施為預(yù)應(yīng)力束提供堅(jiān)固的支承，并以較小的摩擦力使之順利轉(zhuǎn)向，同時(shí)承受很大的局部壓力。因此，錨固塊和轉(zhuǎn)向塊的設(shè)計(jì)是體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)中必須予以重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。高架橋的錨固塊和轉(zhuǎn)向塊為普通鋼筋混凝土澆筑而成，其中錨固塊受力主筋為φ25mm的HRB335鋼筋，體積配筋率達(dá)％13．6，鋼筋間距為90mm，形成一個(gè)密密麻麻的鋼筋骨架，如此密布的鋼筋給鋼筋籠的綁扎和混凝土澆筑帶來了一定的困難，混凝土的澆筑質(zhì)量也難以得到保證。如何在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，適當(dāng)減小普通鋼筋的配筋率是一個(gè)值得研究的問題。對(duì)于錨固塊和轉(zhuǎn)向塊的合理構(gòu)造和配筋，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。舊橋加固工程中多采用在原有結(jié)構(gòu)上植筋安裝鋼制錨固塊和轉(zhuǎn)向塊的做法。這種鋼制錨固塊和轉(zhuǎn)向塊能夠承受強(qiáng)大的局部壓力，并與原有結(jié)構(gòu)結(jié)合良好，但存在防銹問題，不宜用于新建橋梁�；炷林斜３诌m當(dāng)?shù)呐浣盥屎筒冀铋g距對(duì)于抑制混凝土裂縫的開展、提高混凝土的局部抗壓強(qiáng)度是有利的，可以考慮將錨固塊和轉(zhuǎn)向塊的配筋部分地改用勁性型鋼如角鋼等替代，在保證構(gòu)件強(qiáng)度的前提下減少鋼筋的數(shù)量，從而便于施工中鋼筋的綁扎和混凝土的澆筑。錨固塊和轉(zhuǎn)向塊中勁性型鋼的配置，可以采用有限元方法進(jìn)行分析求得。
2．3體外預(yù)應(yīng)力束穿索
高架橋體外預(yù)應(yīng)力束的穿索，一度是施工過程中一個(gè)困擾工程建設(shè)各方的問題。最先提出從一端錨固塊順序穿索至另一端錨固塊的方案。T梁架設(shè)并完成體系轉(zhuǎn)換后，各片梁端橫隔板已經(jīng)連成封閉的整體，而端橫隔板與錨固塊之間凈距只有105cm，滿足不了體外束最小轉(zhuǎn)彎半徑的要求，因而該方案被否決。其后提出將體外索置于橋下地面，用起重機(jī)將體外索一端吊至轉(zhuǎn)向塊位置，T梁下掛吊籃用人工穿索臨時(shí)固定，再用卷揚(yáng)機(jī)牽引的方法。由于體外索本身具有一定的彎曲剛度，轉(zhuǎn)彎半徑太小則體外索端頭不易通過轉(zhuǎn)向塊和錨固塊的預(yù)應(yīng)力孔道，再加上高空作業(yè)，梁下實(shí)際操作空間有限，該方法經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試用后，效果很不理想。經(jīng)反復(fù)研究，最后決定在已澆筑的端橫隔板上對(duì)應(yīng)錨固塊的位置開槽，將體外索展開擺放在相鄰跨橋面上，利用卷揚(yáng)機(jī)和牽引繩將體外索從一端錨固塊拉向另一端錨固塊。由于該方法解決了體外索彎曲半徑過小的問題，且多數(shù)作業(yè)都在橋面上完成，體外索得以順利穿過。這從施工角度提出一個(gè)問題：能否在澆筑T粱端橫隔板時(shí)預(yù)留穿索的孔道，以便于后面的穿索，或者干脆取消端橫隔板，取而代之以梁端錨固塊?這是在設(shè)計(jì)中值得考慮的一個(gè)問題。
2．4體外索的張拉
