先简支后结构连续梁桥湿接头预应力连接技术探讨

发布时间：2011-08-08 08:01:57更新时间：2023-07-11 10:14:14 1

先简支后结构连续梁桥湿接头预应力连接技术探讨
彭有宏
摘要：本文是在借鉴美国目前的后连续工艺的基础上，讨论和改进并提出适合我国国情的后连续新工艺，探讨该工艺在国内推广使用的前景。
关键词：先简支后结构；连续梁桥；湿接头连接；工艺改进

湿接头的浇筑以及二次预应力筋的连接方式，即采用何种方式将简支梁连续起来使之成为连续梁，一直是先简支后连续结构体系中一个重要的问题。目前国内的主要做法，大多都在湿接头的两边简支梁上对称的位置处做两个齿块，二次预应力筋通过齿块对湿接头施加预压力，从而使得端部的后浇混凝土储存有一定的弹性压缩，避免了二期恒载和活载引起的支座负弯矩处的混凝土开裂现象。可以想象，这种后连续方式对抵抗支座处的负弯矩是有着重要的作用的，但对支座处的正弯矩却没有提供足够的效果，这种无法抵抗支座处正弯矩的现象对于静载的影响尚可以忽略，但是考虑到桥梁承受的是反复动荷载，在周期性的荷载的作用下，支座下方势必会出现裂缝。这一点应该引起国内设计、施工以及研究人员的注意。
1 现有结构体系
为便于讨论，在本方法介绍使用前，下列3种基本的多跨、装配式预应力混凝土结构体系已被广泛应用。
（a）不做连续设计的简支梁构件；
（b）按常规现浇钢筋混凝土桥面板和接缝而形成的连续构件；
（c）在全长范围内后张预应力筋所形成的连续构件。（见图 1）

图 1 现有预应力混凝土梁连续的几种方式
从结构性能、基本费用和养护考虑，第一种体系（图 1a）效果最差，它没有利用连续结构的优点。为减小跨中挠度，提高极限抗弯强度。结构中配置了预应力，而这种作法将导致初始的和最终的上拱度，使构件顶面在预期的最终阶段产生较大的向上偏移，造成像“滑行轨道”式的行车表面，这在桥梁结构中是一个缺点。而另外一个缺点是支承处的伸缩缝在水和防冻化学品的渗透下将会迅速老化。
第二种体系（图1b）属于连续体系，但它仅仅是对于桥面和梁形成整体后的荷载而言，例如附加恒载、活载和冲击荷载。因此，这种体系在某些方面具有与第一种体系同样的缺点，只不过程度轻些。相对来说它需要较高的预应力，这将导致过多的上拱度。另外，中间接缝处缺乏预应力也是该体系的一个问题，由于没有预应力，该处桥面板混凝土将会开裂，而随着裂缝的延伸和变宽，防冻剂、水和其他有害物质将会在裂缝中聚集，其结果是引起一些接头钢筋的腐蚀和混凝土剥落，造成混凝土接缝材料老化。
第三种体系（图1c）是3 种体系中效果最好的。预应力和初始上供度相对较小，中间支承处的接缝除自重外，对所有荷载而言都是连续的，而且接缝混凝土具有预压应力。但该体系造价昂贵，它需要专业化的施工队伍进行后张法的操作，需要较宽的腹板布置张拉管道，腹板所有锚固位置都需局部加宽（例如梁端处）并需用特殊钢板来承受集中应力。此外，施工程序也要求比较严格。
2 国外的湿接头连接工艺
新方法的工艺构思：
新方法以更为简单、直接的方式完成装配式混凝土先张（或后张）体系所做的一切。它利用在先张预制构件中合理布置钢束来“平衡”外部荷载，在桥面完成前利用相邻构件端部钢束的连接使构件形成连续，并使现浇混凝土接缝获得预加的压应力。这一点可用两种技术实现。
第一种技术包括以下一些步骤（见图2 a）：
（1）先张构件的预制。其顶面钢束在中间接逢处需伸至构件端部外，并留有足够的长度以便各钢束交错连接而按要求切断。
（2）用附有松紧装置的机械连接器将伸出的钢束连接。根据所用机械连接器的种类，它可以预先在预制场分别安装好，然后通过松紧装置将所有被连接的钢束均匀地拉紧。
（3）用合适的千斤顶设备，在连接构件端部将构件向外顶，使接缝处所有被连接的钢束产生一定的拉力。
（4）接逢处安装模板、浇筑混凝土并养护。所用混凝土应具有较高的早期强度和较小的收缩。在此过程中千斤顶设备必须使拉力保持一定的值。
（5）当接缝混凝土达到所要求的强度时，即卸去千斤顶力，使接缝获得预加压应力。移去所有的顶部支撑设备，包括托架和其他各种装置。
第二种技术包括下面一些步骤（见图2b）：
（1）先张构件的预制。其顶面钢束需延伸至端部外，并留有足够的长度，以便钢束交错连接而按要求切断。
（2）安装合适的托架，在梁的顶部和底部设置支撑，以便钢束在张拉时构件端部位置保持不变。

