桥梁施工中的水滴形斜拉桥预应力控制技术研究

冯凯

（广西新恒通高速公路有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

现代人们出行的交通工具多为汽车，随着汽车数量的不断增加，交通堵塞情况屡见不鲜，因此对道路及桥梁带来安全隐患。当代桥梁施工项目日益增多，成为大跨度桥梁的主要发展类型，在跨度增加的背景下，斜拉桥的结构体系越来越复杂，给设计和施工带来了很大的困难。

文献［1］提出的浆锚搭接式钢筋连接技术通过在混凝土构件中的预留孔道中插入钢筋并关注水泥浆料实现钢筋连接，适用范围受限，不能应用于精细构件的钢筋连接，并且在混凝土浇灌中，忽视了内圆模板的浮力作用，导致预制桥面板的承重力不符合质量标准。文献［2］提出的套筒式注浆式钢筋连接方式，快速向套管内注入收缩浆液，通过浆液与钢筋的物理连接，实现钢筋之间的紧密连接。仅用于带套筒结构的构件，其牢固性能较差。在浇筑过程中，温度测量不充分，造成预制桥面出现裂缝，降低了桥梁的耐久性。文献［3］提出的柱钢牛腿式钢筋连接技术，以焊接钢牛腿为连接枢纽进行钢筋连接，但由于刚牛腿体积较大，不适用于零部件复杂的钢筋结构且采用多层混凝土浇灌方式进行浇灌，易导致混凝土产生离析，降低其力学性能。

上述3种方法虽然满足了桥梁建设需求，但是无法到达桥梁预应力的承受力，因此本文提出桥梁施工中采用水滴形斜拉桥预应力控制技术。

1 工程概括

水滴形斜拉桥具有一定特殊性，其非线性和桥梁建成状态的不稳定性给设计和施工带来了很大的困难。本文介绍的主要承重构件部分主梁与索塔的组成材料有着密切的联系，一般采用钢材混凝土与混合材料组成，而彼此连接的桥面板则主要采用高强度的钢筋和混凝土合制而成，拉索具有多角度变换的能力，因此在连接的过程中，桥面板可以分别固定于主梁和索塔两侧，扩大承重面积的同时实现多点弹性支撑，使得斜拉桥主梁所受到的载荷可均匀分布给索塔［4］。

2 预应力混凝土水滴形斜拉桥的特点

2.1 水滴形斜拉桥优势

水滴形斜拉桥的建造成本较低，尤其是将混凝土作为原材料，该材料可就地取材且受斜拉桥结构体系的影响。桥梁本身仍然存在一些问题，主梁必须承受较大的压力，这与混凝土抗压能力强的优势相对应。

2.2 水滴形斜拉桥劣势

预应力混凝土水滴形斜拉桥具有多样化特点，锚固条件存在较大差异，直接关系到主梁的轴力及其分布，桥梁的主体受压时，有利于预应力斜拉桥，但跨度恒定时水平分力增加了主梁的水平压力，特别是在索塔附近，索力水平分力产生的主梁压力较大，出现翘曲现象容易发生主梁失稳。

3 水滴形斜拉桥预应力桥面板的预制

3.1 水滴形斜拉桥预应力桥面板的预制结构

（1）预制场设置。清理预制场软土层，实现预制场的硬化处理，并规定预制场承载力需高于0.1 MPa，从而满足桥面板存放和运输需求。清除预设区域杂物，以混凝土为材料预设744 cm×423 cm×30 cm的台座，强度等级为C25，根据设计图纸，在台座上方铺设型钢，要求型钢笔直且表面平整无焊瘤，预设反顶平台［5］。

（2）设置龙门吊。预设两座起吊能力大于30 t的排贝雷拼装型龙门吊进行转运工作，两座龙门吊之间的距离大于27 m，利用阴阳接头连接龙吊门底部和平车，立柱底部平车及两侧斜撑底部平车的承重分别大于50 t和20 t，由卷厂机牵引平车使龙吊门沿纵向行驶［6］。

（3）模板工程。在台座型钢铺垫层下方设置锚垫块，在型钢上方沿四周方向分别安装堵头板，堵头板分为底节、顶节及中节上层，按照钢筋间距在底节、顶节预留钢筋槽口，中节设置管道口。

