摘要：本文结合长沙市湘府路高排涵顶进施工实践，通过框架桥涵体外索加固技术的应用，解决了框架桥涵过变坡点时拉应力集中可能造成框架体破坏的问题，拓展了框架顶进施工技术的应用发展，具有很好的推广应用价值。
关键词：体外索；预应力；框架顶进；变坡滑道
一、前言
长沙湘府路高排涵工程位于长沙市天心区湘府路与书院路路口，上游高排涵已建至书院路，下游排水箱涵位于湘江大道侧，新建箱涵主要连接上下游已建排水箱涵，使排水箱涵能贯通使用。该工程自京广铁路K1579+563处下穿京广铁路，施工总长度为179.61米。高排涵采用框架形式，埋置比较深，地下水比较高，为减少挖方量，避免地下水对工作坑的不利影响，对框架预制工作坑进行了抬高处理，抬高高度65cm，由此形成一个变坡滑道（如下图）。
一般情况下，框架顶进的滑道与框架设计坡度一致，且为同一个平面，采用变坡滑道对预制框架桥涵进行顶进施工，在框架顶进桥涵施工领域尚无先例。
二、变坡顶进原理分析
1、顶进过程模拟分析
⑴初始状态：框架已按原设计标高及坡度预制完毕，预制完毕后发现上游标高比原设计标高低，需要降低设计标高，降低高度0.65m。框架预制工作坑滑道与变更后设计框架滑道间采用斜坡顺接，顶进滑道是变坡滑道。
⑵顶进开始：框架前端处于悬空状态，在悬空段重力作用下，相当于框架体上施加了一个可变扭矩，以框架“上变坡点”为支点顺时针方向扭动趋势，以致框架体顶部及底部顶面均出现拉应力，可能导致已预制框构体的破坏。
⑶按上图顶进到两端重量相等时，即平衡临界状态时，框架体发生翻转进入斜坡道，框架体承受来自两端且大小相等、方向相反的扭矩作用，此时框架体拉应力最大，按最不利荷载控制。
2、预应力体外索钢绞线设计
⑴悬臂受力分析
当框架经由上变坡点，随着顶进进程，框架前端呈悬臂状态，悬臂长度接近1/2框架长度时，框架处于翻转临界状态，即前、后端均不承受滑板支撑力，两端均处于悬臂状态，此时框架体承受的自重荷载弯矩最大，如下图：
②受力计算
a.受力分析
框架涵采用钢筋混凝土结构，涵长L=27.1m，混凝土密度取25kN/m，框架涵截面积A= 15.881m2。框架涵在沿长度方向的荷载为：
q=25×15.881=397.03kN/m；L1=L/2=13.55m。
跨中支点处：M=1/2 qL12=397.03×13.552/2=3.65×104 kN.m；
Q=qL=397.03×27.1=10759.5 kN。
b.应力分析
在悬臂状态时，经计算分析，框架涵底面受压，最大压应力为3.08MPa；顶面受拉，最大拉应力为σ悬max=-3.08MPa。因框架涵采用C35钢筋混凝土结构，压应力满足要求；拉应力主要由上部纵向受拉区N24、N25钢筋和上部受拉区设置体外预应力加固钢束分担。
在悬臂状态下，可将受拉区和受压区进行简化分析，即考虑在框架涵截面上，上部1/2截面受拉，下部1/2截面受压，受力面积A拉=A压=A/2=15.881/2=7.9405m2.
受拉区：体外索15-ψ15.2钢绞线+1/2(N24、N25纵向受拉钢筋)；框架涵全截面范围内N24钢筋116根，N25钢筋88根，均为Φ14 HRB335钢筋。
其中：A钢绞线=140mm2，A钢筋=615mm2.钢绞线锚下控制应力1302MPa，HRB335钢筋设计抗拉强度300MPa。体外索数量设置为n1，安全系数取为1.5，A拉=7.9405m2，最大拉应力为σ悬max=-3.08MPa。
F1拉≤F钢绞线+F钢筋=n1/1.5×15×1302×106×140×10-6+1/2 ×（116+88）×300×106×615×10-6
经计算得：n1≥3.1，取最小整数4.
