装配式板桥体外预应力施加方法

【摘要】本文介绍了通过三指标控制法对装配式板桥体施加体外预应力施加的装置和方法，该方法简单、明了、直观、方便验证，工艺、材料和施工机具简单，技术成熟度高，容易掌握，方便推广应用，承载力的提高安全可靠，并且能够有效保护桥梁结构，延长使用寿命。

【关键词】装配式板桥；体外预应力；施加方法

Prestressed External Prestressing Method of Fabricated Slab Bridge

Li Yong-hui1，Wang Hai-you2

（1. Henan Pingdingshan Zhongya Road and Bridge Construction Engineering Co.， LtdPingdingshanHenan467000；

2. Pingdingshan Highway Administration BureauPingdingshanHenan467000）

【Abstract】This paper introduces the device and method of externally prestressing exerted by the three-index control method to the assembled plate bridge body. The method is simple， clear， intuitionistic， convenient for verification， simple in technology， material and construction equipment， high in technical maturity and easy to master. ， To facilitate the promotion and application of capacity to improve the safety and reliability， and can effectively protect the bridge structure and extend the service life.

【Key words】Prefabricated slab bridge；Externally prestressed；Application method

1. 前言

（1）改革开放以来，我国公路交通事业得到了迅猛的发展，截至2014年底全国公路总里程达446.39万公里，其中高速公路里程11.19万公里。桥梁是公路的重要组成部分，随着公路建设的迅猛发展，桥梁数量也在迅速增加，据不完全统计，目前我国现有各类桥梁约50万座，每年开工建筑的桥梁约为1万余座，我国正由世界"桥梁大国"向"桥梁强国"迈进。

（2）装配式板桥是公路桥梁中量大、面广的常用桥型。它结构简单、受力明确，可以采用钢筋混凝土或预应力混凝土结构，能做成实心或空心，能够进行工厂化生产，因此，各类各级公路和城市道路桥梁广泛采用。

（3）装配式板桥容易出现以下问题：一是横向连接较弱；二是由于使用过程中预应力损失等因素导致承载能力下降；三是同一孔桥板的承载能力差别较大。再加上严重的超载超限和大交通量，导致桥梁承载能力相对不足，结果经常造成桥面铺装过早破坏，形成单板受力。不但影响桥梁使用品质和通行能力，存在安全隐患，甚至造成安全事故。另外，有些桥梁原设计标准低，在升级改造时需要提高承载能力。

（4）JTG/T J22-2008《公路桥梁加固设计规范》指出，体外索可根据原结构的构造及断面形式布置在梁体的外侧或内侧，并给出了简支梁桥常用的体外索布索形式。对于装配式板桥来讲，板间设计距离只有1cm，实际距离往往不足1cm，而预应力束以及其它装置的几何尺寸远大于1cm，因此把体外索布置在桥板外侧是不可取的；再者，对于实心桥板，体外索不可能布置在内部，对于空心桥板，空心部分的几何尺寸往往只有几十公分，人进不去，安装体外索以及其它装置十分困难，即使能够安装，维修保养也十分麻烦和困难，因此把体外索布置在桥板内侧也是不可取的。

2. 一种装配式板桥体外预应力施加装置结构

图1是一种装配式板桥体外预应力施加方法，通过对装配式板桥施加体外预应力，提高装配式板桥的承载能力，延长板桥的使用寿命。

3. 预应力施加方法

预应力施加方法包括以下步骤：

3.1第一步，确定体外索使用根数和各桥板的预拱度目标值；

3.2第二步，把转向器分别与端部钢板和中部钢托梁连接备用；

转向器安装在体外索每个转向处，即每根体外索有三个转向处，当需要多根体外索时，转向器平行于桥板横轴线布置，张拉后端部转向器与锚具之间的体外索平行于桥板底面；端部钢板由两个竖板和一个水平板焊接而成，端部钢板横向的长度等于桥板宽度，其纵向的长度应方便施工时千斤顶的安放与移去，端部钢板的水平板以上竖板部分的高度为桥板厚度的1/3～1/2，端部钢板的竖板靠桥中心一侧与水平板下方之间形成的夹角焊接三角钢板加固；中部钢托梁和中部钢垫板的长度不小于桥板宽度或者在需要施加体外预应力的桥板宽度和基础上再加上100mm，中部钢托梁采用刚接或者铰接，中部钢垫板采用刚接。

