橋梁施工中的水滴形斜拉橋預應力控制技術研究

馮 凱

（廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

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

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

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

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的不穩定性給設計和施工帶來了很大的困難。本文介紹的主要承重構件部分主梁與索塔的組成材料有著密切的聯系，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，擴大承重面積的同時實現多點彈性支撐，使得斜拉橋主梁所受到的載荷可均勻分布給索塔[4]。

2 預應力混凝土水滴形斜拉橋的特點

2.1 水滴形斜拉橋優勢

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構體系的影響。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的優勢相對應。

2.2 水滴形斜拉橋劣勢

預應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，直接關系到主梁的軸力及其分布，橋梁的主體受壓時，有利于預應力斜拉橋，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，索力水平分力產生的主梁壓力較大，出現翹曲現象容易發生主梁失穩。

3 水滴形斜拉橋預應力橋面板的預制

3.1 水滴形斜拉橋預應力橋面板的預制結構

（1）預制場設置。清理預制場軟土層，實現預制場的硬化處理，并規定預制場承載力需高于0.1 MPa，從而滿足橋面板存放和運輸需求。清除預設區域雜物，以混凝土為材料預設744 cm×423 cm×30 cm的臺座，強度等級為C25，根據設計圖紙，在臺座上方鋪設型鋼，要求型鋼筆直且表面平整無焊瘤，預設反頂平臺[5]。

（2）設置龍門吊。預設兩座起吊能力大于30 t的排貝雷拼裝型龍門吊進行轉運工作，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斜撐底部平車的承重分別大于50 t和20 t，由卷廠機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、頂節及中節上層，按照鋼筋間距在底節、頂節預留鋼筋槽口，中節設置管道口。

（4）鋼筋管道工程。在鋼筋加工廠進行下料，結合鋼筋連接技術將預制板鋼筋加工成骨架或鋼筋網，按照設計圖紙安裝橫向預應力管道和錨墊板，二者始終保持互相垂直狀態，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混凝土進行預制板制作，在澆灌前，設置預制板預留孔，澆灌完畢后，對其澆灌表面進行收漿和養護。

（6）存放和轉運。考慮預制場地的承重能力，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

在預應力混凝土斜拉橋施工過程控制中，施工企業需要做好以下工作。

（1）橋梁建筑中，全橋預應力混凝土總強度為95%，橋梁結構彈性模量必須達到設計值，必須滿足14 d的要求（標準養護條件下養護時間必須大于7 d）。斜拉橋預應力鋼梁的拉力應遵循“上下平衡、拉力與伸長雙控、左右對稱”的原則。

（2）斜拉橋預應力定位時，為防止澆筑混凝土時管子跑偏，定位網格間距應控制在0.5 m以內，并將管道的定位網加密成弧形斷面且必須控制在0.25 m以內，全橋梁應焊接結構鋼筋和結構剛性籠，并在定位鋼筋數量和長度固定的情況下移動。

（3）使用預應力梁清除管道內雜物前必須進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內完成，注水口和出水口必須按照規定合理設計。

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

式（1）中，b表示指標；i表示該指標所屬層數；j表示該指標在i層中的位置。

判斷矩陣滿足：

根據比較結果，進行單層指標相對影響力大小排序，并計算每一指標的權重。

用求和法求出指標的權重。該算法首先將上述判斷矩陣進行標準化處理，使其各列系數之和為1。歸一化方法如下：

以歸一化處理后的矩陣數據為基礎，計算指標i的權重Wi數值：

式（4）中，vi表示指標i的相對重要系數。

3.3 預應力橋面板的預制施工關鍵技術

3.3.1 鋼筋連接施工技術

在水滴形斜拉橋預應力橋面板預制施工中，采用以搭接、焊接、機械連接為主的混合鋼筋連接技術。針對待連接鋼筋，需按照規定進行除銹、焊接樣板設置、強度測試等操作，以保證連接鋼筋的質量符合施工標準。鋼筋的抗壓強度的計算公式如下：

式（5）中，F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。

在實際應用過程中，由于鋼筋受到材質輕微差異、應用安裝位置是否合理、環境條件是否合理等相關因素約束，會產生一個抗壓強度損耗P，所以鋼筋的實際抗壓強度Pt為P-P，所得到的Pt即為鋼筋的實際抗壓強度。

