基于工業(yè)化建造思想的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)應(yīng)力管道研發(fā)

許 琪，石雪飛，葉建龍

（1.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海市 200092；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006）

0 引言

預(yù)應(yīng)力管道是體內(nèi)預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)的基本構(gòu)件，目前普遍應(yīng)用的金屬波紋管和塑料波紋管在使用過程中也暴露了諸多缺點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中，管道管徑使得腹板厚度大大超過其抗力計(jì)算所用，并且造成梁體自重過大，影響結(jié)構(gòu)施工，浪費(fèi)材料。在施工中，管道剛度不足導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力線形易偏、接頭處堵孔和壓漿不密實(shí)等問題。在運(yùn)營中，也存在管道腐蝕和預(yù)應(yīng)力損失大的問題[1-3]。

近年來，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和工業(yè)化建造成為橋梁工程建設(shè)的發(fā)展趨勢，交通運(yùn)輸部在2016年連續(xù)發(fā)布了《關(guān)于實(shí)施綠色公路建設(shè)的指導(dǎo)意見》，以及交通運(yùn)輸節(jié)能環(huán)保“十三五”發(fā)展規(guī)劃、交通運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)化“十三五”發(fā)展規(guī)劃，對(duì)進(jìn)一步發(fā)展綠色公路、節(jié)約資源能源、減少施工污染、提升勞動(dòng)生產(chǎn)效率和質(zhì)量安全水平、化解過剩產(chǎn)能提出了具體要求。特別是對(duì)主要構(gòu)件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、工業(yè)化提出了更多、更高的要求。實(shí)現(xiàn)公路橋梁建造的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)、裝配化施工、信息化管理，發(fā)展橋梁工業(yè)化已經(jīng)逐漸成為綠色公路建設(shè)的重要標(biāo)準(zhǔn)[2]。

從工業(yè)化建造的要求出發(fā)，本文研究了一種新型預(yù)應(yīng)力管道。通過對(duì)管道材料和結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新，一方面解決預(yù)應(yīng)力管道施工過程中的堵管、定位偏差等問題；另一方面將預(yù)應(yīng)力長期性能監(jiān)測設(shè)備與管道集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)永存預(yù)應(yīng)力的長期跟蹤，為結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)判定提供依據(jù)。新型預(yù)應(yīng)力管道孔徑將比目前使用的波紋管形式大大減小，使得結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和體系成為可能。

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力管道的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、分段組拼，保證預(yù)應(yīng)力筋的傳束，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力索力的長期監(jiān)測和壓漿質(zhì)量的檢測，新型智能預(yù)應(yīng)力管道包括錨頭組件、標(biāo)準(zhǔn)管道組件、連接接頭組件、索力測量組件和密實(shí)度測量組件五個(gè)部分。在完成了結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)之后，研究了這種新型預(yù)應(yīng)力管道在T梁、板梁、小箱梁等中小跨徑橋梁上的應(yīng)用。

1 標(biāo)準(zhǔn)化管道體系設(shè)計(jì)理念

1.1 設(shè)計(jì)要求

在簡支變連續(xù)T梁、小箱梁、空心板梁和變截面連續(xù)梁的標(biāo)準(zhǔn)圖紙的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)新型智能預(yù)應(yīng)力管道標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和工業(yè)化生產(chǎn)的要求，需要對(duì)預(yù)應(yīng)力線形和布置形式進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。優(yōu)化原則如下：

（1）簡化線形設(shè)計(jì)。將結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力線形進(jìn)行優(yōu)化，組成直線+曲線段的標(biāo)準(zhǔn)化線形，統(tǒng)一不同鋼束的曲線段樣式，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力管道的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

（2）管道模數(shù)化設(shè)計(jì)。直線段管道的長度應(yīng)該按照一定模數(shù)設(shè)計(jì)，以整米級(jí)或半米級(jí)為模數(shù)，以便于節(jié)段組合。曲線段管道盡量歸一化，減少曲線段管道的類型。

（3）平衡節(jié)段類型與接頭數(shù)量。不同節(jié)段間通過接頭接合，設(shè)計(jì)時(shí)需要在節(jié)段類型數(shù)量和接頭數(shù)量中尋找平衡點(diǎn)，一方面盡量減少節(jié)段類型數(shù)量，另一方面盡量減少接頭數(shù)量。