（4）钢筋管道工程。在钢筋加工厂进行下料，结合钢筋连接技术将预制板钢筋加工成骨架或钢筋网，按照设计图纸安装横向预应力管道和锚垫板，二者始终保持互相垂直状态，且长度长于堵头板10 cm，有效避免混凝土漏浆。

（5）混凝土工程。采用高性能C60混凝土进行预制板制作，在浇灌前，设置预制板预留孔，浇灌完毕后，对其浇灌表面进行收浆和养护。

（6）存放和转运。考虑预制场地的承重能力，桥面板的存放最高可存放8层，支撑底座的制作材料为柔性枕木，上方设置橡胶垫，避免破坏桥面板的表面平整度。

3.2 桥梁施工过程

在预应力混凝土斜拉桥施工过程控制中，施工企业需要做好以下工作。

（1）桥梁建筑中，全桥预应力混凝土总强度为95%，桥梁结构弹性模量必须达到设计值，必须满足14 d的要求（标准养护条件下养护时间必须大于7 d）。斜拉桥预应力钢梁的拉力应遵循“上下平衡、拉力与伸长双控、左右对称”的原则。

（2）斜拉桥预应力定位时，为防止浇筑混凝土时管子跑偏，定位网格间距应控制在0.5 m以内，并将管道的定位网加密成弧形断面且必须控制在0.25 m以内，全桥梁应焊接结构钢筋和结构刚性笼，并在定位钢筋数量和长度固定的情况下移动。

（3）使用预应力梁清除管道内杂物前必须进行压缩控制和高压水处理，管道浇注工作必须在张拉完成后24 h内完成，注水口和出水口必须按照规定合理设计。

针对同一层次的不同指标，建立判断矩阵，采用两两比较法，判断指标的相对影响力大小，判断矩阵的公式如下：

式（1）中，b表示指标；i表示该指标所属层数；j表示该指标在i层中的位置。

判断矩阵满足：

根据比较结果，进行单层指标相对影响力大小排序，并计算每一指标的权重。

用求和法求出指标的权重。该算法首先将上述判断矩阵进行标准化处理，使其各列系数之和为1。归一化方法如下：

以归一化处理后的矩阵数据为基础，计算指标i的权重Wi数值：

式（4）中，vi表示指标i的相对重要系数。

3.3 预应力桥面板的预制施工关键技术

3.3.1 钢筋连接施工技术

在水滴形斜拉桥预应力桥面板预制施工中，采用以搭接、焊接、机械连接为主的混合钢筋连接技术。针对待连接钢筋，需按照规定进行除锈、焊接样板设置、强度测试等操作，以保证连接钢筋的质量符合施工标准。钢筋的抗压强度的计算公式如下：

式（5）中，F表示对连接钢筋施加的压力大小；S表示测试钢筋的受力面积。

在实际应用过程中，由于钢筋受到材质轻微差异、应用安装位置是否合理、环境条件是否合理等相关因素约束，会产生一个抗压强度损耗所以钢筋的实际抗压强度Pt为所得到的Pt即为钢筋的实际抗压强度。

在得到钢筋的抗压强度Pt后，根据钢筋的特质和应用选择合适的连接技术，主要有搭接、焊接及机械3种钢筋连接技术。搭接时要考虑施工长度，在施工过程中，钢筋的受压区整体长度应该为桥梁整体拉力的80%，并且要根据钢筋的等级做最终的决定。

3.3.2 混凝土浇灌施工技术

混凝土的浇灌按照先中间、后两头的浇灌顺序进行浇灌，并且浇灌过程需保持高度连续性与均匀性，可利用插入式振捣器提升混凝土浇灌的紧密程度，在振捣过程中，要避免碰触混凝土结构中的波纹管，振捣至混凝土浇灌结构表面平坦，无气泡冒出为止。振捣完毕后，对预制板面的平整度进行调整，待表面收浆初凝后，进行二次收浆并进行拉毛操作。

由于混凝土浇筑量大，浇筑时间长，因此混凝土内部温度下降缓慢，而表面温度下降迅速，在热应力作用下形成裂缝。为了避免桥梁面板产生裂缝，本文采用降温式混凝土浇灌技术，针对入仓前的混凝土入仓，需对其进行降温处理，如采用喷水降温、混合冰屑降温等方式，从而减小混凝土内部与表面的温度差。