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

3.3.2 混凝土澆灌施工技術

混凝土的澆灌按照先中間、后兩頭的澆灌順序進行澆灌，并且澆灌過程需保持高度連續性與均勻性，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構中的波紋管，振搗至混凝土澆灌結構表面平坦，無氣泡冒出為止。振搗完畢后，對預制板面的平整度進行調整，待表面收漿初凝后，進行二次收漿并進行拉毛操作。

由于混凝土澆筑量大，澆筑時間長，因此混凝土內部溫度下降緩慢，而表面溫度下降迅速，在熱應力作用下形成裂縫。為了避免橋梁面板產生裂縫，本文采用降溫式混凝土澆灌技術，針對入倉前的混凝土入倉，需對其進行降溫處理，如采用噴水降溫、混合冰屑降溫等方式，從而減小混凝土內部與表面的溫度差。設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；2表示混凝土裝車和卸車時的溫度損耗系數；3表示混凝土澆灌時的溫度損耗系數。

4 水滴形斜拉橋預應力橋面板的安裝方法

4.1 橋面板的吊裝

為了防止出現混凝土混漿、鋼筋栓釘碰撞、橋面板彎折等現象，本文根據傳統吊裝理念對橋面板的吊裝做了嚴格的工序安排并采取了改良措施，具體的吊裝流程如下。①梁構件與鋼構件的安裝。在對梁構件與鋼構件進行安裝時，需要在其受力縱面與橫面進行緩沖設計，具體設計為添加緩沖塊或者橡膠墊片，防止混凝土混漿，提高鋼構件的耐腐蝕性，從而提高主梁的整體耐久度。②橋面板的安裝位置確定。在做好上述準備工作后，即可通過相關設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線在一條直線上，從而完成整體的精準調位。③橋面板與構件之間的連接。在確定好橋面板的位置后，即可通過栓釘將梁構件、鋼構件與已經確定好位置的橋面板進行連接，在連接過程中，應將這些構件視為一個整體。

在橋面板的吊裝過程中，應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量要求。

4.2 濕接縫施工

吊裝完畢后，需要及時進行橋面板間的濕接縫工程，使各位置的橋面板最終變為一個整體，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應力，由于濕縫處的混凝土會因彼此之間的應力過大而開裂，橋面濕縫處混凝土的預應力必須大于彼此之間的拉力，因此濕縫處混凝土的結構應使用特殊結構的特定混凝土，若無法滿足特定混凝土要求，則需要考慮環境因素的影響。

5 案例分析

本文以某處斜拉橋建設為例，為了驗證本文研究的水滴形斜拉橋預應力橋面板預制施工關鍵技術的實際應用性能。采用ANSYS中SOLID185單元模擬預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

設置單元時常數，模擬鋼筋連接部位在受力狀態下的位移形變程度，從XY、XZ、YZ 3個方向對有限元模型施加應力，得到的對比實驗結果如圖2所示。

圖2 鋼筋連接處位移形變量對比圖

從圖2可以看出，當施加應力達到20 MPa時，采用傳統漿錨搭接式鋼筋連接技術的連接部位底部出現嚴重形變，最大位移形變量達到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的連接部位，能夠最大承受80 MPa的應力，整體平均位移形變量控制在15 cm，具有較高的穩定性。

采用 ANSYS中的SOLID65單元對混凝土澆筑部位的正截面壓應力進行對比分析，獲得了圖3所示的對比結果。

圖3 混凝土澆灌部分的正截面壓應力對比圖

從圖3可以看出，在上述實例當中，其有限元單元模擬中，本文所采用的混凝土澆灌技術的施工部位的正截面壓應力平均為40 MPa，而采用傳統無降溫式混凝土澆灌技術的施工部位的正截面壓應力平均為20 MPa，由此可以得出結論，采用本文研究的施工技術進行混凝土澆灌，承重能力更強。

6 結語

綜上所述，我國橋梁建設規模不斷擴大，人們對橋梁的安全性能越來越重視。安全是當代交通出行的基礎之一，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，結構上的荷載越來越復雜，給預應力分離的施工控制帶來了一定的困難。橋梁建設企業必須采取有效措施對其進行優化，確保橋梁建筑結構的走線和內部強度滿足設計要求，保證橋梁工程的整體施工質量。