橋梁施工中的水滴形斜拉橋預(yù)應(yīng)力控制技術(shù)研究

馮凱

（廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

現(xiàn)代人們出行的交通工具多為汽車，隨著汽車數(shù)量的不斷增加，交通堵塞情況屢見不鮮，因此對道路及橋梁帶來安全隱患。當(dāng)代橋梁施工項目日益增多，成為大跨度橋梁的主要發(fā)展類型，在跨度增加的背景下，斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系越來越復(fù)雜，給設(shè)計和施工帶來了很大的困難。

文獻(xiàn)［1］提出的漿錨搭接式鋼筋連接技術(shù)通過在混凝土構(gòu)件中的預(yù)留孔道中插入鋼筋并關(guān)注水泥漿料實現(xiàn)鋼筋連接，適用范圍受限，不能應(yīng)用于精細(xì)構(gòu)件的鋼筋連接，并且在混凝土澆灌中，忽視了內(nèi)圓模板的浮力作用，導(dǎo)致預(yù)制橋面板的承重力不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)［2］提出的套筒式注漿式鋼筋連接方式，快速向套管內(nèi)注入收縮漿液，通過漿液與鋼筋的物理連接，實現(xiàn)鋼筋之間的緊密連接。僅用于帶套筒結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，其牢固性能較差。在澆筑過程中，溫度測量不充分，造成預(yù)制橋面出現(xiàn)裂縫，降低了橋梁的耐久性。文獻(xiàn)［3］提出的柱鋼牛腿式鋼筋連接技術(shù)，以焊接鋼牛腿為連接樞紐進(jìn)行鋼筋連接，但由于剛牛腿體積較大，不適用于零部件復(fù)雜的鋼筋結(jié)構(gòu)且采用多層混凝土澆灌方式進(jìn)行澆灌，易導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生離析，降低其力學(xué)性能。

上述3種方法雖然滿足了橋梁建設(shè)需求，但是無法到達(dá)橋梁預(yù)應(yīng)力的承受力，因此本文提出橋梁施工中采用水滴形斜拉橋預(yù)應(yīng)力控制技術(shù)。

1 工程概括

水滴形斜拉橋具有一定特殊性，其非線性和橋梁建成狀態(tài)的不穩(wěn)定性給設(shè)計和施工帶來了很大的困難。本文介紹的主要承重構(gòu)件部分主梁與索塔的組成材料有著密切的聯(lián)系，一般采用鋼材混凝土與混合材料組成，而彼此連接的橋面板則主要采用高強(qiáng)度的鋼筋和混凝土合制而成，拉索具有多角度變換的能力，因此在連接的過程中，橋面板可以分別固定于主梁和索塔兩側(cè)，擴(kuò)大承重面積的同時實現(xiàn)多點彈性支撐，使得斜拉橋主梁所受到的載荷可均勻分布給索塔［4］。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土水滴形斜拉橋的特點

2.1 水滴形斜拉橋優(yōu)勢

水滴形斜拉橋的建造成本較低，尤其是將混凝土作為原材料，該材料可就地取材且受斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的影響。橋梁本身仍然存在一些問題，主梁必須承受較大的壓力，這與混凝土抗壓能力強(qiáng)的優(yōu)勢相對應(yīng)。

2.2 水滴形斜拉橋劣勢

預(yù)應(yīng)力混凝土水滴形斜拉橋具有多樣化特點，錨固條件存在較大差異，直接關(guān)系到主梁的軸力及其分布，橋梁的主體受壓時，有利于預(yù)應(yīng)力斜拉橋，但跨度恒定時水平分力增加了主梁的水平壓力，特別是在索塔附近，索力水平分力產(chǎn)生的主梁壓力較大，出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象容易發(fā)生主梁失穩(wěn)。

3 水滴形斜拉橋預(yù)應(yīng)力橋面板的預(yù)制

3.1 水滴形斜拉橋預(yù)應(yīng)力橋面板的預(yù)制結(jié)構(gòu)

