先张法预应力混凝土空心桥板拱度值全过程控制技术研究

王壹帆，王海有，白 哲，王 健，曹金奎，王晓丰，薛秋香，刘自强，岳 超

(1.平顶山市公路工程质量检测中心，河南 平顶山 467000；2.平顶山市公路事业发展中心，河南 平顶山 467000；3.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036；4.河南中亚交建集团有限公司，河南 平顶山 467000；5.郑州市大道公路工程有限公司，河南 郑州 450000；6.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州 450000)

由于先张法预应力混凝土空心桥板具有跨越能力大、结构及受力简单、施工便捷、能大批量工厂化集中生产、造价低等优点而得到广泛、大量地应用，但其出现病害较多，特别是极易发生早期病害，如桥面铺装3～5 a就会损坏[1]。其主要原因之一是没有对桥板的拱度值进行全过程(包括生产阶段与运营阶段)控制，即生产阶段没有精准控制拱度值以及运营阶段没有预防性补偿拱度值损失。在生产阶段，理论上讲先张法预应力空心板的实际拱度(简称拱度，是预应力放张后空心板底面纵向形成的弧线)和实际拱度值(简称拱度值，是拱度弧线的矢高)均应分别与设计拱度(又叫预拱度)和设计拱度值(又叫预拱度值，是通过理论计算预计设定的值)一致，但事实并非如此，桥板的拱度值大小不一，且与预拱度值相差较大；在运营阶段，拱度值损失累积过大，导致频繁维修，不但养护费用增加、桥梁使用率降低、社会使用成本升高、存在安全隐患，严重时甚至会造成安全事故。因此，对先张法预应力混凝土空心桥板拱度值精准控制及其损失的预防性补偿技术进行研究十分必要。

1 先张法预应力混凝土空心桥板拱度值全过程控制的现状

目前，在生产阶段钢绞线放张后，桥板的拱度自由发展，没有控制办法，结果导致同型号甚至是同一槽桥板的拱度值大小不一，而且跨径20 m及其以下预应力混凝土空心桥板的拱度值普遍偏大，跨径大于20 m预应力混凝土空心桥板的拱度值普遍偏小。

运营阶段预应力混凝土空心桥板的拱度值一般不进行控制，直到拱度值损失累积过大导致承载能力严重不足或者破坏后才进行维修，有时采用体外预应力补偿拱度值损失，有时作废弃处理，这些处理方法都属于事后处理。

一座桥梁所用桥板的拱度值不同将会带来很大的危害。先张法预应力混凝土空心桥板拱度值大小不一导致桥板性能不一，拱度值过大将影响桥板的使用刚度，加大车辆的冲击作用，引起桥梁的剧烈振动，降低桥梁的使用品质与寿命；同时，可能导致桥面铺装混凝土厚度不均，极易造成桥梁上部结构过早损坏；另外，拱度值小于设计值时很容易出现负拱度，使桥板中间底部产生过大的挠度，进而导致混凝土受拉而开裂，从而引起预应力筋和钢筋的锈蚀，致使整个构件乃至整座桥梁上部结构破坏。

运营阶段拱度值不予控制，自由发展，直至拱度值损失累积过大，使桥梁不能持续保持设计承载能力[2]，加速损坏，甚至引发安全隐患，严重者可能造成安全事故。

先张法预应力混凝土空心桥板拱度值大小不一、拱度值损失累积过大及其他不利因素有可能叠加，造成更大的危害。

2 拱度值大小不一及拱度值损失累积过大的主要原因

2.1 先张法预应力混凝土空心桥板拱度值大小不一的主要原因

先张法预应力混凝土空心桥板拱度值大小不一的原因较为复杂，主要有以下几个方面：

(1)先张法预应力混凝土空心桥板拱度值的设计计算理论与实际偏差较大。影响拱度值的因素很多，并且错综复杂、随机性强，设计计算理论不能完全涵盖实际情况，导致出现系统性、规律性的较大偏差[3-6]。

(2)先张法预应力混凝土空心桥板实行工厂化生产，一般同槽可以生产多块桥板，它们的钢绞线张拉应力应该是相等的，混凝土浇筑时间、养护条件等可以认为基本上也是一样的，但实际上其拱度值也大小不一[7]，表明影响先张法预应力混凝土空心桥板拱度值的因素存在不确定性，进而导致拱度值不可精确控制。

(3)预应力的大小不一导致拱度值大小不一。预应力的大小是决定先张法预应力混凝土空心桥板拱度值的第一要素，拱度值是预应力的表征，并且拱度值对预应力的变化反应灵敏。预应力大则拱度值大；反之亦然。由于设备、操作等系统性误差或者结构性差别是不可避免的，导致不同槽的桥板的拱度值不同。

