得益于桥梁施工技术和预应力施工技术的改进, 目前国内的预应力混凝土箱梁桥广泛应用了三向 (纵向、横向、竖向) 预应力设计。三向预应力箱梁桥具有设计成熟、施工迅速、经济指标优秀的特点, 但是由于施工过程仓促、车辆荷载严重超出预期、后期养护不到位等原因, 造成很多该类桥梁在其服役期内产生各种病害。腹板斜裂缝是目前预应力混凝土箱梁桥中存在的最常见的病害。关于箱梁桥在其使用寿命前期出现腹板斜裂缝的报道已屡见不鲜, 如三门峡黄河公路大桥、东明黄河大桥、风陵渡黄河公路大桥均在其使用寿命早期出现了腹板斜裂缝, 而黄石长江大桥更是在通车仅仅一年后便出现了腹板斜裂缝。

　　 缓粘结预应力混凝土体系既具有无粘结体系施工方便、布筋灵活的优点, 又具备有粘结体系混凝土强度利用率高且更耐腐蚀的特点。目前环氧树脂可以克服缓凝砂浆保质期短、工厂化生产难度大等缺陷, 并且环氧树脂填充在套管和预应力筋之间, 使腐蚀介质很难进入, 从而对预应力筋起保护作用 (图1) , 这种缓粘结预应力筋的截面尺寸与无粘结预应力筋基本相同, 因而对混凝土构件横截面的削弱较小。

　　 以环氧树脂作为粘结剂的缓粘结预应力体系因其所具有的特性 (可高效施加预应力、可减小对截面的削弱、无需压浆、耐腐蚀) 而十分适用于大跨、薄壁的结构以及需要快速施工、长期运营的工程项目。目前, 缓粘结预应力技术已经在我国工业^[1]和大型公共建筑^[2]中得到了较为成熟的应用, 而预应力混凝土箱梁桥则是另一种非常符合以上特点的工程项目, 且此箱梁桥在我国有着极大的工程需求量。但目前为止, 国内尚无在桥梁工程中应用缓粘结预应力技术的实例。因此, 本文提出了一种将缓粘结预应力技术与低回缩锚固体系相结合应用于箱梁桥腹板以解决目前预应力箱梁桥腹板开裂问题的新思路, 以供设计、施工人员参考。

　　 箱梁桥腹板裂缝的开裂角度集中在25°~45°之间, 为结构性的主拉应力裂缝, 主要出现在连续箱梁桥的边孔现浇段、L/4截面附近或者腹板厚度变化区段。腹板斜裂缝随着时间的推移从支座附近不断向受压区发展, 裂缝数也不断增加, 且裂缝区逐渐向跨中方向扩展。从裂缝的总体分布特征来看, 此类裂缝多处于与腹板内主拉应力垂直的方向, 基本可以确定为是主拉应力超出混凝土抗拉极限强度所导致的开裂裂缝^[3]。但从该类桥梁的检算结果来看, 当桥梁处于理想设计状态下时, 根据现行规范检算出的在最不利荷载组合效应下箱梁控制截面处的混凝土主拉应力与混凝土的开裂强度还有一定差距。因此, 预应力混凝土梁的实际工作状态与理想设计状态的差别是箱梁桥腹板斜裂缝产生的主要原因。

　　 箱梁桥腹板产生斜裂缝的最主要原因在于竖向有效预应力不足, 甚至在局部腹板完全损失殆尽^[4], 没能达到设计要求的应力水平。对此, 钟宁等^[5]做了精轧螺纹钢预应力损失的研究, 并将研究的重点放在加强施工管理和改进精轧螺纹钢的锚固方法上。此外, 刘小燕等^[6]给出了精轧螺纹钢预应力检测方法。

　　 1985年12月位于英国南威尔士的Ynys-y Gwas桥发生倒塌, 倒塌原因为预应力孔道灌浆质量不足, 部分纵向钢绞线锈蚀。事后检查发现:38根纵向和横向预应力孔道中, 26根孔道符合设计标准, 12根孔道存在不同程度的局部空洞或全空现象。

　　 在国内, 同样有预应力混凝土桥梁灌浆不实的报道。钱江三桥倒塌事故发生后, 国内研究人员对钱江三桥竖向预应力筋的压浆质量随机抽检了35根, 结果表明:无浆的占71.42%;不饱满的占11.42%;开孔流水的占40%^[7]。

