公路橋梁工程中預(yù)應(yīng)力體外索施工關(guān)鍵技術(shù)

王本慶

(中鐵十五局集團(tuán)有限公司,河南洛陽(yáng) 471000)

1 體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)

作為后張預(yù)應(yīng)力混凝土的一個(gè)重要分支的體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),是指預(yù)應(yīng)力筋位于梁體截面外并通過(guò)錨具及轉(zhuǎn)向塊對(duì)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的一種結(jié)構(gòu)體系。與傳統(tǒng)的將預(yù)應(yīng)力筋布置于混凝土截面內(nèi)的后張無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)相比,體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)有[1]:

(1)無(wú)需在混凝土內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力管道,可使腹板厚度減薄從而減輕結(jié)構(gòu)自重,并且梁體混凝土灌注無(wú)管道阻礙,混凝土澆筑質(zhì)量易保證,從而可提高結(jié)構(gòu)的耐久性;

(2)可方便地檢測(cè)預(yù)應(yīng)力體外索的應(yīng)力狀態(tài)和防護(hù)效果,并且可進(jìn)行體外索二次更換;

(3)無(wú)制孔、壓漿等工序,結(jié)合逐跨施工法及懸臂施工法,施工速度快,綜合效益好;

(4)簡(jiǎn)化了曲線(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋,預(yù)應(yīng)力體外索與梁體接觸更少,預(yù)應(yīng)力傳輸更為簡(jiǎn)單,并且減少了摩阻損失;

(5)體外預(yù)應(yīng)力索用于既有橋梁加固,可明顯地提高結(jié)構(gòu)的承載能力和改善結(jié)構(gòu)的受力性能,并且施工時(shí)對(duì)交通干擾較小,施工快捷,工期短。

正是由于體外預(yù)應(yīng)力具有的上述諸多優(yōu)點(diǎn),國(guó)際結(jié)構(gòu)混凝土協(xié)會(huì)前主席、著名橋梁工程師 Virlogeux在《預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的新趨勢(shì)》一文中指出[2]:“預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁發(fā)展的一個(gè)主要趨勢(shì)是逐漸增加采用體外預(yù)應(yīng)力?！鳖A(yù)應(yīng)力體外索在橋梁工程中的運(yùn)用主要分為兩大類(lèi)別,一是預(yù)應(yīng)力體外索在新建橋梁中應(yīng)用,另外就是預(yù)應(yīng)力體外索對(duì)既有橋梁的加固。近幾十年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)體外預(yù)應(yīng)力體系做了詳細(xì)的研究,并研究出一套較為實(shí)用的預(yù)應(yīng)力體外索施工工藝,本文將重點(diǎn)介紹橋梁工程中預(yù)應(yīng)力體外索的施工技術(shù),體外索二次更換技術(shù)以及體外索的防護(hù)技術(shù)等體外預(yù)應(yīng)力關(guān)鍵技術(shù)。

2 預(yù)應(yīng)力體外索施工技術(shù)

2.1 施工工藝流程

預(yù)應(yīng)力體外索采用的防護(hù)系統(tǒng)不同,其具體施工流程略有差異。下面以最常見(jiàn)的采用套管注環(huán)氧樹(shù)脂漿防護(hù)法的預(yù)應(yīng)力體外索施工為例,其具體工藝流程為:

施工機(jī)具準(zhǔn)備※轉(zhuǎn)向器安裝※橡膠封堵固定轉(zhuǎn)向器※轉(zhuǎn)向器與外套管間灌漿※預(yù)應(yīng)力體外索穿索※張拉預(yù)應(yīng)力體外索※索體與轉(zhuǎn)向器間填充橡膠※錨頭區(qū)預(yù)埋管內(nèi)注環(huán)氧樹(shù)脂漿※防松裝置安裝※防腐裝置安裝。