受压区：取决于框架涵混凝土强度等级，框架涵混凝土设计抗压强度远大于该处所承受的压应力。满足要求。
悬臂状态时，框架涵混凝土最大剪应力简化计算时：τ=Q/A=10759.5/15.881≈0.67MPa。框架涵受剪破坏主要取决于混凝土受剪性能，框架涵采用C35混凝土，设计抗剪强度为2.36MPa＞0.67MPa，故在悬臂状态下，受剪破坏满足要求。
⑵简支受力分析
在简支状态下，框架涵模型假设与上述状态相同，直接进行框架涵受力计算：
a.受力计算
框架涵采用钢筋混凝土结构，涵长L=27.1m，混凝土密度取25kN/m，框架涵截面积A= 15.881m2。框架涵在沿长度方向的荷载为：
q=25×15.881=397.03kN/m；
跨中支点处：M=1/8 qL2=397.03×27.12/8=3.65×104 kN.m；
Qa=Qb=qL/2=397.03×27.1/2=5379.8 kN。
b.应力分析
在简支状态时，经计算分析，框架涵顶面受压，最大压应力为3.68MPa；底面受拉，最大拉应力为σ简max =-3.68MPa。拉应力主要由下部纵向受拉区钢筋N24、N25和下部受拉区设置体外预应力加固钢束分担。
在简支状态下，将受拉区和受压区进行简化分析，即考虑在框架涵截面上，下部1/2截面受拉，上部1/2截面受压，A拉=A压=A/2=15.881/2= 7.9405m2.
受拉区：体外索15-ψ15.2钢绞线+1/2(N24、N25纵向受拉钢筋)；其中框架涵全截面范围内N24钢筋116根，N25钢筋88根，均为Φ14 HRB335钢筋。
其中：A钢绞线=140mm2，A钢筋=615mm2.钢绞线锚下控制应力1302MPa，HRB335钢筋设计抗拉强度300MPa。体外索数量设置为n2，安全系数取为1.5，A拉=7.9405m2，最大拉应力为σ悬max=3.68MPa。
F2拉≤F钢绞线+F钢筋=n1/1.5×15×1302×106×140×10-6+1/2 ×（116+88）×300×106×615×10-6
经计算得：n2≥5.7，取最小整数6.
受压区：取决于框架涵混凝土强度等级，框架涵混凝土设计抗压强度远大于该处所承受的压应力。满足要求。
简支状态时，框架涵混凝土最大剪应力简化计算时：
τ=Q/A=5379.8/15.881≈0.34MPa。
框架涵受剪破坏主要取决于混凝土受剪性能，框架涵采用C35混凝土，设计抗剪强度为2.36MPa＞0.34MPa，故在悬臂状态下，受剪破坏满足要求。
⑶体外索钢绞线选择
框架涵在悬臂和简支状态下，受拉区均由纵向Φ14 HRB335钢筋和体外索预应力共同承担拉应力。经以上简化计算分析：
在悬臂状态下，框架涵上部受拉，上部体外索预应力不少于4束；
在简支状态下，框架涵下部受拉，下部体外索预应力不少于6束。
考虑到框架涵整体受力性能和体外索对称性，在进行体外索加固时，在框架涵顶板和底板上各设置6束体外索15-ψ15.2钢绞线，经检算，受力条件满足要求。
三、框架桥涵预应力体外索结构设计
体外索预应力张拉结构按三部分组成：三角支撑架、预应力锚梁及预应力钢束。
1、三角支撑架：是承受锚梁重量的结构，由双拼槽钢组成，安装于在框架边墙靠近底板、顶板的上、下位置，距顶板、底板内表面一个锚梁的位置，每端所有边墙上、下各安装一个支撑架：单孔框架每端安装4个、双孔框架每端安装6个、三孔框架每端安装8个，以此类推。支撑架具体结构及几何尺寸如下图。
2、预应力锚梁由钢板拼装而成，长8.1m，高0.6m，宽0.8m，每端沿上、下顶板、底板内侧面各设一道，共四道，锚梁具体结构及几何尺寸如图。
3、根据顶进过程中最大弯矩荷载最不利应力检算，钢绞线采用15φs15.2，上、下各设6道；
四、预应力体外索安装技术
1、工艺流程
施工准备→平整并压实场地至下锚梁底标高→下锚梁贴紧框架并整平→安装下支撑架→焊联下支撑架与下锚梁→搭设脚手架→安装上支撑架→吊装上锚梁→焊联上支撑架与上锚梁→穿钢绞线→安装油顶→逐步张拉钢绞线至检算读数→顶进
2、施工技术措施
⑴将框架涵前后两端安放锚梁位置测量标识，为克服锚梁个别位置对框架涵出现应力集中的不利现象，应对框架涵锚梁安放位置的受力平面精确找平，采用打磨或同等强度填充物填充的方法使框架涵两端锚梁受力面与锚梁接触良好充分。此装备工作必须精确完成，是保证框架涵在顶进过程中不被应力集中破坏的前提条件。