1.2 設(shè)計(jì)思路

為了實(shí)現(xiàn)新型智能預(yù)應(yīng)力管道的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和工業(yè)化生產(chǎn)，在滿足結(jié)構(gòu)安全、符合規(guī)范要求且合理可行的基礎(chǔ)上，需要將一般的預(yù)應(yīng)力線形進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，之后進(jìn)行節(jié)段劃分，劃分為由若干曲線段和直線段組成的線形，且直線段盡量為整米（n×1 m）或者整半米（n×0.5 m），圓弧彎曲段盡量統(tǒng)一。

為了達(dá)到上述目的，有以下兩種標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)思路：多節(jié)段類型，少接頭數(shù)量；少節(jié)段類型，多接頭數(shù)量。

（1）“多節(jié)段少接頭”的設(shè)計(jì)思想是指盡量減少標(biāo)準(zhǔn)化管道的類型數(shù)量。由于預(yù)應(yīng)力筋線形比較復(fù)雜，為了達(dá)到上述目的，標(biāo)準(zhǔn)化管道的長度一般設(shè)計(jì)得比較小，這樣連接接頭的數(shù)量會(huì)相應(yīng)增多。

（2）“少節(jié)段多接頭”的設(shè)計(jì)思想是指盡量減少連接接頭組件數(shù)量。由于預(yù)應(yīng)力筋線形比較復(fù)雜，為了達(dá)到上述目的，標(biāo)準(zhǔn)管道類型數(shù)量會(huì)相應(yīng)增多。

1.3 設(shè)計(jì)過程

現(xiàn)有的中小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的標(biāo)準(zhǔn)圖中，預(yù)應(yīng)力鋼束布置線形長度雜亂無章，圓弧彎曲段半徑和角度不一。要進(jìn)行新型預(yù)應(yīng)力管道的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，首先要將標(biāo)準(zhǔn)圖集中的鋼束線形進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整，使直線段長度規(guī)整，便于節(jié)段組合；圓弧彎曲段盡量歸一化，減少節(jié)段類型。調(diào)整鋼束線形時(shí)，盡量使調(diào)整線形與通用圖原線形吻合，并且每束鋼束的鋼絞線根數(shù)與通用圖設(shè)計(jì)保持一致，以保證結(jié)構(gòu)安全性能滿足要求，如圖1～圖3所示。

圖1 小箱梁中跨原本預(yù)應(yīng)力線形

圖2 “多節(jié)段少接頭”類型中跨預(yù)應(yīng)力線形

圖3 “少節(jié)段多接頭”類型中跨預(yù)應(yīng)力線形

然后在新的預(yù)應(yīng)力線形下，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性能進(jìn)行復(fù)核，根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力和抗裂能力進(jìn)行驗(yàn)算。最后將管道按“多節(jié)段類型，少接頭數(shù)量”和“少節(jié)段類型，多接頭數(shù)量”這兩種設(shè)計(jì)思路分段，并對(duì)兩種設(shè)計(jì)結(jié)果的施工效率、經(jīng)濟(jì)成本等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如圖4、圖5所示。

圖4 正截面抗彎強(qiáng)度

圖5 長期效應(yīng)組合下正應(yīng)力圖

2 標(biāo)準(zhǔn)化管道體系設(shè)計(jì)的產(chǎn)品系列

2.1 產(chǎn)品系列

新型智能預(yù)應(yīng)力管道包括錨頭組件、標(biāo)準(zhǔn)管道組件、連接接頭組件、索力測量組件和密實(shí)度測量組件五個(gè)部分，如圖6所示。

圖6 新型預(yù)應(yīng)力管道的組成

2.1.1 錨頭組件

錨頭組件采用一般的預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)，設(shè)置在兩端，用來錨固預(yù)應(yīng)力筋。錨頭組件包括錨具、夾具、連接器及錨下支承系統(tǒng)等，較常采用的有錐形錨、墩頭錨和夾片錨等。

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)管道組件

標(biāo)準(zhǔn)管道組件為預(yù)制鋼管道，用于預(yù)應(yīng)力鋼束的穿行，在工廠預(yù)制后，在現(xiàn)場根據(jù)預(yù)應(yīng)力線形進(jìn)行組拼。為了實(shí)現(xiàn)新型預(yù)應(yīng)力管道的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)管道組件分為若干整米或者整半米的標(biāo)準(zhǔn)化直線段和若干不同曲率半徑、不同弧度的標(biāo)準(zhǔn)化曲線段，比如2 m、2.5 m、3 m等長度的直線段，曲率為45.5 m、轉(zhuǎn)動(dòng)角度為5°的曲線段。標(biāo)準(zhǔn)管道組件應(yīng)根據(jù)實(shí)際鋼絞線根數(shù)和優(yōu)化調(diào)整后的預(yù)應(yīng)力線形定制長度和尺寸，見表1。