3.3第三步，在端部钢板的水平板上垫薄层环氧树脂水泥砂浆备用；

3.4第四步，抬起桥板，安放端部钢板，并且使端部钢板的竖板顶紧桥板端部；

3.5第五步，修整中部螺杆螺母连接处桥板侧面；

3.6第六步，安装桥板就位；

3.7第七步，端部钢板的竖板与桥板端部之间的间隙用环氧树脂水泥砂浆填满；

3.8第八步，在桥板中部及其两端分别固定安装桥板中部螺栓连接装置及桥板端部螺栓连接装置，桥板端部螺栓连接装置对称布置，桥板中部螺栓连接装置及桥板端部螺栓连接装置与桥板之间垫环氧树脂水泥砂浆；

桥板中部螺栓连接装置包括中部螺杆、中部螺母、中部钢垫板，桥板与中部钢托梁通过中部螺杆与中部螺母螺纹连接，中部钢垫板与桥板之间垫环氧树脂水泥砂浆；桥板端部螺栓连接装置包括端部螺杆、端部螺母、端部上钢垫板、端部下钢垫板，端部螺杆下端穿设桥板、水平板及端部下钢垫板，其上端穿设端部上钢垫板与端部螺母螺纹连接，端部上钢垫板与桥板之间也垫环氧树脂水泥砂浆。

3.9第九步，安装体外索；

3.10第十步，体外索张拉；

（1）体外索张拉采用三指标控制法，以桥板预拱度为主、以张拉力和体外索伸长量为辅，其中针对某一块桥板以张拉力为主要控制指标，体外索伸长量是辅助控制指标，张拉的最终结果是一块桥板使用的所有体外索拉力相同；就整孔桥来讲以桥板预拱度为主要控制指标，张拉力是辅助控制指标，张拉的终极结果是整孔桥所有桥板预拱度都达到目标值，当体外索应力最大部位的张拉应力达到其标准强度的80%时，桥板的实测拱度值还没有达到预拱度目标值，则应考虑增加体外索的使用数量；

（2）体外索张拉分为预张拉和张拉两个阶段，整孔桥或者一块桥板的所有体外索同时张拉，或者分级一根一根地张拉，对于某一块桥板应尽量对称张拉，当体外索数量为奇数时，体外索张拉顺序为"……⑤③①②④……"，当体外索数量为偶数时，体外索张拉顺序为"……③①②④……"。

3.11第十一步，紧固中部螺母，切掉多余的体外索，但锚具外保留体外索的长度应满足再次张拉的需要，对体外索进行防腐处理。

4. 实施例

4.1一座9m宽预应力混凝土空心板桥，桥面净宽8m，纵向水平，横坡度1.5%，上部结构套用标准图进行设计，设计桥板8尺寸为：长×宽×厚=1996cm×99cm×85cm、荷载为公路-II级、混凝土标号为C50、200mm的橡胶支座9高度为35mm、垫块10高度为11cm、预拱度为40mm、支座9中心线与桥板8端最短水平距离为21cm、支座9中心线与盖梁11边沿最短水平距离为80cm，桥下净空没有要求，环氧树脂水泥砂浆10h抗压强度达到40MPa；

4.2参见图1，面向道路前进方向自左向右给桥板8编号，那么九块桥板8分别被称为1#板、2#板、3#板、4#板、5#板、6#板、7#板、8#板、9#板，它们的实测拱度分别为37mm、25mm、23mm、25mm、26mm、25mm、24mm、26mm、38mm；

4.3原桥面铺装在桥板8缝处切开，铰接缝混凝土已凿除，桥板8之间的连接已断开，中部钢垫板5和端部上钢垫板16处的桥面铺装也已凿除；

4.4要求使用原桥板8，采用体外预应力进行加固，恢复原设计承载能力。

4.5该预应力施加方法包括以下步骤：

4.5.1第一步，确定体外索1使用根数和各桥板8的预拱度目标值

根据试验结合经验决定，两侧桥板8不必施加体外预应力，每块中间桥板8各使用四根体外索1；1#板和9#板的预拱度目标值为实测值即37mm和38mm，2#板～8#板的预拱度目标值均为40mm；