　　 近年来, 真空灌浆技术^[8]虽然得到了一定程度的推广, 但是由于一座预应力混凝土箱梁桥存在的竖向孔道一般不下数百个, 且竖向压浆的难度本来就相对较大, 若现场施工人员责任心不足、过于追求工程进度, 则仍旧很难保证竖向预应力孔道的压浆质量符合要求。

　　 为了追求箱梁桥的稳定性, 近年来箱梁桥的发展趋势以宽箱薄壁为主导。目前大部分跨径在100m以内的箱梁桥腹板厚度一般从跨中的40cm左右渐变到支座处70cm左右。腹板的薄壁化趋势使得竖向预应力筋孔道所占的截面面积比例增大。以一个50cm厚的腹板截面为例:若采用双排布置的直径d=32mm的精轧螺纹钢施加竖向预应力, 则需要两个直径不小于64mm的孔道, 竖向孔道面积占截面面积的25%左右。若考虑到纵向孔道也会通过此截面, 则该比例还会进一步增大。

　　 由于一座桥的箱梁腹板共几百个竖向孔道, 竖向孔道压浆质量问题无法完全避免, 因此孔道中空会对薄壁腹板带来两个问题:一是竖向孔道压浆不密实 (尤其是全空时) 会减小有效受力面积, 增大截面的正应力和剪应力^[7];二是由于孔道压浆不密实造成孔道周围应力集中。当腹板厚度较大时, 这两个问题都不显著, 但对于薄壁腹板而言, 这两个问题则是相当严重的。

　　 一种新型的缓粘结低回缩预应力短索 (简称缓粘结预应力短索) 体系如图2所示, 应用该体系会给预应力混凝土箱梁桥腹板带来如下优势:

　　 应用缓粘结预应力短索体系将有助于减小竖向预应力损失, 增大竖向有效预应力。由于钢绞线在传统夹片式锚固体系下锚固回缩量很大, 在以往的箱梁桥施工中应用精轧螺纹钢是施加竖向预应力的唯一手段。但是, 近年来出现了一种新型的二次张拉低回缩钢绞线竖向预应力短索锚固体系^[9]。该体系在锚固端采用挤压P锚, 在张拉端采用支承螺母与锚杯进行锚固, 该体系大大减小了钢绞线短索的锚固回缩量。

　　 常用钢绞线的极限抗拉强度为1 860MPa, 施加竖向预应力的精轧螺纹钢的极限抗拉强度一般为930MPa, 且预应力钢绞线的弹性模量较螺纹钢更低。这就使得在充分利用其极限抗拉强度的情况下, 钢绞线的张拉伸长量为精轧螺纹钢的张拉伸长量2倍左右。因此当钢绞线采用低回缩锚固体系时, 其锚固回缩量与张拉伸长量的比值会显著小于精轧螺纹钢体系的锚固回缩量与张拉伸长量比值, 更利于有效预应力的保存。

　　 二次张拉低回缩钢绞线竖向预应力短索锚固体系在文明特大桥箱梁桥腹板竖向预应力施工中得到了采用。经现场施工检测发现, 文明特大桥短束钢绞线竖向预应力二次张拉后的损失基本在10%左右^[10], 与精轧螺纹钢筋体系对比, 张拉后预应力损失更小。

　　 应用缓粘结预应力短索不存在竖向压浆质量问题。缓粘结预应力筋采用了在聚乙烯护套和钢绞线之间填充环氧树脂的粘结方式, 因此在早期也被称为预灌浆预应力筋。使用缓粘结预应力筋可以保证所有的竖向预应力筋粘结可靠, 耐久性能良好。此外, 采用缓粘结预应力体系能在现场施工中节省竖向孔道压浆的全部工时, 这对于追求高效施工也是有益的。

　　 应用缓粘结预应力短索技术可减少对控制截面的削弱, 这来自于两个方面:一是缓粘结筋在控制截面内占用的面积将远小于精轧螺纹钢, 如一根直径为28.6mm的19股缓粘结钢绞线 (公称截面面积为532.4mm², 极限强度标准值f_ptk=1 860MPa) 的控制张拉力可达到792k N, 计入其外覆缓凝砂浆和聚乙烯护套后, 其直径完全可以控制在40mm之内, 而一根精轧螺纹钢 (直径d=32mm, 极限强度标准值f_ptk=930MPa) 的控制张拉力一般在650k N, 其需要的预留孔道直径则至少为64mm;二是在壁厚50mm双排布置竖向预应力筋的箱梁桥腹板控制截面中, 采用缓粘结预应力筋会比采用精轧螺纹钢节约9.6%的截面面积。

　　 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTGD 62—2012) (简称混凝土桥涵设计规范) 中的竖向预应力计算公式如下:

　　 式中:σ_cy为腹板竖向压应力;σⁿ_pe为预应力筋有效预应力;A_pv为预应力筋截面面积;b为腹板宽度;s_v为竖向预应力筋间距。

　　 其中σⁿ_pe已经是计入各项预应力损失后的有效竖向预应力, 但由于目前混凝土桥涵设计规范的有效预应力计算方法是针对纵向预应力筋确定的, 故应用于短筋时无法确定其真正的有效预应力, 因此不得不乘以0.6来进一步降低对有效预应力的估计, 以期达到偏于安全的目的。在目前竖向预应力张拉中, 张拉方法以“先拉后测”为主, 施工人员在张拉过程中只能凭借经验进行张拉质量控制, 然后再通过事后检测来评价张拉质量, 当发现张拉质量不足时, 只能重新返工或篡改检测数据。

　　 解决竖向预应力不足的关键问题是实现预应力短索测控一体, 通过对张拉过程中的数据进行监控来提高张拉质量。下文将给出缓粘结预应力短索基于测控一体的张拉方法, 测控一体张拉系统的必要组成部分除了受力单元外, 还必须将数控千斤顶和位移传感器相结合, 通过计算机实时监控张拉力与位移的相关关系, 并要求主机可以进行实时计算分析和力-位移曲线拟合。

　　 由于必须保证锚杯中螺纹与支承螺母咬合长度符合要求, 而短索的张拉伸长量则与其长度成正比, 因此需首先针对短索的长度进行判别, 当符合下式时可进行单次张拉作业, 否则应进行二次张拉作业:

　　 式中:H_螺为支承螺母螺纹有效高度, mm;ΔL₁为单次张拉理论伸长值, mm;7为锚杯内夹片回缩长度经验值, mm;L₅为支承螺母轴向5圈螺纹咬合长度。

　　 以螺纹有效高度H_螺=55mm的支承螺母为例, 取L₅=8mm, 则H_螺-7-L₅=40mm, 这表示使用该螺母时, 钢绞线的张拉伸长量不能超过40mm。一根5m长的极限抗拉强度为1 860MPa的钢绞线张拉至0.75f_pk时, 张拉伸长量为32.5mm, 可以在螺纹有效高度H_螺=55mm的支承螺母中进行单次张拉。对一座腹板最大高度为8m的刚构箱梁桥, 若采用螺纹有效高度为65mm的支承螺母, 则全桥的缓粘结预应力短索均可采用单次张拉。

　　 缓粘结预应力短索单次张拉的安装示意图见图3, 单次张拉的施工工序是:张拉钢绞线至0.5σ_con (σ_con为张拉控制力) →持荷2min, 夹片回缩, 锚杯离开垫板10~15mm→向垫板旋紧支承螺母至与垫板顶紧→张拉钢绞线至设计的应力值1.05σ_con→锚杯离开垫板5~11mm, 持荷2min→向垫板旋紧支承螺母至与垫板完全顶紧→千斤顶回油放张, 钢绞线无回缩。

　　 在张拉过程中, 应持续测量张拉伸长量和张拉力。当以拉线式或反射式位移传感器测量千斤顶缸体位置变化值作为测量手段时, 测量公式如下:

　　 式中:ΔL为张拉实测伸长量, mm;ΔL_1.05为加载至1.05σ_con时位移传感器测距值, mm;ΔL_0.5为加载至0.5σ_con时位移传感器测距值, mm;2为从0.5σ_con加载至1.05σ_con时千斤顶内部滑移1mm加放张回缩1mm得到的数值, mm。

　　 张拉理论伸长量即为从0.5σ_con加载至1.05σ_con时缓粘结预应力筋弹性伸长量。将张拉实测伸长量与理论伸长量进行比较, 其误差应在1mm之内, 否则, 应暂停张拉, 待查明原因后方可继续张拉施工。

　　 需要强调的是, 在张拉过程中不可省略“张拉钢绞线至0.5σ_con→持荷2min, 夹片回缩, 锚杯离开垫板10~15mm→向垫板旋紧支承螺母至与垫板顶紧”这一过程。其中从0加载至0.5σ_con的过程可使钢绞线夹片和锚杯完全顶紧、使锚固端P锚完成压缩、使千斤顶内夹片基本与钢绞线咬死;因此在0.5σ_con加载至1.05σ_con时的计算模型已不用考虑上述三项对钢绞线实测伸长量的影响, 这使钢绞线的张拉锚固模型得到了大幅优化, 摆脱了传统钢绞线锚固回缩量大的缺点。

