浅谈体外预应力混凝土T梁桥设计

　　摘要：本文作者结合自身多年对桥梁设计的工作经验，结合工程实例，论述体外预应力混凝土T梁设计中应考虑的问题及其优化设计的过程，可供类似桥梁设计参考。
　　关键词：体外预应力；T梁；桥梁设计
　　
　　体外预应力混凝土结构将预应力筋(索)置于混凝土梁体以外，仅在梁的转向块和锚固块处与梁体接触。与传统的体内预应力结构相比，体外预应力结构具有截面尺寸小、自重轻、预应力筋更换与维护管理方便、预应力摩擦损失小、施工工期短以及耐久性好等优点。因此，体外预应力结构应用非常广泛，既可以用于预应力混凝土桥梁、特种结构和建筑工程结构等新建结构，也可以用于既有混凝土结构的加固及维修，同时还可以用于临时性预应力混凝土结构或施工临时性钢索。随着斜拉桥和高强混凝土技术的发展，体外预应力技术的应用将是现代预应力混凝土结构施工的主要趋势之一。
　　混凝土T梁具有预制方便、架设简单、截面形式经济等优点，特别适用于中等跨径的简支梁桥以及先简支后连续的预应力混凝土连续梁桥。将体外预应力技术应用于钢筋混凝土T梁中，能够结合两者的优势，在中等跨度桥梁特别是多跨连续梁桥的建设中，具有广阔的应用前景。目前体外预应力技术用于既有T梁桥加固的工程实例很多，但用于新建混凝土T梁桥的很少。如何将体外预应力技术与T梁桥很好地结合起来，从而发挥其各自的优势，尚需进行大量的探索和研究。笔者结合某体外预应力桥梁工地的施工实践，从便于施工和维护的角度对体外预应力混凝土T梁桥设计特别是方案构思时值得注意的几个问题进行初步探讨。
　　
　　1工程概况
　　体外预应力概念设计的混凝土桥梁。该桥分左右两幅，每幅双车道。一联三跨，采用先简支后连续的方法施工。左幅跨径为35+41+40m，右幅跨径为35+41+24m，每幅采用6片T梁，体内体外混合配束。每片T梁内配(4～25)φ15．24低松弛钢绞线作为体内预应力束，锚具采用HVM群锚体系；每片T梁腹板两侧通长布置(2～6)φ15．24预应力钢绞线作为体外预应力束，锚具使用OVM锚具。锚固块设于该联两端，每跨跨间、中间墩顶位置分别设置转向块。体外束孔道采用高密度聚乙烯管(HDPE)，张拉后孔道内灌人黄油，沿孔道每隔8～10m设置1道减振装置。其中24m跨T梁的立面和横断面见图1。
　　                         
　　2几个在设计阶段值得考虑的问题
　　2．1T梁的架设
　　体外预应力高架桥的施工顺序如下：
　　(1)在工地预制场分片预制好T梁，T梁混凝土达到设计强度后，张拉体内预应力筋、灌孔、封锚，下部结构同时平行施工。
　　(2)用运梁小车将T梁运至安装现场。
　　(3)T梁架设。
　　(4)浇筑后浇带混凝土，连接横隔板。
　　(5)拆除临时支座，进行体系转换。
　　(6)张拉体外预应力柬。
　　(7)桥面系施工。
　　
　　
　　
　　
　　本工程T梁架设采用逐跨架设法。由于体外索是在该联的T梁全部架设以后才进行张拉的，在此之前，已架设的T梁凭借自身已有的体内预应力钢筋和普通钢筋，并不具有足够的承载力来承受如混凝土搅拌车、运梁小车等重型施工荷载，因此，需要采取必要的措施来保证梁体承载力能够满足施工荷载的要求。当时提出了两套架设方案：一是在桥下顺着桥轴线方向沿桥梁两侧铺设轨道，安装龙门吊进行T梁架设，这样可以避免混凝土搅拌车和运梁小车在已架好的T梁上行走，从而保证了T梁的安全；另一套方案是用架桥机架设T梁，在每跨已架好的T梁下增加两个临时墩，以减小T梁的跨径，从而使梁能够承受混凝土搅拌车和运梁小车等重型荷载。