2.1.3 連接接頭組件

連接接頭組件用于連接標(biāo)準(zhǔn)管道組件，分為直線段接頭和曲線段接頭。直線段接頭用于連接直線管道和直線管道，曲線段管道用于連接曲線管道和直線管道。連接接頭組件的內(nèi)外徑需要根據(jù)預(yù)應(yīng)力管道的內(nèi)外徑而定。連接接頭組件與標(biāo)準(zhǔn)管道組件之間通過螺紋、機(jī)械連接、膠合等方式連接。

2.1.4 索力測量組件

在一根預(yù)應(yīng)力管道上設(shè)置有一個(gè)索力測量組件，基于磁通量的原理，長期監(jiān)測管道內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋的索力。索力測量組件設(shè)置在管道中點(diǎn)位置。索力測量組件由預(yù)應(yīng)力管道、激勵(lì)線圈、感應(yīng)線圈、溫度補(bǔ)充傳感器、磁通量保護(hù)殼等部件組成。在測量時(shí)通過外部驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生脈沖電流，電流通過包裹在管道外部的勵(lì)磁線圈產(chǎn)生磁場，鐵磁材料的磁通量特性取決于其內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)磁通量特性也會(huì)發(fā)生變化，通過測量線圈和外部信號(hào)處理設(shè)備即可得到索力大小[5]。

2.1.5 密實(shí)度測量組件

在一根預(yù)應(yīng)力管道上設(shè)置有若干密實(shí)度測量組件，基于圖像識(shí)別的原理檢測預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)的壓漿質(zhì)量[6]。密實(shí)度測量組件可設(shè)置在曲線段上部或者直線段中點(diǎn)等容易出現(xiàn)壓漿空洞的位置。密實(shí)度測量組件由透明玻璃鋼管道、預(yù)留光學(xué)元件、微型攝像頭等部件組成。在測量時(shí)只需將光學(xué)元件和微型攝像頭連接電源，利用電腦圖像識(shí)別技術(shù)，識(shí)別管道中是否有空洞。

表1 標(biāo)準(zhǔn)管道組件產(chǎn)品系列表

2.2 T梁應(yīng)用案例

T梁通用圖中原鋼束分為正彎矩鋼束和跨間負(fù)彎矩鋼束，將鋼束線形標(biāo)準(zhǔn)化后，即可按照兩種方案進(jìn)行預(yù)應(yīng)力管道的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

（1）基于“多節(jié)段少接頭”設(shè)計(jì)思想的25 m、30 m跨徑的T梁預(yù)應(yīng)力管道類型包括3種，有1種標(biāo)準(zhǔn)化直線段管道類型和2種曲線段管道類型（見圖 7、圖 8）。

圖7 “多節(jié)段少接頭”型單跨預(yù)應(yīng)力管道布置

圖8 “多節(jié)段少接頭”型跨間預(yù)應(yīng)力管道布置

（2）基于“少節(jié)段多接頭”設(shè)計(jì)思想的25 m跨徑的T梁預(yù)應(yīng)力管道類型包括9種，其中標(biāo)準(zhǔn)化直線段管道類型有7種，曲線段管道類型有2種（見圖9、圖10）。30 m跨徑的T梁預(yù)應(yīng)力管道類型包括8種，其中標(biāo)準(zhǔn)化直線段管道類型有6種，曲線段管道類型有2種。

圖9 “少節(jié)段多接頭”型單跨預(yù)應(yīng)力管道布置

圖10 “少節(jié)段多接頭”型跨間預(yù)應(yīng)力管道布置

2.3 小箱梁應(yīng)用案例

交通部公布的25 m和30 m跨徑的小箱梁標(biāo)準(zhǔn)圖紙（連續(xù)梁，五跨一聯(lián)）中預(yù)應(yīng)力鋼束布置分為中跨、邊跨和負(fù)彎矩區(qū)三種預(yù)應(yīng)力線形。

（1）基于“多節(jié)段少接頭”設(shè)計(jì)思想的25 m、30 m跨徑的小箱梁預(yù)應(yīng)力管道類型包括3種，其中標(biāo)準(zhǔn)化直線段管道類型有2種，曲線段管道類型有1種（見圖 11）。