(4)混凝土强度的离散性导致拱度值大小不一。混凝土强度影响先张法预应力混凝土空心桥板的拱度值，特别是放张时混凝土强度对拱度值的影响较大。混凝土强度高则拱度值小；混凝土强度低则拱度值大。由于原材料的离散性、不同桥板混凝土浇筑不可能同时进行、养护以及存放条件等的不同，使混凝土强度出现较大离散性，导致桥板的拱度值不同[8-10]。

(5)混凝土龄期不同导致先张法预应力混凝土空心桥板的拱度值大小不一。桥板存放期对拱度值的影响很大[11-12]，在工程实践中，同桥同型号桥板的预制往往需要持续较长一段时间，而桥板的运输安装一般在很短的时间内完成，使不同桥板混凝土的龄期差别较大，导致拱度值大小不一。

如上所述，影响先张法预应力混凝土空心桥板拱度值的因素很多，不可完全控制，而且主要因素也不可控或不可完全控制，在工程实践中绝大多数只是针对上述因素采取措施加强拱度值的控制，结果导致其拱度值一直没有得到精准控制，这就需要研发新的技术来解决这个问题。

2.2 预应力混凝土空心桥板拱度值损失累积过大的主要原因

预应力混凝土空心桥板拱度值损失是预应力损失所致，引起预应力损失的因素很多，准确测量或者计算非常困难，而且诸多因素会发生交互作用，相互影响。拱度值损失的主要原因有：(1)混凝土徐变引起预应力损失，导致拱度值损失[13]；(2)钢筋(包括预应力筋和非预应力筋)松弛引起预应力损失，导致拱度值损失[14]。

预应力损失是预应力混凝土空心桥板的固有属性，无法消除[15]，所以对预应力损失进行补偿是必须的，而且只有进行预防性的预应力损失补偿，才能避免拱度值损失累积过大，从而使其持续保持设计承载能力，避免早期损坏。

3 先张法预应力混凝土空心桥板拱度值全过程控制方法

调控先张法预应力混凝土空心桥板拱度值最简单且有效的方法是调整预应力的大小，而对于先张法预应力混凝土空心桥板，无法利用先张预应力钢绞线进行调控，只有采用体外预应力钢绞线调控施加在桥板上的预应力。

针对生产阶段先张法预应力混凝土空心桥板预拱度值的现状——大小不一且大多偏大，控制困难，提出的解决思路是：对于拱度值偏大者，首先增加预应力钢绞线的失效，使其预应力减小，即保证拱度值小于设计值，然后设置体外预应力系统，在运输安装前张拉体外预应力钢绞线，把桥板的拱度值精准调控到设计值。

针对运营阶段先张法预应力混凝土空心桥板预拱度值的现状——损失自由累积，测量或者计算非常困难，提出的解决思路是：设置体外预应力系统，实时监测拱度值损失累积情况，进行拱度值损失预防性补偿，避免由于拱度值损失累积过大而导致桥板承载能力下降。

3.1 设置拱度值精准控制及其损失的预防性补偿系统

先张法预应力混凝土空心桥板拱度值精准控制及其损失的预防性补偿系统如图1所示，简称预设系统，其中的钢绞线称为预设钢绞线。

图1 拱度值精准控制及其损失的预防性补偿系统示意图

预设系统包括左端板、右端板、左拉杆、右拉杆、左锚具垫板、右锚具垫板、左锚具、右锚具、转向轴、转向轴底座和预设钢绞线。其中：左端板和右端板设置在空心桥板端头下部；预设钢绞线的左端设置左锚具，左锚具通过左锚具垫板和左拉杆固定在左端板上；左拉杆两端通过螺丝分别与左锚具垫板和左端板连接；预设钢绞线的另一端设有右锚具，右锚具通过右锚具垫板设置在空心桥板右端头底部；预设钢绞线的弯折处通过设置在空心桥板空心中的转向轴、转向轴底座和右拉杆连接；右拉杆两端通过螺丝分别与右端板和转向轴底座连接。

3.2 先张法预应力混凝土空心桥板拱度值精准控制方法

3.2.1 确定先张法预应力钢绞线失效方案

依据经验判断工程实践中先张法预应力混凝土空心桥板的拱度值是否大于设计值；若不大于设计值，则跳过此步骤；若大于设计值，则应让部分先张法预应力钢绞线失效。

让部分先张法预应力钢绞线失效的方式为对等设置要失效的先张法预应力钢绞线，包括横向和纵向对等设置，其中：横向是对称失效，包括先张法预应力钢绞线的位置和失效长度；纵向是相等失效，先张法预应力钢绞线两端的失效长度相等。

先张法预应力钢绞线失效的程度根据经验确定，原则是确保运输安装时拱度值不大于设计值，一般先张法预应力钢绞线失效方案为：中间的一根预应力钢绞线两端各3～5 m长失效，选择中间的一根预应力钢绞线两端失效的另一个目的是为在底板上为预设钢绞线穿孔预留位置。

