美国标准预制箱梁安装湿接缝钢筋连接方法

美国标准预制箱梁安装湿接缝钢筋连接方法

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前言：英美规范中钢筋接头焊接必须检测焊接接头耐久性与焊接接头探伤试验，检测仪器价格真正解决了3D打印客户久长以来的困扰昂贵，焊接工艺复杂，在非洲国家钢筋接头严禁焊接。推行先简支后连续预制预应力箱梁的湿接缝空间小，钢筋接头不允许焊接，钢筋接头普通搭接绑扎不能满足搭接长度的要求。本文通过分析美国公路合作研究组织以及波特兰水泥协会的研究结果，解决了先简支后连续预制预应力箱梁湿接缝处空间不足时钢筋连接的难题。

随着中国规范在埃塞俄比亚AA高速公路项目上的成功应用，先简支后连续箱梁桥的形式已经被埃塞国家公路局所接受，AA连接线项目的设计继续使用这种形式。但在之后的当地现汇项目中，没有使用中国规范，而是使用埃塞当地规范。因埃塞规范基本沿袭的是美国AASHTO规范，在埃塞国家结构设计中多出的钢筋数量可以单独计量，严禁钢筋焊接，桥梁等结构物工程的钢筋接头一般都禁止焊接，只能用绑扎搭接接头的形式，这样简支梁变为连续梁时梁端接头就遇到了难以解决的困难。湿接缝的空间有限，原来用焊接工艺能正常解决的问题，变为绑扎连接后，无法满足规范所需的搭接长度。

为解决这个难题，本文对先简支后连续的连续箱梁的结构特点和受力形式进行了分析研究，结合美国公路合作研究组织以及波特兰水泥协会的研究结果，综合分析后给出了具体的解决方法。

1 先简支后连续结构的特点

（1）先简支后连续结构由预制梁板和位于墩顶的现浇段共同组成，先预制安装梁板，后现浇墩顶纵向湿接缝。

（2）先简支后连续结构在施工中，先完成墩顶现浇段的浇筑和张拉，再进行双排临时支座（简支）变为单排永久支座（连续）的体系转换过程。

（3）先简支后连续结构在体系转换之后，在恒载和活载作用下，结构的受力模式均为连续梁的特征。

这种结构施工简便，成本低，在世界范围得到了广泛应用。

2 先简支后连续梁结构的简化

受力分析

假设简支连续梁弯矩及剪力均由集度为q 的均布荷载产生，在体系转换之前，最大弯矩出现在梁的跨中，最大剪力集中在梁端临时支座处。在完成现浇连续段的钢筋混凝土施工且体系转换后，梁的最大弯矩转移到连接两梁的现浇段即墩顶湿接缝处，且正弯矩变为负弯矩，同时现浇段的剪力比简支梁梁端所受的剪力还要大。

由此可见，现浇连续段承受着最大弯矩和最大进行金属工具的毛坯件的毛坯各种聊、冲孔、成型等铸造加工的工种剪力，为先简支后连续结构的危险截面，因此现浇段湿接缝的施工是先简支后连续桥梁结构施工中最为关键的一道工序。

预制梁板底部预埋1排粗钢筋，伸出来的作为搭接部分。纵向两梁的预埋搭接钢筋连接在一起，主要起抗剪作用，为底部受剪钢筋，位于现浇连续段的受压区。同时，在梁顶桥面铺装层中也布置有1排粗钢筋，同样起抗剪作用，位于现浇连续段的受拉区，其抗拉效果被顶部预应力钢束所取代。

梁板顶板中设置抗负弯矩的预应力筋，锚头设在梁板顶面的桥面铺装层内。在梁板预制中为保证预应力束两端上覆厚度，防止预应力束径向分力上爆影响，一般在梁板顶板设置预留开口比梁板顶高出混凝土铺装层厚度的齿板块，即锚块。纵向两梁的预应力束穿过现浇段连接成一个整体，共同承受负弯矩。

3现浇连续段钢筋的连接方式

3.1 搭接长度的确定

按《AASHTO LRFD Bridge DesignSpecifications》（2007版）的规定，受拉钢筋搭接的基本增强长度

按连接部位一般设计的混凝土强度45MPa、钢筋直径32mm以及最小级别钢筋的屈服强度420MPa计算，上式的结果为1007mm，则受拉增强长度为

ld = 1.2 ldb = 1208.4mm

按规范5.11.5.3.1条的规定，B级搭接的受拉钢筋的改正系数为1.3，其搭接长度为1.3，即1571mm。

按国内《公路桥涵施工技术规范》，对于C25M P a以上等级的混凝土、HRB400钢筋，受拉钢筋的搭接长度为45d ，直径32mm钢筋的搭接长度为1440mm。

因现浇连续结构纵向长度（两梁端间的间隙）有限，一般只有50〜80cm，按国内的桥涵施工规范，钢筋直径大于12mm时采用焊接工艺，小于12mm时采用绑扎接头。无论是哪种方式，国内规范对于装配式构件连接处受力钢筋的接头不受接头数量的限制，即焊接接头无需将接头错开，这样对焊接接头来说空间足够，自然没有问题。但按AASHTO规范，对于非可焊钢筋，只能使用绑扎接头的方式，按上面的计算结果，50〜80cm的空间远远达不到绑扎接头的长度要求。对于可焊钢筋，按规范5.11.5.3.2条的规定，机械连接或焊接连接的接头间须错开至少600mm，连接部位的空间依然不够，所以按埃塞规范或AASHTO规范，梁端连续就成为难以解决的设计与施工问题。

