許 琪，石雪飛，葉建龍

（1.同濟大學橋梁工程系，上海市 200092；2.浙江省交通規(guī)劃設計研究院，浙江 杭州 310006）

0 引言

預應力管道是體內(nèi)預應力實現(xiàn)的基本構(gòu)件，目前普遍應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。在設計中，管道管徑使得腹板厚度大大超過其抗力計算所用，并且造成梁體自重過大，影響結(jié)構(gòu)施工，浪費材料。在施工中，管道剛度不足導致預應力線形易偏、接頭處堵孔和壓漿不密實等問題。在運營中，也存在管道腐蝕和預應力損失大的問題[1-3]。

近年來，標準化設計和工業(yè)化建造成為橋梁工程建設的發(fā)展趨勢，交通運輸部在2016年連續(xù)發(fā)布了《關于實施綠色公路建設的指導意見》，以及交通運輸節(jié)能環(huán)?！笆濉卑l(fā)展規(guī)劃、交通運輸標準化“十三五”發(fā)展規(guī)劃，對進一步發(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。特別是對主要構(gòu)件的模塊化、標準化、工廠化、工業(yè)化提出了更多、更高的要求。實現(xiàn)公路橋梁建造的標準化設計、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的重要標準[2]。

從工業(yè)化建造的要求出發(fā)，本文研究了一種新型預應力管道。通過對管道材料和結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新，一方面解決預應力管道施工過程中的堵管、定位偏差等問題；另一方面將預應力長期性能監(jiān)測設備與管道集成，實現(xiàn)對永存預應力的長期跟蹤，為結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)判定提供依據(jù)。新型預應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。

為了實現(xiàn)預應力管道的標準化設計、分段組拼，保證預應力筋的傳束，實現(xiàn)預應力索力的長期監(jiān)測和壓漿質(zhì)量的檢測，新型智能預應力管道包括錨頭組件、標準管道組件、連接接頭組件、索力測量組件和密實度測量組件五個部分。在完成了結(jié)構(gòu)標準化設計之后，研究了這種新型預應力管道在T梁、板梁、小箱梁等中小跨徑橋梁上的應用。

1 標準化管道體系設計理念

1.1 設計要求

在簡支變連續(xù)T梁、小箱梁、空心板梁和變截面連續(xù)梁的標準圖紙的基礎上，為了實現(xiàn)新型智能預應力管道標準化設計和工業(yè)化生產(chǎn)的要求，需要對預應力線形和布置形式進行相應的優(yōu)化。優(yōu)化原則如下：

（1）簡化線形設計。將結(jié)構(gòu)的預應力線形進行優(yōu)化，組成直線+曲線段的標準化線形，統(tǒng)一不同鋼束的曲線段樣式，實現(xiàn)預應力管道的標準化設計。

（2）管道模數(shù)化設計。直線段管道的長度應該按照一定模數(shù)設計，以整米級或半米級為模數(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，設計時需要在節(jié)段類型數(shù)量和接頭數(shù)量中尋找平衡點，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 設計思路

為了實現(xiàn)新型智能預應力管道的標準化設計和工業(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上，需要將一般的預應力線形進行優(yōu)化調(diào)整，之后進行節(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。

為了達到上述目的，有以下兩種標準化設計思路：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”的設計思想是指盡量減少標準化管道的類型數(shù)量。由于預應力筋線形比較復雜，為了達到上述目的，標準化管道的長度一般設計得比較小，這樣連接接頭的數(shù)量會相應增多。

（2）“少節(jié)段多接頭”的設計思想是指盡量減少連接接頭組件數(shù)量。由于預應力筋線形比較復雜，為了達到上述目的，標準管道類型數(shù)量會相應增多。

1.3 設計過程

現(xiàn)有的中小跨徑預應力混凝土梁橋的標準圖中，預應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。要進行新型預應力管道的標準化設計，首先要將標準圖集中的鋼束線形進行標準化調(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，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)與通用圖設計保持一致，以保證結(jié)構(gòu)安全性能滿足要求，如圖1～圖3所示。

圖1 小箱梁中跨原本預應力線形

圖2 “多節(jié)段少接頭”類型中跨預應力線形

圖3 “少節(jié)段多接頭”類型中跨預應力線形

然后在新的預應力線形下，對結(jié)構(gòu)安全性能進行復核，根據(jù)規(guī)范要求，對結(jié)構(gòu)的承載能力和抗裂能力進行驗算。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”這兩種設計思路分段，并對兩種設計結(jié)果的施工效率、經(jīng)濟成本等指標進行對比，如圖4、圖5所示。

圖4 正截面抗彎強度

圖5 長期效應組合下正應力圖

2 標準化管道體系設計的產(chǎn)品系列

2.1 產(chǎn)品系列

新型智能預應力管道包括錨頭組件、標準管道組件、連接接頭組件、索力測量組件和密實度測量組件五個部分，如圖6所示。

圖6 新型預應力管道的組成

2.1.1 錨頭組件

錨頭組件采用一般的預應力錨固系統(tǒng)，設置在兩端，用來錨固預應力筋。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 標準管道組件