3.2.2 设置预设系统，并进行初步张拉

预设系统安装后进行初步张拉，初步张拉应力为5～10 MPa，目的是使预设系统各部分紧固。

3.2.3 调整先张法预应力混凝土空心桥板的拱度值至预拱度值

桥板运输安装的前1 d进行拱度值调整，使先张法预应力混凝土空心桥板的拱度值等于预拱度值。施工时除了要符合现行规范的相关要求外，还要遵循以下要求：

张拉预设钢绞线时，荷载要分级逐步增加，每增加一级荷载持荷2～5 min，然后测量桥板的拱度值，如此反复；在加荷的后期，桥板的拱度值逐渐接近预拱度值，每级增加的荷载也逐渐减小，当桥板的拱度值达到预拱度值时停止加载。对桥板的拱度值进行精确控制调整完成时的误差ε不超过0.01 mm(ε为拱度值与预拱度值的差)。

在先张法预应力混凝土空心板桥上部结构中，预应力混凝土空心桥板、非预应力混凝土的企口缝和桥面铺装要共同工作，一起变形，而预应力混凝土空心桥板具有抵消变形而不开裂的性能，非预应力混凝土的企口缝和桥面铺装则没有此性能，因此，预应力混凝土空心桥板的承载能力越弱、变形越快、变形量越大，非预应力混凝土的企口缝和桥面铺装越容易遭到破坏。由此可见，对先张法预应力混凝土空心桥板拱度值进行精准控制能够提高桥梁的使用品质，延长使用寿命。

3.3 预应力混凝土桥板拱度值损失的预防性补偿方法

拱度值损失是预应力损失所致，拱度值损失补偿即预应力损失补偿。预应力混凝土桥板拱度值损失的预防性补偿方法为：

(1)监测预应力混凝土空心桥板的拱度值并计算其损失，桥梁完工至通车之前，测量每块桥板的拱度值h0。

从通车运营开始，监测每块预应力混凝土空心桥板的拱度值hi，计算每块桥板的拱度值损失Δ，即Δ=h0-hi。

(2)预应力损失的预防性补偿

对Δ≥0.02 mm的预应力混凝土空心桥板进行预应力损失补偿，张拉预设钢绞线，使其拱度值最小达到h0，最大为(h0+0.01) mm。

由于拱度值的补偿具有延迟性，预设钢绞线张拉后，至少开放交通24 h，再监测计算桥板的拱度值损失Δ，同时也监测计算相邻桥板的拱度值损失Δ。

由于相邻桥板的拱度值损失具有相关性，所以也要对相邻桥板的拱度值损失Δ同时进行补偿，每次预应力损失补偿为5 MPa左右。

4 工程实例

图2 某桥预应力混凝土空心桥板横断面示意图

某桥采用16 m 90°先张法预应力混凝土空心桥板，共10块桥板，横断面如图2所示，设置15根先张法预应力钢绞线，设计拱度值为30 mm，混凝土强度等级为C50，环氧树脂砂浆1 d的抗压强度不低于45 MPa，转向轴距底座底板底面的距离即转向轴高度为70 mm，转向轴转向半径为25 mm，转向轴底座底板上连接右拉杆的螺母的轴线距转向轴底座底板顶面的距离为20 mm，桥板预制后92 d运输和安装。

4.1 先张法预应力钢绞线失效方案

选择中间一根预应力钢绞线两端各3.5 m长失效。失效预应力钢绞线的设置是成熟技术，按照(JTG/T F50—2011)《公路桥涵施工技术规范》的有关规定执行。

4.2 设置预设系统

在转向系统中，转向轴底座、转向轴、右锚具垫板及右锚具距右端头100 cm，以方便张拉预设钢绞线为原则。转向轴底座底板尺寸为：长×宽×厚=500 mm×500 mm×20 mm。

预设钢绞线选用1860级øj15.2钢绞线。

端板厚度取20 mm，端板宽度取1 240 mm，端板高度以小于空心桥板高度的1/2为原则确定，1/2×850 mm=425 mm，取420 mm。

拉杆采用ø18钢筋，两头带丝，与锚具垫板或者转向系统垫板以及端板上的螺丝孔连接。其中：左拉杆的长度由锚具垫板与端板的厚度、锚具长度和预设钢绞线外伸长度决定，取100 mm；右拉杆的长度取80 mm。每端各用两根拉杆，横向对称布置。

左拉杆、左锚具及预设钢绞线轴线平行于空心桥板底板，距空心桥板底板顶面的高度取决于转向轴的高度、转向轴转向半径和预设钢绞线直径。左拉杆、左锚具及预设钢绞线轴线距空心桥板底板顶面的高度为：转向轴的高度+转向轴转向半径+预设钢绞线直径×1/2=70 mm+25 mm+12.7 mm×1/2=101.35 mm。

