簡支變連續小箱梁負彎矩區施工優化研究

李逸之，張玉富

（1.同濟大學土木工程學院，上海市 200092；2.上海公路投資建設發展有限公司，上海市 201108）

0 引言

近年來，簡支變連續小箱梁憑借在結構剛度、耐久性及行車舒適等方面的明顯優勢在國內公路橋梁建設中受到青睞。傳統的簡支變連續小箱梁施工工藝通常是先設置臨時支座并架設小箱梁使之成為簡支狀態，再進行濕接頭、濕接縫施工，然后張拉負彎矩區預應力鋼束，最后拆除臨時支座完成簡支向連續體系的轉換[1]。

然而，隨著橋梁預制裝配技術要求的提高，傳統的小箱梁簡支變連續施工工藝逐漸暴露出較多問題：（1）每片梁頂板負彎矩張拉槽口過多，導致小箱梁預制和現場槽口恢復功效低；（2）采用扁錨錨具，導致預應力管道易變形、穿束困難等。這些問題在一定程度上限制了小箱梁連續結構施工的整體質量和效率[2]。現以上海S7公路（月羅公路-寶錢公路）新建工程為依托，研究并優化簡支變連續小箱梁負彎矩施工工藝，旨在進一步提高工程施工質量與效率，并為該技術的發展提供一定的實際工程經驗。

1 研究背景

1.1 依托工程

某工程為上海S7公路（月羅公路-寶錢公路）新建工程，其位于上海市寶山區、嘉定區，南起S7公路（A20-月羅公路）新建工程（該工程一期工程）終點的月羅公路，沿羅店鎮北上過練祁河后進入嘉定區。該工程路線全長約6.1 km，采用高架主線+地面道路形式。主線高架道路等級為高速公路，設計車速為100 km/h，主線設計雙向6車道并采用分離式斷面布置，荷載標準為公路Ⅰ級。匝道為單車道出口的雙車道平行式匝道，按公路Ⅱ型匝道標準設計，設計車速為40 km/h。

1.2 原設計方案介紹

該工程橋梁上部結構設計主要采用先簡支后連續預應力混凝土小箱梁，2～5跨為一聯。其中，在邊（中）支點處連續端，小箱梁頂板（單端）設置有7個鋼束張拉預留槽口，縱向分三排布設（2個、3個、2個），每個槽口尺寸為80 cm×35 cm，頂板采用扁錨錨具，如圖1、圖2所示。

圖1 小箱梁原設計平面圖（單位：mm）

圖2 小箱梁原設計斷面圖（單位：mm）

該設計方案對預制小箱梁的生產及后續頂板負彎矩區施工帶來諸多不便，不僅槽口模板安裝功效低，且槽口鋼筋焊接恢復工作量大。此外，使用扁錨錨具導致在實際施工過程中存在穿索困難、易堵孔等問題。因此，若采用原設計方案將會使小箱梁整體施工質量控制難度增高。

2 施工優化方案介紹

2.1 張拉槽口優化設計

在滿足負彎矩區結構受力及耐久性要求基礎上，該優化方案將原設計的7個鋼束張拉預留槽口進行優化，歸并為2個整體式張拉槽口（182 cm×80 cm、134 cm×80 cm），并微調槽口布設位置，如圖3、圖4所示。

圖3 小箱梁張拉槽口優化設計平面圖（單位：mm）

圖4 小箱梁張拉槽口優化設計斷面圖（單位：mm）

相較于以往的小槽口設計，上述優化設計方案降低了在預留槽口進行頂板負彎矩區鋼束張拉的施工難度。同時，也大大減少負彎矩區現場作業量，進一步提高施工功效并保障工程質量。

2.2 錨具優化設計

除了對張拉槽口的優化設計外，還在原有扁錨錨具的基礎上，綜合考慮現場施工條件及結構受力特性等因素，研究并提出了一套新型圓錨錨具。其主要包括：螺旋鋼筋、喇叭管及鋼錨墊板，如圖5、圖6所示。

圖5 新型圓錨錨具之實景（一）

圖6 新型圓錨錨具之實景（二）

3 新型錨具的研究

3.1 新型錨具設計

該項目設計的新型錨具構造尺寸如圖7、圖8所示。

圖7 鋼錨墊板構造圖（單位：mm）

圖8 錨具細部構造圖（單位：mm）

3.2 新型錨具試驗

為進一步驗證該項目設計提出的新型圓錨錨具在實際工程中的可應用性，對該錨具在張拉過程中進行全面試驗研究，以此評估其在負彎矩區施工過程中的工作性能。

3.2.1 試驗方案

3.2.1.1 試驗內容與目的

該項次試驗內容主要為通過對裝有新型錨具的預制板梁進行張拉試驗，觀察：（1）梁端鋼錨墊板的位移變化；（2）混凝土的外觀缺損情況。該項試驗的目的主要為充分驗證新型錨具的工程應用性，同時為連續梁墩頂負彎矩束張拉應用提供工程實踐依據。

3.2.1.2 試驗對象

該項研究的試驗對象為3塊（1#、2#及3#）裝有新型錨具的預制板梁。其混凝土設計強度為C50，板梁高0.2 m，寬1.82 m，長5.0 m，梁端鋼錨墊板厚度分別為1#預制板梁：30 mm、25 mm；2#預制板梁：25 mm、20 mm；3#預制板梁：20 mm、16 mm。預制板梁斷面如圖9所示，1#~3#預制板梁現場實景如圖10所示。