（1）預(yù)制場設(shè)置。清理預(yù)制場軟土層，實現(xiàn)預(yù)制場的硬化處理，并規(guī)定預(yù)制場承載力需高于0.1 MPa，從而滿足橋面板存放和運輸需求。清除預(yù)設(shè)區(qū)域雜物，以混凝土為材料預(yù)設(shè)744 cm×423 cm×30 cm的臺座，強(qiáng)度等級為C25，根據(jù)設(shè)計圖紙，在臺座上方鋪設(shè)型鋼，要求型鋼筆直且表面平整無焊瘤，預(yù)設(shè)反頂平臺［5］。

（2）設(shè)置龍門吊。預(yù)設(shè)兩座起吊能力大于30 t的排貝雷拼裝型龍門吊進(jìn)行轉(zhuǎn)運工作，兩座龍門吊之間的距離大于27 m，利用陰陽接頭連接龍吊門底部和平車，立柱底部平車及兩側(cè)斜撐底部平車的承重分別大于50 t和20 t，由卷廠機(jī)牽引平車使龍吊門沿縱向行駛［6］。

（3）模板工程。在臺座型鋼鋪墊層下方設(shè)置錨墊塊，在型鋼上方沿四周方向分別安裝堵頭板，堵頭板分為底節(jié)、頂節(jié)及中節(jié)上層，按照鋼筋間距在底節(jié)、頂節(jié)預(yù)留鋼筋槽口，中節(jié)設(shè)置管道口。

（4）鋼筋管道工程。在鋼筋加工廠進(jìn)行下料，結(jié)合鋼筋連接技術(shù)將預(yù)制板鋼筋加工成骨架或鋼筋網(wǎng)，按照設(shè)計圖紙安裝橫向預(yù)應(yīng)力管道和錨墊板，二者始終保持互相垂直狀態(tài)，且長度長于堵頭板10 cm，有效避免混凝土漏漿。

（5）混凝土工程。采用高性能C60混凝土進(jìn)行預(yù)制板制作，在澆灌前，設(shè)置預(yù)制板預(yù)留孔，澆灌完畢后，對其澆灌表面進(jìn)行收漿和養(yǎng)護(hù)。

（6）存放和轉(zhuǎn)運。考慮預(yù)制場地的承重能力，橋面板的存放最高可存放8層，支撐底座的制作材料為柔性枕木，上方設(shè)置橡膠墊，避免破壞橋面板的表面平整度。

3.2 橋梁施工過程

在預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋施工過程控制中，施工企業(yè)需要做好以下工作。

（1）橋梁建筑中，全橋預(yù)應(yīng)力混凝土總強(qiáng)度為95%，橋梁結(jié)構(gòu)彈性模量必須達(dá)到設(shè)計值，必須滿足14 d的要求（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)時間必須大于7 d）。斜拉橋預(yù)應(yīng)力鋼梁的拉力應(yīng)遵循“上下平衡、拉力與伸長雙控、左右對稱”的原則。

（2）斜拉橋預(yù)應(yīng)力定位時，為防止?jié)仓炷習(xí)r管子跑偏，定位網(wǎng)格間距應(yīng)控制在0.5 m以內(nèi)，并將管道的定位網(wǎng)加密成弧形斷面且必須控制在0.25 m以內(nèi)，全橋梁應(yīng)焊接結(jié)構(gòu)鋼筋和結(jié)構(gòu)剛性籠，并在定位鋼筋數(shù)量和長度固定的情況下移動。

（3）使用預(yù)應(yīng)力梁清除管道內(nèi)雜物前必須進(jìn)行壓縮控制和高壓水處理，管道澆注工作必須在張拉完成后24 h內(nèi)完成，注水口和出水口必須按照規(guī)定合理設(shè)計。

針對同一層次的不同指標(biāo)，建立判斷矩陣，采用兩兩比較法，判斷指標(biāo)的相對影響力大小，判斷矩陣的公式如下：

式（1）中，b表示指標(biāo)；i表示該指標(biāo)所屬層數(shù)；j表示該指標(biāo)在i層中的位置。

判斷矩陣滿足：

根據(jù)比較結(jié)果，進(jìn)行單層指標(biāo)相對影響力大小排序，并計算每一指標(biāo)的權(quán)重。

用求和法求出指標(biāo)的權(quán)重。該算法首先將上述判斷矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其各列系數(shù)之和為1。歸一化方法如下：