确定预设钢绞线轴线的横向位置时，要避开底板中的钢绞线和钢筋，并且要对称。由于中间的一根预应力钢绞线两端各3.5 m长失效，为预设钢绞线穿孔留出了位置，所以预设钢绞线轴线的横向位置设置在空心桥板中线处。

右锚具垫板尺寸为：长×宽×厚=500 mm×500 mm×20 mm。左锚具垫板厚尺寸为：长×宽×厚=200 mm×200 mm×20 mm。

先张法预应力滑凝土空心桥板预制时，钢端板用木板代替，木板的形状同端板与空心桥板混凝土的接触面，厚度为20 mm+3 mm，在木板上与先张法预应力钢绞线相对应的位置打孔用以穿钢绞线。

预设系统的安装和预张拉在桥板运输安装的前2 d进行。预应力混凝土空心桥板封端前，去除代替钢端板的木板和多余的先张法预应力钢绞线，在预设钢绞线穿过底板的位置打孔，安装端板，在端板与空心桥板混凝土的接触面垫环氧树脂砂浆；之后，依次安装左、右拉杆、转向系统、左、右锚具垫板、左、右锚具及预设钢绞线。预设系统安装完毕，随即进行预张拉，张拉应力为10 MPa。预张拉的目的是使预设系统各部分紧固以及端板、垫板与空心桥板混凝土紧固，以不改变空心板的拱度值为原则。

4.3 拱度值精准控制

10块桥板预制完成后90 d的拱度值如表1所示，其中3#桥板的拱度值为25 mm，以此块桥板为例，拱度值精准控制的具体方法为：(1)初张拉 对预设钢绞线进行第一次张拉，使它的拉应力达到100 MPa，持荷5 min，测量拱度值为25.5 mm；(2)第二次张拉 对预设钢绞线进行第二次张拉，使它的拉应力增加100 MPa，达到200 MPa，持荷5 min，测量预拱度值为27.9 mm；(3)第三次张拉 对预设钢绞线进行第三次张拉，使它的拉应力增加100 MPa，达到300 MPa，持荷5 min，测量拱度值为29.7 mm；(4)第四次张拉 对预设钢绞线进行第四次张拉，使它们的拉应力增加10 MPa，达到310 MPa，持荷5 min，测量拱度值为29.9 mm；(5)第五次张拉 对预设钢绞线进行第五次张拉，使它们的拉应力增加5 MPa，达到315 MPa，持荷5 min，测量拱度值为30 mm，即拱度值调整到预拱度值。

表1 预应力混凝土空心桥板预制完成后90 d拱度值

桥板拱度值调整完毕后，进行运输安装等项目施工，至桥梁完工。

4.4 拱度值损失的预防性补偿

桥梁完工至通车之前，测量每块桥板的拱度值h0。从左到右桥板的编号依次为1#～10#，1#和10#桥板的拱度值为29.01 mm，其他桥板的拱度值为30 mm。

运营66 d时，2#～4#桥板的拱度值损失Δ分别为0.012 mm、0.02 mm和0.015 mm，其他桥板的Δ均小于0.02 mm。监测结果表明3#桥板出现Δ≥0.02 mm的情况，需要对其进行拱度值损失的预防性补偿。

预应力损失的预防性补偿具体方法如下：

(1)张拉3#桥板预设钢绞线，使预应力增加5 MPa。

(2)开放交通24 h后，再监测计算3#桥板的拱度值损失Δ，同时监测计算相邻的2#和4#桥板的拱度值损失Δ，2#～4#桥板的拱度值损失Δ分别为0.012 mm、0.017 mm和0.015 mm。

(3)对2#～4#桥板的拱度值损失Δ同时进行补偿，张拉2#～4#桥板的预设钢绞线，使2#～4#桥板的预应力增加5 MPa。

(4)开放交通24 h后，再监测计算2#～4#桥板的拱度值损失Δ，分别为0.002 mm、0.000 mm和0.004 mm，补偿后3#桥板的拱度值损失Δ为0，即拱度值达到h0=30 mm，则此次预防性拱度值损失补偿完成。

在桥梁运营期间，一直重复以上步骤，进行预防性预应力损失补偿。

5 结论

(1)原有技术条件下，先张法预应力混凝土空心桥板拱度值大小不一是必然的，拱度值损失及其累积过大也是必然的。

(2)利用体外预应力能够使先张法预应力混凝土空心桥板的拱度值得到精准控制，可以提高预应力混凝土空心桥板的承载能力，减小振动。

(3)预应力混凝土空心桥板拱度值损失只有得到预防性补偿，才能持续保持桥梁的设计承载能力，是桥梁预防性养护的最主要内容。