（2）基于“少節(jié)段多接頭”設(shè)計(jì)思想的25 m跨徑的小箱梁預(yù)應(yīng)力管道類型包括7種，其中標(biāo)準(zhǔn)化直線段管道類型有6種，曲線段管道類型有1種（見圖12）。30 m跨徑的小箱梁預(yù)應(yīng)力管道類型包括7種，其中標(biāo)準(zhǔn)化直線段管道類型有6種，曲線段管道類型有1種。

圖11 “多節(jié)段少接頭”型預(yù)應(yīng)力布置線形

圖12 “少節(jié)段多接頭”型預(yù)應(yīng)力布置線形

2.4 空心板梁應(yīng)用案例

16 m跨徑的空心板梁標(biāo)準(zhǔn)圖紙（連續(xù)梁，五跨一聯(lián)）原鋼束布置包括邊跨和中跨兩種預(yù)應(yīng)力線形。

（1）基于“多節(jié)段少接頭”設(shè)計(jì)思想的16 m跨徑的空心板梁預(yù)應(yīng)力管道類型包括3種，其中標(biāo)準(zhǔn)化直線段管道類型有2種，曲線段管道類型有1種（見圖 13）。

圖13 “多節(jié)段少接頭”型邊跨、中跨預(yù)應(yīng)力線形

（2）基于“少節(jié)段多接頭”設(shè)計(jì)思想的16 m跨徑的空心板梁預(yù)應(yīng)力管道類型包括5種，其中標(biāo)準(zhǔn)化直線段管道類型有4種，曲線段管道類型有1種（見圖 14）。

圖14 “少節(jié)段多接頭”型邊跨、中跨預(yù)應(yīng)力線形

3 新型管道產(chǎn)業(yè)化經(jīng)濟(jì)效益分析

在五跨一聯(lián)T梁、小箱梁和空心板中，按照以上兩種標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)思路，形成的新型預(yù)應(yīng)力管道的節(jié)段種類數(shù)、管道數(shù)量和接頭數(shù)量統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 預(yù)應(yīng)力管道方案比選

與原方案相比，鋼束線形調(diào)整后，管道拼接成形，適用于工廠化快速施工。兩種優(yōu)化方案相比，方案一雖然節(jié)段數(shù)量多、接頭多，施工速度較慢，但種類少，拼接程序單一，適用于大規(guī)模生產(chǎn)；方案二雖然節(jié)段數(shù)量少，施工速度略快，但節(jié)段類型較多，不利于大規(guī)模重復(fù)生產(chǎn)。

新型預(yù)應(yīng)力管道需要使用鋼管，根據(jù)試驗(yàn)橋中的造價(jià)進(jìn)行測算，目前材料單價(jià)較普通管道材料較高，但未來如能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化制造，費(fèi)用將大幅降低，見表3。并且這種新型預(yù)應(yīng)力管道能配合智能張拉設(shè)備，密實(shí)度測量組件能檢測預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)的壓漿質(zhì)量，也能提高各鋼絞線受力的均勻性，同時(shí)也提高了各鋼絞線的有效強(qiáng)度，從而使橋梁梁體更輕便并具有更高的承載能力[7]。

表3 新型預(yù)應(yīng)力管道和普通管道材料單價(jià)比較

索力測量組件能長期監(jiān)測管道內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋的索力，能和監(jiān)測系統(tǒng)更好地對(duì)接，便于養(yǎng)護(hù)，提高橋梁耐久性，全壽命經(jīng)濟(jì)性好。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和工業(yè)化建造能在提高預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)約施工時(shí)間和人工成本，對(duì)于實(shí)現(xiàn)橋梁施工和管理的信息化、智能化、綠色化有很好的促進(jìn)作用。

4 結(jié)語

基于工業(yè)化建造思想研發(fā)的新型預(yù)應(yīng)力管道，通過對(duì)管道材料和結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新，一方面解決預(yù)應(yīng)力管道施工過程中的堵管、定位偏差等問題；另一方面將預(yù)應(yīng)力長期性能監(jiān)測設(shè)備與管道集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)永存預(yù)應(yīng)力的長期跟蹤，為結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)判定提供依據(jù)。新型預(yù)應(yīng)力管道孔徑將比目前使用的波紋管形式大大減小，使得結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和體系成為可能。

通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的新型預(yù)應(yīng)力管道，適用于大規(guī)模生產(chǎn)和工廠化快速施工。在提高預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)約施工時(shí)間和人工成本，對(duì)于實(shí)現(xiàn)橋梁施工和管理的信息化、智能化、綠色化有很好的促進(jìn)作用。