经综合比较，选用了第二套方案进行T梁架设。虽然采用该方案T梁得以顺利架设，但相对同等跨度的体内预应力梁来说，由于施工中每跨增加了两个临时墩，架设体外预应力T梁显然费时费工，经济上也不合算。此外，该桥桥下为施工便道，净空高度约17m，临时墩架设相对比较方便，倘若是高墩或者跨河桥，采取架设临时墩或者桥下安装龙门吊的方法架设T梁显然就不现实了。如前所述，体外预应力桥梁具有相对体内预应力桥梁无可比拟的许多优势，但如果体外预应力桥梁架设施工比较麻烦，费用比较高昂，则其优势特别是全生命周期成本较低的优势将大打折扣，从而直接影响到体外预应力技术的推广应用。因此，如何在设计和施工过程中采取措施，降低体外预应力桥梁特别是先简支后连续施工的T梁施工成本，必须引起足够的重视。解决的思路之一可以考虑在设计时对每片T梁两端设置临时锚固块，T梁架设前张拉临时体外预应力束，使其在简支阶段即具有足够的承载力满足施工荷载的要求，从而不必采取额外的施工措施来保证T梁架设能够顺利进行。临时体外预应力束可以在永久体外预应力束张拉后拆除或直接转换为永久体外预应力束。
　　2．2锚固块和转向块的配筋
　　锚固块和转向块是体外预应力结构特有的重要部件。体外预应力束置于混凝土梁体之外，仅在锚固块和转向块处与混凝土梁体接触。体外索对梁体提供的强大支持力是通过锚固块和转向块传给梁体的，因此锚固块和转向块都承受强大的作用力。锚固的可靠与否，直接影响到结构的安全和耐久性能；而转向块具有固定体外束线形的功能，体外预应力束转向时，转向设施为预应力束提供坚固的支承，并以较小的摩擦力使之顺利转向，同时承受很大的局部压力。因此，锚固块和转向块的设计是体外预应力设计中必须予以重点关注的内容。高架桥的锚固块和转向块为普通钢筋混凝土浇筑而成，其中锚固块受力主筋为φ25mm的HRB335钢筋，体积配筋率达％13．6，钢筋间距为90mm，形成一个密密麻麻的钢筋骨架，如此密布的钢筋给钢筋笼的绑扎和混凝土浇筑带来了一定的困难，混凝土的浇筑质量也难以得到保证。如何在保证结构安全的前提下，适当减小普通钢筋的配筋率是一个值得研究的问题。对于锚固块和转向块的合理构造和配筋，国内外学者进行了大量的研究。旧桥加固工程中多采用在原有结构上植筋安装钢制锚固块和转向块的做法。这种钢制锚固块和转向块能够承受强大的局部压力，并与原有结构结合良好，但存在防锈问题，不宜用于新建桥梁。混凝土中保持适当的配筋率和布筋间距对于抑制混凝土裂缝的开展、提高混凝土的局部抗压强度是有利的，可以考虑将锚固块和转向块的配筋部分地改用劲性型钢如角钢等替代，在保证构件强度的前提下减少钢筋的数量，从而便于施工中钢筋的绑扎和混凝土的浇筑。锚固块和转向块中劲性型钢的配置，可以采用有限元方法进行分析求得。
　　2．3体外预应力束穿索
　　高架桥体外预应力束的穿索，一度是施工过程中一个困扰工程建设各方的问题。最先提出从一端锚固块顺序穿索至另一端锚固块的方案。T梁架设并完成体系转换后，各片梁端横隔板已经连成封闭的整体，而端横隔板与锚固块之间净距只有105cm，满足不了体外束最小转弯半径的要求，因而该方案被否决。其后提出将体外索置于桥下地面，用起重机将体外索一端吊至转向块位置，T梁下挂吊篮用人工穿索临时固定，再用卷扬机牵引的方法。