2.2 轉(zhuǎn)向裝置施工

體外預(yù)應(yīng)力索的轉(zhuǎn)向裝置是一種特殊構(gòu)件,除錨固構(gòu)件外,轉(zhuǎn)向塊是體外預(yù)應(yīng)力索在跨內(nèi)唯一與梁體有聯(lián)系的構(gòu)件,承擔(dān)著體外索的轉(zhuǎn)向任務(wù),是體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中最重要、最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)構(gòu)造之一。轉(zhuǎn)向裝置設(shè)在箱梁里面,有橫隔板式、肋板式、轉(zhuǎn)向塊式 3種形式[3]。以最常采用的轉(zhuǎn)向塊式轉(zhuǎn)向裝置為例,轉(zhuǎn)向塊布置在箱梁腹板和底板相交的位置,通過(guò)特別設(shè)計(jì)的鋼筋與箱梁頂板、底板連成整體。張拉體外索時(shí),轉(zhuǎn)向塊與腹板和底板相連的部分會(huì)產(chǎn)生較大的剪力和應(yīng)力集中,局部應(yīng)力比較大,因此轉(zhuǎn)向塊的施工質(zhì)量須引起高度重視。

對(duì)于節(jié)段梁采用在預(yù)制場(chǎng)預(yù)制后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)拼裝的情況,轉(zhuǎn)向塊預(yù)制質(zhì)量控制較容易。預(yù)制時(shí)通過(guò)特制的鍍鋅無(wú)縫鋼管轉(zhuǎn)向器(偏位管)預(yù)留成型孔,預(yù)埋轉(zhuǎn)向器安裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙位置,清理轉(zhuǎn)向器與外套管之間的雜物,處理完畢后,制作適宜的橡膠條,并用橡膠條把轉(zhuǎn)向器和外套管之間的兩端空隙塞滿(mǎn),同時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向器位置,確保其與設(shè)計(jì)曲線(xiàn)位置相符,再向轉(zhuǎn)向器與外套管之間灌漿。灌漿時(shí)水泥漿應(yīng)從最低點(diǎn)的壓漿孔壓入,由最高點(diǎn)的排氣孔排氣和余漿冒出。壓漿要緩慢均勻地進(jìn)行,不得中斷。壓漿后要從檢查孔抽查壓漿的密實(shí)情況,如不密實(shí),應(yīng)及時(shí)處理和糾正。

2.3 預(yù)應(yīng)力體外索穿束

將成品索卷運(yùn)抵工地指定位置的簡(jiǎn)易放束支架上。再將成品索束的牽引頭和卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩通過(guò)穿束器相連,用慢速卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械穿束。為了防止成品索束扭轉(zhuǎn)、纏絞,穿束器和卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩相接處應(yīng)能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于箱型梁布置預(yù)應(yīng)力體外索時(shí),可以利用箱梁內(nèi)安放的慢速卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行拽拉就位。為防止成品索束外包裝纖維帶磨損,刮傷鋼絞線(xiàn)環(huán)氧涂層,同時(shí)減少摩擦力,在成品索束轉(zhuǎn)彎、通過(guò)轉(zhuǎn)向器和橫隔板等處加設(shè)尼綸輪進(jìn)行導(dǎo)向。要求導(dǎo)向尼綸輪的間距不大于 20m,同時(shí)在地面鋪墊一定厚度的軟墊層,每隔一定距離設(shè)置支撐架,打磨轉(zhuǎn)向關(guān)口以防體外索的PE層被刮傷。穿越支架、轉(zhuǎn)向器和鋼管等鐵件時(shí),應(yīng)在鐵件處墊設(shè)橡膠板防護(hù)。

安裝成品索束時(shí)要采取有效措施防止硬物刮傷鋼絞線(xiàn)表面的環(huán)氧涂層。成品索束拽拉到位后進(jìn)行清絲梳理,防止產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、纏絞和彎折現(xiàn)象。檢查轉(zhuǎn)向器、橫隔板穿越鋼管及轉(zhuǎn)向支架、減振支架是否有滑動(dòng)、移位和變形發(fā)生。穿束前檢查各個(gè)轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向支架、減振支架是否安裝牢固、可靠。及時(shí)檢查牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)的機(jī)械性能和鋼絲繩的完好情況。避免使用電弧或氧割等傷及成品索束。注意區(qū)分成品索束的張拉端和錨固端,錨墊板外預(yù)留成品索束長(zhǎng)度有所不同。