设混凝土入仓时的温度为TP，则TP的计算公式如下：

式（6）中，Te表示混凝土出机口时的温度；Ta表示混凝土浇灌时的平均大气气温；1表示混凝土运输过程中的温度损耗系数；2表示混凝土装车和卸车时的温度损耗系数；3表示混凝土浇灌时的温度损耗系数。

4 水滴形斜拉桥预应力桥面板的安装方法

4.1 桥面板的吊装

为了防止出现混凝土混浆、钢筋栓钉碰撞、桥面板弯折等现象，本文根据传统吊装理念对桥面板的吊装做了严格的工序安排并采取了改良措施，具体的吊装流程如下。①梁构件与钢构件的安装。在对梁构件与钢构件进行安装时，需要在其受力纵面与横面进行缓冲设计，具体设计为添加缓冲块或者橡胶垫片，防止混凝土混浆，提高钢构件的耐腐蚀性，从而提高主梁的整体耐久度。②桥面板的安装位置确定。在做好上述准备工作后，即可通过相关设备将桥面板运送至安装位置，同时需要保证相邻面板的基准线在一条直线上，从而完成整体的精准调位。③桥面板与构件之间的连接。在确定好桥面板的位置后，即可通过栓钉将梁构件、钢构件与已经确定好位置的桥面板进行连接，在连接过程中，应将这些构件视为一个整体。

在桥面板的吊装过程中，应该尽可能地避免桥面板的切断与弯折，保证该过程的整体效率与质量要求。

4.2 湿接缝施工

吊装完毕后，需要及时进行桥面板间的湿接缝工程，使各位置的桥面板最终变为一个整体，缩短施工周期，同时在该过程中，需要确定桥面板湿接缝处混凝土的预应力，由于湿缝处的混凝土会因彼此之间的应力过大而开裂，桥面湿缝处混凝土的预应力必须大于彼此之间的拉力，因此湿缝处混凝土的结构应使用特殊结构的特定混凝土，若无法满足特定混凝土要求，则需要考虑环境因素的影响。

5 案例分析

本文以某处斜拉桥建设为例，为了验证本文研究的水滴形斜拉桥预应力桥面板预制施工关键技术的实际应用性能。采用ANSYS中SOLID185单元模拟预制桥面板中的钢筋连接部分，钢筋连接部分示意图如图1所示。

图1 钢筋连接部分示意图

设置单元时常数，模拟钢筋连接部位在受力状态下的位移形变程度，从XY、XZ、YZ 3个方向对有限元模型施加应力，得到的对比实验结果如图2所示。

从图2可以看出，当施加应力达到20 MPa时，采用传统浆锚搭接式钢筋连接技术的连接部位底部出现严重形变，最大位移形变量达到100 cm，其顶部和中部的形变也较为明显，平均位移形变量为2 cm，而采用本文研究的混合式钢筋连接技术的连接部位，能够最大承受80 MPa的应力，整体平均位移形变量控制在15 cm，具有较高的稳定性。

图2 钢筋连接处位移形变量对比图

采用 ANSYS中的SOLID65单元对混凝土浇筑部位的正截面压应力进行对比分析，获得了图3所示的对比结果。

图3 混凝土浇灌部分的正截面压应力对比图

从图3可以看出，在上述实例当中，其有限元单元模拟中，本文所采用的混凝土浇灌技术的施工部位的正截面压应力平均为40 MPa，而采用传统无降温式混凝土浇灌技术的施工部位的正截面压应力平均为20 MPa，由此可以得出结论，采用本文研究的施工技术进行混凝土浇灌，承重能力更强。

6 结语

综上所述，我国桥梁建设规模不断扩大，人们对桥梁的安全性能越来越重视。安全是当代交通出行的基础之一，因此斜拉桥的增加提高了桥梁的安全性。然而，随着钢筋混凝土水滴形斜拉桥跨度和宽度的增加，结构上的荷载越来越复杂，给预应力分离的施工控制带来了一定的困难。桥梁建设企业必须采取有效措施对其进行优化，确保桥梁建筑结构的走线和内部强度满足设计要求，保证桥梁工程的整体施工质量。