4.5.2第二步，把转向器2分别与端部钢板4和中部钢托梁6连接备用。

（1）端部钢板4用30mm厚的钢板焊接而成，水平板规格宽990mm×长2300mm矩形，最端部竖板高度100mm+30mm+425mm；

锚具3的竖板高度150mm，两竖板之间的水平净距1800mm；锚具3的竖板上关于桥板8纵中轴线对称均匀布置九个20mm穿索孔，穿索孔中心到锚具3的竖板下端面的距离为30mm，相邻穿索孔间距100mm，自左向右给穿索孔编号，那么9个穿索孔分别被称为1#孔～9#孔，对应穿索孔的水平板上布置9×4个螺栓孔，用于安装固定转向器2；

（2）对称均匀布置的两竖板靠桥板8中心一侧与水平板下方之间形成的夹角用10块100mm×100mm或者10块150mm×150mm的等腰直角三角形钢板焊接加固；

（3）1#板和9#板不施加体外预应力，它们不需要端部钢板4，橡胶支座9与桥板8之间垫30mm×200mm×200mm的钢板，调整桥板8的高程，此钢板共需2×4块。

（4）转向器2由支座、转向轴和转向套组成，转向套上带有15.24mm的半圆形凹槽，转向器2共需7×4×3个；

（5）中部钢托梁6用20mm厚的钢板焊接而成，横截面为宽300mm×长500mm矩形，中间1010mm段水平，向两端各3050mm段有1.5%的M坡度，对应桥板8缝处留8个螺栓孔，对应端部转向器2布置9×4个螺栓孔；

（6）中部钢垫板5用30mm厚的钢板焊接而成，长7980mm×宽300mm矩形，对应桥板8缝处留8个螺栓孔；

（7）端部上钢垫板16、端部下钢垫板17分别用30mm厚的钢板制成，长500mm×宽300mm矩形和长50mm×宽50mm矩形，它们的中心处分别留1个螺栓孔；

（8）根据体外索1的布置情况，相应的把转向器2分别与端部钢板4和中部钢托梁6连接备用，端部转向器共2×7×4个，中部转向器共7×4个；

4.5.3第三步，在端部钢板4的水平板和30mm×200mm×200mm钢板的上垫薄层环氧树脂水泥砂浆7备用，环氧树脂水泥砂浆7的强度10h达到40MPa；

4.5.4第四步，抬起桥板8，安放端部钢板4和30mm×200mm×200mm钢板，并且使端部钢板4的竖板顶紧桥板8端部；

4.5.5第五步，修整中部螺杆12与中部螺母13螺旋连接桥板8侧面；

4.5.6第六步，安装桥板8就位；

4.5.7第七步，端部钢板4的最端部竖板与桥板8端部之间的间隙用环氧树脂水泥砂浆7填满；

4.5.8第八步，安装固定中部钢垫板5和中部钢托梁6以及端部上钢垫板16、端部下钢垫板17和中部螺杆12、中部螺母13、端部螺杆14、端部螺母15，中部钢垫板5、端部上钢垫板16和中部钢托梁6与桥板8之间、端部下钢垫板17和端部钢板4之间垫环氧树脂水泥砂浆7，中部钢垫板5和中部钢托梁6通过中部螺杆12、中部螺母13在桥板8间隙处连接，端部上钢垫板16、端部下钢垫板17通过端部螺杆14、端部螺母15在桥板8间隙处连接；