2.4 預(yù)應(yīng)力體外索張拉及錨固

預(yù)應(yīng)力體外索張拉之前應(yīng)做好準(zhǔn)備工作,主要包括:千斤頂校驗(yàn)和確定與拉力相對(duì)應(yīng)的油壓讀數(shù)、測(cè)定體外索與轉(zhuǎn)向裝置以及錨固段的摩阻力系數(shù)、計(jì)算體外索理論伸長(zhǎng)值。千斤頂校驗(yàn)和確定與拉力相對(duì)應(yīng)的油壓讀數(shù)時(shí)可采用內(nèi)插法計(jì)算出對(duì)應(yīng)施工圖紙所給定的張拉總值的相應(yīng)油壓讀數(shù)。內(nèi)插法是在檢測(cè)試驗(yàn)表曲線(xiàn)上取得相應(yīng)張拉噸位相鄰兩點(diǎn)作為依據(jù),也可以用比例法,即選擇張拉噸位最近的一點(diǎn)用比例關(guān)系直接計(jì)算得出。若預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向裝置和錨固器均采用的是預(yù)制構(gòu)件,則體外索與之的摩阻力系數(shù)可以直接利用預(yù)制廠家提供的摩阻力系數(shù);對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)澆筑的預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向裝置,應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定試驗(yàn)來(lái)準(zhǔn)確確定摩阻力系數(shù)。

體外索的張拉應(yīng)力要符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)施工中體外索需要超張拉或計(jì)入錨圈口預(yù)應(yīng)力損失時(shí),可比設(shè)計(jì)要求提高5%,但不得超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)定的最大張拉控制應(yīng)力,體外索的張拉應(yīng)力要符合設(shè)計(jì)要求。因此必須計(jì)算體外索的理論伸長(zhǎng)值方可控制張拉。體外索的理論伸長(zhǎng)值可根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)提供的方法計(jì)算,但在精度要求不高的情況下,可直接根據(jù)規(guī)范按下式計(jì)算:

式中:Pp為體外索的平均張拉力,Ap為體外索的截面面積,Ep為體外索的彈性模量,θ為體外索與轉(zhuǎn)向裝置和錨固端的摩阻力系數(shù)。

上述張拉前準(zhǔn)備工作做完后,即可進(jìn)行張拉。

(1)安裝錨環(huán)和夾片。注意夾片安裝必須平齊,安裝錨環(huán)時(shí)不得因敲打等原因造成錨環(huán)外圓或錨孔的局部損傷。錨環(huán)安裝時(shí),錨環(huán)的定位凸臺(tái)應(yīng)進(jìn)入錨座孔內(nèi)。

(2)千斤頂定位。千斤頂采用手拉葫蘆固定在HDPE管臨時(shí)支撐上,安裝時(shí)應(yīng)注意工具錨與工作錨環(huán)對(duì)正,鋼絞線(xiàn)在千斤頂內(nèi)不得打結(jié),工具夾片安裝平齊,千斤頂安裝應(yīng)到位,直接頂住錨環(huán)。

(3)張拉。本橋采用單端張拉法。共有 6個(gè)張拉行程,張拉程序?yàn)?初始狀態(tài)※設(shè)計(jì)應(yīng)力的 15%※設(shè)計(jì)應(yīng)力的30%※設(shè)計(jì)應(yīng)力的 45%※設(shè)計(jì)應(yīng)力的 60%※設(shè)計(jì)應(yīng)力的75%※設(shè)計(jì)應(yīng)力的 100%※持荷2m in,每個(gè)行程都必須記錄千斤頂壓力及活塞外露量,計(jì)算延伸量并與設(shè)計(jì)值做比較。