图2 连接预应力混凝土梁的两种技术
（3）用合适的机械连接器以较可靠的方式连接各钢束并施加预应力，确保被连接的钢束产生一定的预拉力。
（4）在接缝的剩余部分安模、浇筑混凝土和养护。所用混凝土应具有较高的早期强度和较小的收缩。
（5）当接缝混凝土达到所要求的强度时，即移去定位支撑、托架和其他临时设施使接缝获得预加压应力。
这两种技术都使接缝混凝土成为连续并获得预加压应力，选择哪种方法将根据承包商的喜爱。第一种技术需要使用相当大的千斤顶设备，但它能保持总预应力值。第二种技术仅需较小的千斤顶和扳手。对不熟悉标准张拉程序的承包商来说。这无疑是一个比较安全的操作方法。但是，该方法施工过程较长，连接钢束要求完全粘结，以减少锚固设备引起的预应力损失。
新方法的推广应用
以上介绍的连接和张拉技术除在桥梁上应用于梁的负弯矩区以形成连续梁外，还可用于另外凡种情况：
（1）在桥梁反弯点附近进行梁的连接。在大跨径桥梁中，使用本方法可增大构件的运输长度
（2）在建筑物先张梁的负弯短位置（支承位置）进行连接，以形成多跨连续梁
（3）在先张楼板和屋面梁的最大负弯短处（梁支承位置）连接，以增加其结构效应。是否按前述方法给接缝施加预应力将取决于经济效益。但不管接缝是否施加预应力，在预制混凝土构件之间通过钢束本身形成连续，都可提高其结构使用效应。
新连接技术的优点
与简支先张构件或按常规方法现浇钢筋混凝土接缝而形成连续的先张构件相比，新体系具有以下优点:
（1）全部中间支承处除自重外，对所有荷载而言都是连续的，因此跨中附近弯曲较小，梁的挠度较小，预应力值和上拱度较小；
（2）钢束布置合理，用量少，从而节约了费用；
（3）由于预应力和上拱度较小，因而徐变较小。桥面比较平顺，较少出现“滑行轨道”式的桥面；
（4）接缝处的预压应力减少甚至消除了接缝区域的弯曲裂缝。所以混凝土表面防冻剂的渗透较少，从而减少了接缝区域的钢筋腐蚀。
与先张或后张体系比较，新体系具有以下优点：
（1）无须后张法张拉端昂贵的锚具；
（2）为了布置后张预应力管道，“I”型梁腹板常需加宽，使混凝土、钢筋和钢束的用量增加，梁的自重加大。新体系无须管道，所以节约了由于腹板加宽而引起的一系列费用；
（3）取消了后张法中由于张拉端应力集中而设置的锚固块.从而节省了锚固端加固用的混凝土和钢筋；
（4）不需要管道灌浆；
（5）由于钢束连续穿越接缝。所以在连接区不需担心钢束的传递长度。
3 先简支后结构连续梁桥的湿接头连接工艺的改进
形成先张混凝土连续构件的新技术己经推出并已经过实验室试验，同时也己经应用于内布拉斯加州林肯市人行天桥设计中。这一新技术不必采用常规的后张法就可使先张混凝土构件成为连续构件，具有很大的潜能。但是我们应该看到，他们建议的新方法，由于需要有合适的安放千斤顶定位支撑的空间和方法，因此目前大多应用于 I 型组合梁。而对横向有多块梁或板的情形，则该种方法的应用受到很大的限制。另一方面，由于该方法要求在全长范围内实现预应力筋的连续且一次实现预应力筋的张拉，预留管道的摩阻力随着预应力钢铰线长度的增加而迅速增大，因此该方法适用的最优跨数为 2~3 跨（而跨径可达到60 ~100 米）。借鉴我们目前的施工工艺中设置齿块的做法，我们认为可以在连续端部的永久支座位置的两边对称设置两个定位齿块作为千斤顶的托架，而为了消除新连接工艺适用跨数的限制，可先锚固好预制板或梁的先期预应力筋（事先预留一段用于后连续的连接），这种方法适用于设置千斤顶托架比较困难的空心板梁，而对于容易设置千斤顶托架或端部设置横隔板的 T 梁或箱梁而言，可采用端部横隔板或设置托架实现后连续预应力的连接，此处设置齿块是因为空心板梁简支梁架设完毕后没有相应的空间设置千斤顶托架。