以歸一化處理后的矩陣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算指標(biāo)i的權(quán)重Wi數(shù)值：

式（4）中，vi表示指標(biāo)i的相對重要系數(shù)。

3.3 預(yù)應(yīng)力橋面板的預(yù)制施工關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 鋼筋連接施工技術(shù)

在水滴形斜拉橋預(yù)應(yīng)力橋面板預(yù)制施工中，采用以搭接、焊接、機(jī)械連接為主的混合鋼筋連接技術(shù)。針對待連接鋼筋，需按照規(guī)定進(jìn)行除銹、焊接樣板設(shè)置、強(qiáng)度測試等操作，以保證連接鋼筋的質(zhì)量符合施工標(biāo)準(zhǔn)。鋼筋的抗壓強(qiáng)度的計算公式如下：

式（5）中，F(xiàn)表示對連接鋼筋施加的壓力大小；S表示測試鋼筋的受力面積。

在實際應(yīng)用過程中，由于鋼筋受到材質(zhì)輕微差異、應(yīng)用安裝位置是否合理、環(huán)境條件是否合理等相關(guān)因素約束，會產(chǎn)生一個抗壓強(qiáng)度損耗所以鋼筋的實際抗壓強(qiáng)度Pt為所得到的Pt即為鋼筋的實際抗壓強(qiáng)度。

在得到鋼筋的抗壓強(qiáng)度Pt后，根據(jù)鋼筋的特質(zhì)和應(yīng)用選擇合適的連接技術(shù)，主要有搭接、焊接及機(jī)械3種鋼筋連接技術(shù)。搭接時要考慮施工長度，在施工過程中，鋼筋的受壓區(qū)整體長度應(yīng)該為橋梁整體拉力的80%，并且要根據(jù)鋼筋的等級做最終的決定。

3.3.2 混凝土澆灌施工技術(shù)

混凝土的澆灌按照先中間、后兩頭的澆灌順序進(jìn)行澆灌，并且澆灌過程需保持高度連續(xù)性與均勻性，可利用插入式振搗器提升混凝土澆灌的緊密程度，在振搗過程中，要避免碰觸混凝土結(jié)構(gòu)中的波紋管，振搗至混凝土澆灌結(jié)構(gòu)表面平坦，無氣泡冒出為止。振搗完畢后，對預(yù)制板面的平整度進(jìn)行調(diào)整，待表面收漿初凝后，進(jìn)行二次收漿并進(jìn)行拉毛操作。

由于混凝土澆筑量大，澆筑時間長，因此混凝土內(nèi)部溫度下降緩慢，而表面溫度下降迅速，在熱應(yīng)力作用下形成裂縫。為了避免橋梁面板產(chǎn)生裂縫，本文采用降溫式混凝土澆灌技術(shù)，針對入倉前的混凝土入倉，需對其進(jìn)行降溫處理，如采用噴水降溫、混合冰屑降溫等方式，從而減小混凝土內(nèi)部與表面的溫度差。

設(shè)混凝土入倉時的溫度為TP，則TP的計算公式如下：

式（6）中，Te表示混凝土出機(jī)口時的溫度；Ta表示混凝土澆灌時的平均大氣氣溫；1表示混凝土運輸過程中的溫度損耗系數(shù)；2表示混凝土裝車和卸車時的溫度損耗系數(shù)；3表示混凝土澆灌時的溫度損耗系數(shù)。

4 水滴形斜拉橋預(yù)應(yīng)力橋面板的安裝方法

4.1 橋面板的吊裝

為了防止出現(xiàn)混凝土混漿、鋼筋栓釘碰撞、橋面板彎折等現(xiàn)象，本文根據(jù)傳統(tǒng)吊裝理念對橋面板的吊裝做了嚴(yán)格的工序安排并采取了改良措施，具體的吊裝流程如下。①梁構(gòu)件與鋼構(gòu)件的安裝。在對梁構(gòu)件與鋼構(gòu)件進(jìn)行安裝時，需要在其受力縱面與橫面進(jìn)行緩沖設(shè)計，具體設(shè)計為添加緩沖塊或者橡膠墊片，防止混凝土混漿，提高鋼構(gòu)件的耐腐蝕性，從而提高主梁的整體耐久度。②橋面板的安裝位置確定。在做好上述準(zhǔn)備工作后，即可通過相關(guān)設(shè)備將橋面板運送至安裝位置，同時需要保證相鄰面板的基準(zhǔn)線在一條直線上，從而完成整體的精準(zhǔn)調(diào)位。③橋面板與構(gòu)件之間的連接。在確定好橋面板的位置后，即可通過栓釘將梁構(gòu)件、鋼構(gòu)件與已經(jīng)確定好位置的橋面板進(jìn)行連接，在連接過程中，應(yīng)將這些構(gòu)件視為一個整體。