高架橋T梁設(shè)計(jì)的錨固塊與端橫隔板之間的凈距為105cm，錨固塊預(yù)應(yīng)力孔道與梁頂板的凈距為65cm。在進(jìn)行體外索的張拉時(shí)，張拉千斤頂要從梁頂面吊至錨固塊位置，張拉過程中為便于工人操作，錨固塊后面需要一定的操作和活動(dòng)空間，因此實(shí)際操作時(shí)錨固塊與端橫隔板之間的翼板混凝土均被鑿除。此外，由于體外索初步張緊后錨具后留有一定的工作長(zhǎng)度，錨固塊與端橫隔板凈空不夠，端橫隔板相應(yīng)位置的混凝土亦被鑿除。這樣又提出一個(gè)問題：鑒于端橫隔板的存在對(duì)施工多有不便，體外預(yù)應(yīng)力T梁的端橫隔板是否可以取消?對(duì)于一般的混凝土T梁來說，端橫隔板主要有兩個(gè)作用：一是保證梁在澆筑、運(yùn)輸和架設(shè)過程中的穩(wěn)定；二是加強(qiáng)各片梁之間的整體聯(lián)系。如果沒有端橫隔板，T梁在施工過程中的穩(wěn)定可以用臨時(shí)支撐保證，而各片梁之間的整體聯(lián)系，可以考慮在體外索張拉之后再整體澆筑端橫隔板，或者干脆取消端橫隔板，直接將相鄰各片T梁的錨固塊聯(lián)結(jié)起來，這樣也可以保證各梁之間的整體聯(lián)系。取消了體外預(yù)應(yīng)力T梁的端橫隔板以后，T梁端部翼板下錨固塊后面能夠獲得較大的空間，對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力束穿索、張拉以及使用期的維護(hù)都很有益處。
2．5體外索的二次張拉及換索
體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁相對(duì)于體內(nèi)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的最大優(yōu)勢(shì)就是能夠進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋的二次張拉和換索。對(duì)于一般的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，結(jié)構(gòu)服役一定年限后，預(yù)應(yīng)力筋可能會(huì)發(fā)生一定程度的松弛或銹蝕，但體外預(yù)應(yīng)力梁可以方便地檢測(cè)預(yù)應(yīng)力索的索力及銹蝕情況，及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)張拉和換索，因而具有比傳統(tǒng)的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土梁較低的全生命周期成本。體外索的補(bǔ)張拉和更換，都要求梁下有一定的操作平臺(tái)。對(duì)于箱梁，該平臺(tái)由箱梁底板提供，可以在箱梁室內(nèi)方便地進(jìn)行操作，但T梁沒有底板，只能在施工時(shí)臨時(shí)搭設(shè)。若將T梁梁端T形截面改成工字截面，將工字截面下翼緣做得相對(duì)較寬，再做好安全防護(hù)設(shè)施，則下翼緣板能夠提供體外索二次張拉和換索時(shí)的操作平臺(tái)。另一個(gè)解決的辦法是將梁端錨固區(qū)相對(duì)做得較大，圖2所示是關(guān)于體外預(yù)應(yīng)力兀形梁橋錨固區(qū)的做法。該方法是在橋臺(tái)上錨固塊后面做成空室，從而使得體外索的補(bǔ)張拉和換索即使在交通開放的情況下也能夠順利進(jìn)行。該做法的缺點(diǎn)是橋臺(tái)和錨固區(qū)體積龐大、構(gòu)造復(fù)雜，用于一聯(lián)數(shù)跨的連續(xù)梁橋才比較經(jīng)濟(jì)。
3結(jié)語
以該體外預(yù)應(yīng)力連續(xù)T梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃謩e從T梁架設(shè)、錨固塊和轉(zhuǎn)向塊配筋、體外預(yù)應(yīng)力束穿索、體外索張拉、二次補(bǔ)張拉和換索等幾個(gè)方面，對(duì)體外預(yù)應(yīng)力T梁橋在設(shè)計(jì)中值得考慮的若干問題進(jìn)行了探討，為類似橋梁的設(shè)計(jì)提供借鑒。作為一種很有應(yīng)用前景的技術(shù)，目前體外預(yù)應(yīng)力用于混凝土T梁橋新建工程的不多，如何實(shí)現(xiàn)體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)與混凝土T梁橋良好的結(jié)合，還需要廣大橋梁建設(shè)工作者做進(jìn)一步的研究和探索。