　　 对于箱梁桥靠近支座的部位, 其竖向索长度增长较快, 故其ΔL₁会得到较大的增加, 当不足以满足式 (2) 的要求时, 可采取二次张拉。二次张拉中, 第一次张拉的意义在于通过传统的钢绞线张拉作业使钢绞线得到一定的伸长, 减小第二次张拉过程的伸长量, 使其能满足支承螺母长度的要求。第一次张拉的安装示意图见图4。

　　 缓粘结预应力短索二次张拉的顺序是:张拉钢绞线至设计的应力值0.8σ_con→持荷2min→放张→夹片锚固力筋回缩2min→将同一力筋锚杯张拉至1.05σ_con→锚杯离开垫板5~13mm, 持荷2min→向垫板旋紧支承螺母至与垫板完全顶紧→千斤顶回油放张, 钢绞线无回缩。

　　 其中, 前三步为第一次张拉的张拉过程, 其后为第二次张拉过程。由于第一次张拉的过程主要作用是为第二次张拉消除部分张拉伸长量, 因此, 不必过于关注该次张拉过程中的力与伸长量是否匹配的问题, 只需要满足下式要求即可:

　　 式中:ΔL₀为第一次张拉实测伸长量, mm;7为锚杯内夹片回缩长度经验值, mm;3为千斤顶内工作夹片滑移长度值 (在加力过程中千斤顶内部的工作夹片和钢绞线之间是存在错动的) , mm;E_p为缓粘结预应力筋弹性模量, MPa。

　　 式 (4) 的要求等同于单次张拉过程中加载至0.5σ_con并持荷2min, 只是不需要旋紧支承螺母。完成第一次张拉后, 待夹片完成锚固回缩即可进行第二次张拉。

　　 第二次张拉过程中应持续测量张拉伸长量和张拉力, 此时测量公式如下:

　　 式中:ΔL为张拉实测伸长量, mm;ΔL_1.05为加载至1.05σ_con时位移传感器测距值, mm;3为从0加载至1.05σ_con时千斤顶内部滑移2mm加放张回缩1mm得到的数值, mm。

　　 由于第一次张拉后钢绞线中已存在较高的预应力, 第二次张拉理论伸长量计算公式如下:

　　 式中:ΔL_理为钢绞线理论伸长量, mm;L为钢绞线长度, mm;σ_x为钢绞线在第二次张拉中开始伸长时的应力, MPa;E_p为钢绞线弹性模量, MPa。

　　 σ_x可从数控主机的力-位移曲线 (图5) 中由计算机读取。

　　 将实测伸长量与理论伸长量进行比较, 其误差应在1mm之内, 否则, 应暂停张拉, 待查明原因后方可继续张拉施工。

　　 采用缓粘结预应力短索体系会使钢绞线的锚固回缩量得到极大的控制, 锚固回缩损失小于使用精轧螺纹钢体系的锚固回缩损失, 提高了竖向有效预应力σ_pe。

　　 采用了测控一体的张拉方法能大幅减小张拉误差, 在张拉误差减小后, 同一组箱梁桥腹板中竖向预应力筋有效预应力的方差将会得到很好的控制。这就可以使整组箱梁桥腹板中的竖向预应力在完成全部损失后, 与设计者计算的结果更为吻合。该体系的预期目标是使式 (1) 中的折减系数从0.6提高到0.9。

　　 综上所述, 基于测控一体的缓粘结低回缩预应力短索体系可以大幅提高箱梁桥腹板在使用阶段的存留有效预应力。

　　 将基于测控一体的缓粘结低回缩预应力短索体系应用于预应力混凝土箱梁桥, 会给其带来以下优势:1) 大幅提高箱梁桥腹板在使用阶段的存留有效预应力;2) 较小直径的缓粘结预应力筋减小了对构件截面的削弱;3) 外覆环氧树脂和聚乙烯护套使得缓粘结预应力短索体系在桥梁中拥有良好的耐久性;4) 应用目前桥梁施工中的张拉设备即可完成基于测控一体的缓粘结预应力短索张拉。

　　 但是, 基于测控一体的缓粘结低回缩预应力短索体系相较于精轧螺纹钢体系也有两个不足:1) 张拉过程更为精细, 需要认真执行;2) 目前市面上的低回缩锚具套装和缓粘结预应力筋的价格较高, 供应厂家较少。

　　 在现阶段精轧螺纹钢还将广泛应用于桥梁的竖向预应力体系, 将精轧螺纹钢和测控一体张拉设备相结合, 开发基于测控一体的精轧螺纹钢张拉方法也有很大的价值。