在橋面板的吊裝過程中，應(yīng)該盡可能地避免橋面板的切斷與彎折，保證該過程的整體效率與質(zhì)量要求。

4.2 濕接縫施工

吊裝完畢后，需要及時進(jìn)行橋面板間的濕接縫工程，使各位置的橋面板最終變?yōu)橐粋€整體，縮短施工周期，同時在該過程中，需要確定橋面板濕接縫處混凝土的預(yù)應(yīng)力，由于濕縫處的混凝土?xí)虮舜酥g的應(yīng)力過大而開裂，橋面濕縫處混凝土的預(yù)應(yīng)力必須大于彼此之間的拉力，因此濕縫處混凝土的結(jié)構(gòu)應(yīng)使用特殊結(jié)構(gòu)的特定混凝土，若無法滿足特定混凝土要求，則需要考慮環(huán)境因素的影響。

5 案例分析

本文以某處斜拉橋建設(shè)為例，為了驗證本文研究的水滴形斜拉橋預(yù)應(yīng)力橋面板預(yù)制施工關(guān)鍵技術(shù)的實際應(yīng)用性能。采用ANSYS中SOLID185單元模擬預(yù)制橋面板中的鋼筋連接部分，鋼筋連接部分示意圖如圖1所示。

圖1 鋼筋連接部分示意圖

設(shè)置單元時常數(shù)，模擬鋼筋連接部位在受力狀態(tài)下的位移形變程度，從XY、XZ、YZ 3個方向?qū)τ邢拊Ｐ褪┘討?yīng)力，得到的對比實驗結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)施加應(yīng)力達(dá)到20 MPa時，采用傳統(tǒng)漿錨搭接式鋼筋連接技術(shù)的連接部位底部出現(xiàn)嚴(yán)重形變，最大位移形變量達(dá)到100 cm，其頂部和中部的形變也較為明顯，平均位移形變量為2 cm，而采用本文研究的混合式鋼筋連接技術(shù)的連接部位，能夠最大承受80 MPa的應(yīng)力，整體平均位移形變量控制在15 cm，具有較高的穩(wěn)定性。

圖2 鋼筋連接處位移形變量對比圖

采用 ANSYS中的SOLID65單元對混凝土澆筑部位的正截面壓應(yīng)力進(jìn)行對比分析，獲得了圖3所示的對比結(jié)果。

圖3 混凝土澆灌部分的正截面壓應(yīng)力對比圖

從圖3可以看出，在上述實例當(dāng)中，其有限元單元模擬中，本文所采用的混凝土澆灌技術(shù)的施工部位的正截面壓應(yīng)力平均為40 MPa，而采用傳統(tǒng)無降溫式混凝土澆灌技術(shù)的施工部位的正截面壓應(yīng)力平均為20 MPa，由此可以得出結(jié)論，采用本文研究的施工技術(shù)進(jìn)行混凝土澆灌，承重能力更強(qiáng)。

6 結(jié)語

綜上所述，我國橋梁建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，人們對橋梁的安全性能越來越重視。安全是當(dāng)代交通出行的基礎(chǔ)之一，因此斜拉橋的增加提高了橋梁的安全性。然而，隨著鋼筋混凝土水滴形斜拉橋跨度和寬度的增加，結(jié)構(gòu)上的荷載越來越復(fù)雜，給預(yù)應(yīng)力分離的施工控制帶來了一定的困難。橋梁建設(shè)企業(yè)必須采取有效措施對其進(jìn)行優(yōu)化，確保橋梁建筑結(jié)構(gòu)的走線和內(nèi)部強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，保證橋梁工程的整體施工質(zhì)量。