標準管道組件為預制鋼管道，用于預應力鋼束的穿行，在工廠預制后，在現(xiàn)場根據(jù)預應力線形進行組拼。為了實現(xiàn)新型預應力管道的標準化設計，標準管道組件分為若干整米或者整半米的標準化直線段和若干不同曲率半徑、不同弧度的標準化曲線段，比如2 m、2.5 m、3 m等長度的直線段，曲率為45.5 m、轉(zhuǎn)動角度為5°的曲線段。標準管道組件應根據(jù)實際鋼絞線根數(shù)和優(yōu)化調(diào)整后的預應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準管道組件，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)預應力管道的內(nèi)外徑而定。連接接頭組件與標準管道組件之間通過螺紋、機械連接、膠合等方式連接。

2.1.4 索力測量組件

在一根預應力管道上設置有一個索力測量組件，基于磁通量的原理，長期監(jiān)測管道內(nèi)預應力筋的索力。索力測量組件設置在管道中點位置。索力測量組件由預應力管道、激勵線圈、感應線圈、溫度補充傳感器、磁通量保護殼等部件組成。在測量時通過外部驅(qū)動電路產(chǎn)生脈沖電流，電流通過包裹在管道外部的勵磁線圈產(chǎn)生磁場，鐵磁材料的磁通量特性取決于其內(nèi)部的應力狀態(tài)，當預應力鋼束的應力發(fā)生變化時磁通量特性也會發(fā)生變化，通過測量線圈和外部信號處理設備即可得到索力大小[5]。

2.1.5 密實度測量組件

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

表1 標準管道組件產(chǎn)品系列表

2.2 T梁應用案例

T梁通用圖中原鋼束分為正彎矩鋼束和跨間負彎矩鋼束，將鋼束線形標準化后，即可按照兩種方案進行預應力管道的標準化設計。

（1）基于“多節(jié)段少接頭”設計思想的25 m、30 m跨徑的T梁預應力管道類型包括3種，有1種標準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”型單跨預應力管道布置

圖8 “多節(jié)段少接頭”型跨間預應力管道布置

（2）基于“少節(jié)段多接頭”設計思想的25 m跨徑的T梁預應力管道類型包括9種，其中標準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梁預應力管道類型包括8種，其中標準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”型單跨預應力管道布置

圖10 “少節(jié)段多接頭”型跨間預應力管道布置

2.3 小箱梁應用案例

交通部公布的25 m和30 m跨徑的小箱梁標準圖紙（連續(xù)梁，五跨一聯(lián)）中預應力鋼束布置分為中跨、邊跨和負彎矩區(qū)三種預應力線形。

（1）基于“多節(jié)段少接頭”設計思想的25 m、30 m跨徑的小箱梁預應力管道類型包括3種，其中標準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”設計思想的25 m跨徑的小箱梁預應力管道類型包括7種，其中標準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跨徑的小箱梁預應力管道類型包括7種，其中標準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”型預應力布置線形

圖12 “少節(jié)段多接頭”型預應力布置線形

2.4 空心板梁應用案例

16 m跨徑的空心板梁標準圖紙（連續(xù)梁，五跨一聯(lián)）原鋼束布置包括邊跨和中跨兩種預應力線形。

（1）基于“多節(jié)段少接頭”設計思想的16 m跨徑的空心板梁預應力管道類型包括3種，其中標準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、中跨預應力線形

（2）基于“少節(jié)段多接頭”設計思想的16 m跨徑的空心板梁預應力管道類型包括5種，其中標準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、中跨預應力線形

3 新型管道產(chǎn)業(yè)化經(jīng)濟效益分析

在五跨一聯(lián)T梁、小箱梁和空心板中，按照以上兩種標準化設計思路，形成的新型預應力管道的節(jié)段種類數(shù)、管道數(shù)量和接頭數(shù)量統(tǒng)計見表2。

表2 預應力管道方案比選

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)模重復生產(chǎn)。

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

表3 新型預應力管道和普通管道材料單價比較

索力測量組件能長期監(jiān)測管道內(nèi)預應力筋的索力，能和監(jiān)測系統(tǒng)更好地對接，便于養(yǎng)護，提高橋梁耐久性，全壽命經(jīng)濟性好。標準化設計和工業(yè)化建造能在提高預應力施工質(zhì)量的同時，節(jié)約施工時間和人工成本，對于實現(xiàn)橋梁施工和管理的信息化、智能化、綠色化有很好的促進作用。

4 結(jié)語

基于工業(yè)化建造思想研發(fā)的新型預應力管道，通過對管道材料和結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新，一方面解決預應力管道施工過程中的堵管、定位偏差等問題；另一方面將預應力長期性能監(jiān)測設備與管道集成，實現(xiàn)對永存預應力的長期跟蹤，為結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)判定提供依據(jù)。新型預應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。

通過標準化設計的新型預應力管道，適用于大規(guī)模生產(chǎn)和工廠化快速施工。在提高預應力施工質(zhì)量的同時，節(jié)約施工時間和人工成本，對于實現(xiàn)橋梁施工和管理的信息化、智能化、綠色化有很好的促進作用。