圖9 預制板梁斷面圖（單位：mm）

圖10 1#-3#預制板梁現場實景

3.2.1.3 測點布置

根據現場條件，通過在預制板梁鋼錨墊板外側布置測點，以測試張拉過程中鋼錨墊板縱向變形情況，具體測點布置如圖11所示。

圖11 預制板梁變形測點斷面及平面布置圖（單位：mm）

3.2.1.4 試驗張拉方案

張拉試驗按照預制板梁編號1#~3#依次進行，每塊預制板梁中鋼束張拉順序分別為2#鋼束、3#鋼束、4#鋼束及1#鋼束。正式張拉試驗前，首先檢查儀器布置及連接是否穩定有效，再嚴格按照張拉試驗加載程序進行張拉操作，具體張拉程序如表1所列。

表1 預制板梁張拉控制程序表

預制板梁張拉過程中，由專人統一指揮張拉的實施，及時掌握各方面情況，根據試驗數據進行實時處理分析，安全有序實施加載計劃。

3.2.1.5 檢測方法及設備

對不同預制板梁進行張拉后，采用量測法檢測梁端鋼錨墊板的位移大小，利用目測法觀察預制混凝土外觀缺損情況（混凝土有無開裂、破損、破碎等）。在該項試驗過程中，采用的檢測設備如表2所列。

表2 試驗檢測方法及設備表

3.2.2 試驗結果

3.2.2.1 鋼錨墊板縱向位移變化

該項預制板梁張拉試驗嚴格執行完成，各預制板梁張拉過程中縱向位移測試結果見表3~表5所列。其變化量中“+”表示鋼錨墊板向預制板梁外側變形，“-”表示鋼錨墊板向預制板梁內側變形，累積變化量為每束鋼束張拉后縱向位移變化值之和。預制板梁不同測點縱向位移累計變化趨勢如圖12~圖14所示，其中30-1-1#表示30 mm鋼錨墊板的1-1#測點位置，其余以此類推。

圖14 3#預制板梁不同測點縱向位移累計變化趨勢圖（單位：mm）

由表3~表5可知，1#~3#預制板梁張拉結束后，其兩端新型錨具中鋼錨墊板的平均縱向位移變化分別為-0.17 mm/-0.44 mm、-0.36 mm/-0.23 mm、-0.34 mm/-0.14 mm。由此可知，鋼錨墊板整體縱向位移變化量較小，表明新型圓形錨具在張拉過程中，外部施加的預應力能夠通過鋼錨墊板縱向均勻地傳遞至混凝土結構中，同時表明該4種不同厚度的鋼錨墊板都具有較為良好的受壓性能。由圖12~圖15可知，在鋼束張拉過程中，30 mm和16 mm鋼錨墊板整體縱向位移變化趨勢相對較小，25 mm鋼錨墊板整體縱向位移變化趨勢相對較大。其中，20 mm鋼錨墊板縱向位移變化趨勢較為穩定。綜合考慮鋼錨墊板使用性能和經濟性，該項研究最終選擇20 mm鋼錨墊板作為小箱梁頂板負彎矩區的錨墊板。

表3 1#預制板梁張拉試驗結果一覽表 單位：mm

表4 2#預制板梁張拉試驗結果一覽表 單位：mm

表5 3#預制板梁張拉試驗結果一覽表 單位：mm

圖12 1#預制板梁不同測點縱向位移累計變化趨勢圖（單位：mm）

圖13 2#預制板梁不同測點縱向位移累計變化趨勢圖（單位：mm）

3.2.2.2 混凝土外觀情況變化

在每束鋼束張拉后對預制板梁外觀變形進行檢查，其外觀情況如圖15所示。由圖10與圖15對比可知，鋼束張拉前后預制板梁未發現明顯開裂、破損等變化。這進一步表明新型錨具的使用能提高預應力混凝土整體的力學性能，能夠提高預制構件的耐久性。

圖15 張拉后預制板梁表面（a、b）與端面（c、d）外觀圖

綜上，該項研究所設計的新型錨具在張拉過程中具有良好的強度且能均勻傳遞鋼束中的預應力至混凝土中。因此該新型錨具在實際工程實踐中具有一定的適用性。

4 應用效果

該項研究提出小槽口改為整體槽口工藝，即將小箱梁負彎矩區的7個張拉槽口優化合并為2個。這不僅簡化了預制梁場中的模板安裝及鋼筋穿束施工過程，同時也大大降低現場小箱梁負彎矩區施工難度，大幅提高施工效率與質量。

此外，該項研究提出將負彎矩區的扁錨錨具改為圓錨錨具工藝，并設計出一種新型錨具。該錨具在使用過程中配合具有圓形孔道的橡膠抽拔棒能夠有效防止混凝土澆筑對預應力管道損壞，充分保證后續孔道灌漿的密實性。此外，新型圓錨錨具克服了扁錨摩阻損失大的缺點，能夠控制鋼束的伸長量，降低后續鋼束的穿束與張拉難度，從而減小施工過程中預應力損失[2]。

5 結 語

小箱梁負彎矩區施工是實現橋梁結構體系由簡支狀態向連續狀態轉換的重要工序，其施工質量與效率直接影響整體工程建設進展及橋梁后期運營使用的安全性與舒適性。為提升小箱梁負彎矩區的施工作業效率，該項研究還提出將負彎矩區小槽口改為整體槽口的創新工藝，很大程度上簡化了小箱梁頂板澆筑工藝并降低后續負彎矩區張拉施工作業強度（見圖16）。此外，為進一步保證小箱梁負彎矩區施工質量與效率，該項研究設計出一種新型圓錨錨具。通過全面試驗檢驗，充分論證了該新型圓錨錨具在提升鋼束穿束效率與負彎矩鋼束張拉應用方面具有較好的可行性。上述創新工藝已全面應用于上海S7公路（月羅公路-寶錢公路）新建工程中，充分提升了該工程建設的經濟效益與社會效益。

圖16 小槽口改為整體槽口工藝實際應用（a、b）及圓錨錨具實際應用（c、d）