3.2 美国简支预制混凝土连续梁连接的研究

3.2.1 美国波特兰水泥协会的研究

20世纪60年代以来，随着简支预制预应力混凝土梁通过现浇桥面板和横隔板连续起来构成连续桥梁的形式在美国广泛应用，美国波特兰水泥协会针对梁端连接的连续结构进行了系列试验和专门的研究。

波特兰水泥协会研究了各种梁端钢筋或钢绞线的连接方法，其中典型的钢筋连接方式如图1所示。

研究显示，当弯钩绑扎连接不满足最大强度、挠度和裂缝控制时，焊接连接的方式在与时间有关的效应引起的正弯矩下效果很好。但是如果弯钩的内径不小于钢筋直径，且从预制梁的终端面到弯钩的内表面至少等于12倍钢筋直径时，弯曲的钢筋能发展其屈服强度。

对于这种钢筋连接方式，波特兰水泥协会认为能提高结构的完整性和提供超静定性。波特兰水泥协会研究了4种梁端连接的方法：

（1）一般钢筋搭接连接的做法，如图1所示；

（2）全长范围内后张拉，需要预留孔道；

（3）使用螺纹杆连接；

（4）预应力束联接。

4即每9000 米的纤维、纱线或其他纺织线的质量（g）种连接的方法相比较，螺杆连接是最经济的，其次就是图1所示的钢筋搭接的连接方式，也是美国各州实际流行的做法。

3.2.2 美国公路合作研究组织519报告

美国公路合作研究组织于21世纪初对墩顶上梁之间用现浇连接来使简支预制梁桥实现连续的结果进行了大量研究。针对梁端的连接情况，研究了6种正弯矩连接的详细情况：

（1）延长钢绞线；

（2）延长钢筋；

（3）延长预埋在梁端的钢绞线到横隔梁中15.24cm，然后弯曲向上；

（4）延长预埋在梁端的钢筋到横隔梁中15.24cm，然后弯曲向上；

（5）延长预埋在梁端的钢筋到横隔梁中15.24cm后弯曲向上，并在横隔梁中增加箍筋；

（6）以及延长预埋在梁端的钢筋到横隔梁中15.24cm后弯曲向上，且通过梁的腹板放置水平筋。

从图2可以看出，不论何种连接，都是因为梁端连接部分的空间有限，钢筋和钢绞线的搭接均采用了向上弯曲的形式，以保证搭接长度。

对于梁的翼板间湿接缝的连接，因受空间不足的限制，搭接也是采用部分延长后向上弯曲的形式，如图3所示。

4 综合分析

对于在梁板内提供负弯矩钢筋和在横隔梁底部提供正弯矩钢筋的形式，美国27个州中有25个州都在使用。在中国更是早已经成为普遍的形式，只不过国内梁端连接的方式基本都是焊接。

从这种梁端连续结构的受力特点来看，在完成体系转换后，连续梁的最大弯矩在墩顶梁端连续结构部位，为负弯矩，由顶部的预应力体系提供。在上部梁板施加预应力后，连续结构体受力截面的中性轴上移，底部受压，上部受拉。梁端连接的钢筋主要承受剪力，其受拉或受压的力学要求变为次要因素。

研究认为，一旦梁被连接之后，连续结构可能会因为活载作用、混凝土的徐变、收缩和温度的影响向上拱起，引起连续体结构产生正弯矩，但这种正弯矩的影响较小，虽然会在连续体与梁端连接处产生裂缝，但在规范允许的范围之内。梁端的连接钢筋依然主要承受剪力作用。

5 结束语

从以上分析可以看出，当梁端连接钢筋采用绑扎搭接的方式时，在梁端之间空间不足的情况下，因为如果弯钩的内径不小于钢筋直径，且从预制梁的终端面到弯钩的内表面至少等于12倍钢筋直径时，弯曲的钢筋能发展其屈服强度，所以将梁端连接钢筋搭接延长12.5倍钢筋直径后向上弯起，在满足规范要求的搭接长度的前提下绑扎安装固定，就可以解决梁端之间空间不足的难题，同时可以满足连续体的力学性能和规范的要求。

作者：中交第一公路工程局集团有限公司海外事业部 费建文，张晓振