4.5.9第九步，安装体外索1。

体外索1采用标准强度为 1860MPa的15.24mm 的钢铰线， 2#板～8#板所用的体外索1都穿于2#孔、4#孔、6#孔和8#孔内；

4.5.10第十步，体外索1张拉。

（1）将第七步中环氧树脂水泥砂浆7填满10h以后张拉体外索1，张拉体外索1的方法是：张拉体外索1分为预张拉和张拉两个阶段，预张拉为了使体外索1张紧并且使所有体外索1拉应力达到相同，预张拉应力为200MPa，然后进入张拉阶段，每一块桥板8所用的四根体外索1分别用四个穿心千斤顶同时张拉；在张拉阶段，每块桥板8每次张拉应力增加200MPa，并测量该桥板8的拱度，然后换另一块桥板8张拉，……；每次张拉都要测量四根体外索1的伸长量，伸长量差别不大则可继续张拉，差别大则应查明原因并在问题解决后继续张拉；当拱度接近40mm时，每次张拉应力增加量应区别对待，在张拉过程中随时测量桥板8的拱度，当拱度等于40mm时张拉暂停，之后进行最后一次张拉，使张拉应力增加50MPa，持荷不少于两分钟，作为超张拉应力；

（2）每一根体外索1安装后便可进行预张拉，使其应力达到200MPa，所有体外索1预张拉完毕后即可进行张拉，本例从实测拱度最小的3#板开始张拉，张拉顺序为：3#板7#板6#板4#板2#板8#板5#板，之后进行下一个循环，第一个循环张拉的结果是：张拉应力都达到400MPa，钢绞线伸长量基本相同，按顺序各板实测拱度分别为26mm、26mm、27mm、27mm、28mm、28mm、28mm；第二个循环张拉的结果是：张拉应力都达到600MPa，钢绞线伸长量基本相同，按顺序各板实测拱度分别为29mm、29mm、30mm、30mm、31mm、31mm、31mm；第三个循环张拉的结果是：张拉应力都达到800MPa，钢绞线伸长量基本相同，按顺序各板实测拱度分别为32mm、32mm、33mm、33mm、34mm、34mm、34mm；第四个循环张拉的结果是：张拉应力达到1000MPa，钢绞线伸长量基本相同，按顺序各板实测拱度分别为36mm、35mm、37mm、36mm、37mm、37mm、38mm；第五个循环张拉的结果是：各板实测拱度都达到40mm，按顺序各板张拉应力分别为1260MPa、1350MPa、1200MPa、1250MPa、1200MPa、1200MPa、1100MPa；最后一个循环张拉的结果是：在第五个循环张拉的基础上，使每根钢绞线的张拉应力均增加50MPa并持荷3分钟，即按顺序各板张拉应力分别为1310MPa、1400MPa、1250MPa、1300MPa、1250MPa、1250MPa、1150MPa；

4.5.11第十一步，上紧中部螺母13；检查中部钢垫板5和中部钢托梁6与桥板8之间是否填满环氧树脂水泥砂浆7，否则应补充填满；切掉多余的钢绞线，但是两锚具3以外端部钢绞线保留的长度各为100mm～120mm；按相关规范要求，对所用所有钢材进行防腐处理。

5. 结语

该预应力施加方法的有益效果为：（1）提高了桥梁的承载能力；（2）与更换承载力不足的桥板相比，节约了投资，缩短了工期，减少了交通影响；（3）增加了桥梁安全系数；（4）加强了横向连接，荷载横向分布能力增强；（5）维修加固方便，预应力损失时可以随时张拉补充，需要更换体外索时只需限制交通，而不必中断交通；（6）体外预应力应用灵活，可以应用于部分桥板甚至是一块桥板，也可以应用于整孔桥梁；可以作为桥梁通过超重车辆的临时加固手段，又可作为永久提高桥梁荷载等级的措施；既可用于预应力混凝土板桥，也可用于钢筋混凝土板桥；（7）进行预防性的养护加固，当部分桥板出现承载能力不足或者预应力损失时，针对性地施加预应力，防止了桥梁坏后再修；（8）用预拱度作为施加预应力的终极控制指标，简单、明了、直观、方便验证；（9）工艺、材料和施工机具简单，技术成熟度高，容易掌握，方便推广应用；（10）用途广泛，可用于新建桥梁、已建桥梁的升级改造、旧桥的加固等，也可用于其它桥型。

参考文献

[1]JTG/T J22-2008 公路桥梁加固设计规范.

[2]JTG/T F50-2011 公路桥涵施工技术规范.

[作者简介] 李永辉（1975-），男，学历：本科，籍贯：河南宝丰人，职称：高级工程师，长期从事公路工程技术与管理工作。