由于体外索本身具有一定的弯曲刚度，转弯半径太小则体外索端头不易通过转向块和锚固块的预应力孔道，再加上高空作业，梁下实际操作空间有限，该方法经现场试用后，效果很不理想。经反复研究，最后决定在已浇筑的端横隔板上对应锚固块的位置开槽，将体外索展开摆放在相邻跨桥面上，利用卷扬机和牵引绳将体外索从一端锚固块拉向另一端锚固块。由于该方法解决了体外索弯曲半径过小的问题，且多数作业都在桥面上完成，体外索得以顺利穿过。这从施工角度提出一个问题：能否在浇筑T粱端横隔板时预留穿索的孔道，以便于后面的穿索，或者干脆取消端横隔板，取而代之以梁端锚固块?这是在设计中值得考虑的一个问题。
　　2．4体外索的张拉
　　高架桥T梁设计的锚固块与端横隔板之间的净距为105cm，锚固块预应力孔道与梁顶板的净距为65cm。在进行体外索的张拉时，张拉千斤顶要从梁顶面吊至锚固块位置，张拉过程中为便于工人操作，锚固块后面需要一定的操作和活动空间，因此实际操作时锚固块与端横隔板之间的翼板混凝土均被凿除。此外，由于体外索初步张紧后锚具后留有一定的工作长度，锚固块与端横隔板净空不够，端横隔板相应位置的混凝土亦被凿除。这样又提出一个问题：鉴于端横隔板的存在对施工多有不便，体外预应力T梁的端横隔板是否可以取消?对于一般的混凝土T梁来说，端横隔板主要有两个作用：一是保证梁在浇筑、运输和架设过程中的稳定；二是加强各片梁之间的整体联系。如果没有端横隔板，T梁在施工过程中的稳定可以用临时支撑保证，而各片梁之间的整体联系，可以考虑在体外索张拉之后再整体浇筑端横隔板，或者干脆取消端横隔板，直接将相邻各片T梁的锚固块联结起来，这样也可以保证各梁之间的整体联系。取消了体外预应力T梁的端横隔板以后，T梁端部翼板下锚固块后面能够获得较大的空间，对于体外预应力束穿索、张拉以及使用期的维护都很有益处。
　　2．5体外索的二次张拉及换索
　　体外预应力混凝土梁相对于体内有粘结预应力混凝土梁的最大优势就是能够进行预应力筋的二次张拉和换索。对于一般的预应力构件，结构服役一定年限后，预应力筋可能会发生一定程度的松弛或锈蚀，但体外预应力梁可以方便地检测预应力索的索力及锈蚀情况，及时进行二次补张拉和换索，因而具有比传统的体内预应力混凝土梁较低的全生命周期成本。体外索的补张拉和更换，都要求梁下有一定的操作平台。对于箱梁，该平台由箱梁底板提供，可以在箱梁室内方便地进行操作，但T梁没有底板，只能在施工时临时搭设。若将T梁梁端T形截面改成工字截面，将工字截面下翼缘做得相对较宽，再做好安全防护设施，则下翼缘板能够提供体外索二次张拉和换索时的操作平台。另一个解决的办法是将梁端锚固区相对做得较大，图2所示是关于体外预应力兀形梁桥锚固区的做法。该方法是在桥台上锚固块后面做成空室，从而使得体外索的补张拉和换索即使在交通开放的情况下也能够顺利进行。该做法的缺点是桥台和锚固区体积庞大、构造复杂，用于一联数跨的连续梁桥才比较经济。
　　                                
　　　　
　　
　　3结语
　　以该体外预应力连续T梁桥为工程背景，分别从T梁架设、锚固块和转向块配筋、体外预应力束穿索、体外索张拉、二次补张拉和换索等几个方面，对体外预应力T梁桥在设计中值得考虑的若干问题进行了探讨，为类似桥梁的设计提供借鉴。作为一种很有应用前景的技术，目前体外预应力用于混凝土T梁桥新建工程的不多，如何实现体外预应力技术与混凝土T梁桥良好的结合，还需要广大桥梁建设工作者做进一步的研究和探索。