⑵锚梁位置确定并精确找平后，根据设计位置将托放锚梁的支架安装好，支架采用型钢焊接组成，要求支架焊接牢固可靠。预制框架涵上安装支架采用在墙体中心处钻孔，利用锚杆及螺栓将支架固定在框架涵前后墙体预设位置。
⑶锚梁共四套，采用20mm厚钢板焊接组装，要求锚梁钢板平顺不变形，特别是与框架涵接触的这一面必须平整，无凹凸现象，锚梁中安放锚具位置设置加固件，加固件四方体必须平整且与锚梁焊接牢靠。
⑷锚梁安装及固定：安装锚梁前，在框架涵前后搭设作业平台，保证安装锚梁时的精确度与施工安全。每组锚梁重约6.6吨，为保证安装平稳密贴与施工安全，采用汽车吊将锚梁吊运至作业平台上，此时汽车吊钢丝绳仍完全受力配合安装，再人工配合小型油顶设备将锚梁按照设计就位位置安装就位，保证锚梁与框架涵受力面密贴。锚梁下用垫木垫平后吊车钢丝绳解除。
⑸穿钢绞线：锚梁全部安装就位后，人工逐根束插钢绞线，要求钢绞线之间相互平行不打结，保证各束钢绞线受力均衡而不互相破坏。为保证张拉时及顶进时钢绞线突然断裂回弹伤及施工人员或机具设备，在每组钢绞线穿插完成后，每隔3-5m用小钢丝绳环套住钢绞线。
⑹为消除不均匀荷载对框架体结构的不良影响，防止钢绞线崩丝，所有预应力钢束均与框架涵平行布置，框架涵内所有钢束张拉、放张及涵洞顶进过程中用8号铁丝缠绕。
⑺钢束张拉及放张过程中，锚具前方不得有任何人员，张拉后应及时安装防护罩，并与锚梁连接牢固。
⑻框架涵顶进过程中，应根据施工进度随时调整预应力张拉读数，确保框架涵在不同不利状态下的应力平衡。
⑼锚梁加工制造按《铁路钢桥制造规范 》TB10212-2009控制，其中：N6与N5表面密贴后用角焊缝围焊，N4用双面角焊缝围焊，焊高均10mm；其余所有焊缝均采用坡口焊接，严格控制焊接变形，尤其是与N3的连接焊缝按一级焊缝控制。
⑽所有刚构件尤其是N1、N2与N5要磨光顶紧，确保锚梁尺寸符合设计要求；所有圆孔表面刨光，避免张拉过程中损伤钢绞线。
⑾Φ160圆孔略大于钢束外轮廓，Φ200圆形凹槽与圆塔形锚具吻合，锚具嵌入切出深度3mm的凹槽内，锚梁加工前应与现场锚具核对确认。
⑿安装支撑架垫板：垫板采用20mm钢板，水平杆垫板220*20*96，斜杆垫板220*20*200，采用M20螺母拧紧固定。
⒀组焊双拼槽钢：水平杆、斜杆及垫板间采用焊接，下支撑架采用人工直接安装，上支撑架采用脚手架搭设平台，直接搭设，具体安装步骤：先调平安装水平杆件，采用点焊加固后，再安装斜杆，采用点焊初步加固后，再全面焊接成型；
⒁调整锚梁的平面位置，使锚梁外侧劲板与下支撑架水平杆相对，同时按设计调整预应力管道的位置及锚梁水平标高。将锚梁外侧劲板与下支撑架水平杆进行焊联，焊接面积不少于10cm2。
⒂锚具安装在预留的PVC管道内，采用人工将钢绞线穿过锚具予以固定，纵向预应力钢束采用标准强度f ＝1860MPa，S均采用15~15.2钢绞线。
⒃采用2台200t穿心式油顶进行张拉，钢束张拉顺序：B1→T1→B3→T3→B2→T2。钢束伸长量172mm，仅计算至锚下,未计入10%初始张拉力产生的伸长量，实测延伸量与计算延伸量允许-6%~+6%的误差。
五、结束语
该论文依托长沙市湘府路高排涵顶进施工实践，通过框架桥涵体外索加固技术的应用，解决了框架桥涵过变坡点时拉应力集中可能造成框架体破坏的问题，推动了框架顶进施工技术的发展，具有如下的推广应用价值：
1、当框架埋置较深时，应用该成果，可以提高框架预制工作坑的标高，以减少工作坑征地面积和房屋拆迁工作量，可以有效加快施工进度和节约征地拆迁成本；
2、当框架处地下水位较高时，为了减少地下水对框架预制工作坑的影响，也可以考虑通过抬高工作坑标高，在框架预制好后，再采用变坡滑道按设计平面位置顶进到位；
3、对于不具备顶进施工条件的地段，可以考虑采用预制场分节预制、现场按设计拼装就位，在预制框架运输转场过程中，可以应用该成果的框架体外索预应力加固技术进行装车运输，为预制、拼装技术在框架施工领域的应用奠定了基础。
论文作者:尹育文
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/14
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