(4)夾片自動(dòng)錨固。當(dāng)千斤頂行程已滿(mǎn)或達(dá)到所需張拉力,給千斤頂回油,把所有鋼絞線(xiàn)整齊地錨固在錨具內(nèi);千斤頂?shù)幕钊祷卦?若仍需張拉,推緊自動(dòng)工具錨,繼續(xù)張拉,直至達(dá)到所需的張拉力為止。

3 預(yù)應(yīng)力體外索更換技術(shù)

體外預(yù)應(yīng)力梁橋也會(huì)受到徐變、收縮和力筋松弛等因素的影響,隨著時(shí)間增長(zhǎng),結(jié)構(gòu)不斷劣化。此外,預(yù)應(yīng)力體外索因長(zhǎng)期暴露在空氣中易受損壞。因此,在橋梁設(shè)計(jì)時(shí),就應(yīng)當(dāng)充分考慮后期可能進(jìn)行的補(bǔ)張、修復(fù)或更換,以提高結(jié)構(gòu)使用性能,延長(zhǎng)其使用壽命。無(wú)論是預(yù)應(yīng)力體外索的重新張拉還是更換,在施工前都要對(duì)原預(yù)應(yīng)力體外索進(jìn)行檢查,并進(jìn)行詳盡工程分析和設(shè)計(jì)。預(yù)應(yīng)力體外索再?gòu)埨梢酝ㄟ^(guò)千斤頂張拉來(lái)實(shí)現(xiàn),也可用機(jī)械的方法,如調(diào)整可調(diào)式螺栓和螺旋楔塊實(shí)現(xiàn),此時(shí)應(yīng)力值可通過(guò)力筋伸長(zhǎng)量推算求得,也可在預(yù)應(yīng)力筋上安裝應(yīng)力或應(yīng)變測(cè)量?jī)x器測(cè)讀應(yīng)力值。再?gòu)埨瓡r(shí)應(yīng)避免應(yīng)力值過(guò)大導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生過(guò)大的反彎度。

預(yù)應(yīng)力體外索的更換可通過(guò)以下步驟完成[4]。

(1)為了保證結(jié)構(gòu)在更換索時(shí)的安全,通常在進(jìn)行修復(fù)操作以前,在梁或板處設(shè)置支撐柱或者采取其他可靠的臨時(shí)轉(zhuǎn)換措施卸除結(jié)構(gòu)承受的部分荷載。

(2)去除體外預(yù)應(yīng)力筋的保護(hù)層。如果體外預(yù)應(yīng)力筋有混凝土保護(hù)層覆蓋,則先用射水將體外預(yù)應(yīng)力筋的混凝土保護(hù)層除去。

(3)放松預(yù)應(yīng)力筋。如果錨具為可放松錨具,則可以通過(guò)調(diào)整錨具來(lái)放松預(yù)應(yīng)力筋;如果錨具是不可放松類(lèi)型,可以通過(guò)對(duì)鋼絞線(xiàn)進(jìn)行加熱使其延伸從而釋放出存儲(chǔ)能量;單根鋼絲可用鋼絲切割機(jī)每次一根逐次截?cái)?通過(guò)縮短兩端錨具間的距離來(lái)放松預(yù)應(yīng)力筋,如鑿除梁端一小段混凝土,使兩錨具間距離縮短,從而使預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力得以釋放。

(4)安裝新的預(yù)應(yīng)力體外索并張拉。對(duì)于體外無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),可進(jìn)行單索或整索更換。體外預(yù)應(yīng)力筋的更換應(yīng)逐根進(jìn)行,即每撤走一根力筋,就立即安裝并張拉新的一根。如果預(yù)應(yīng)力體外索在套管里且套管無(wú)需更換,則放松一根既有的預(yù)應(yīng)力筋,并接上一根新的預(yù)應(yīng)力筋,隨著舊的一根抽出,新的一根預(yù)應(yīng)力筋就被全部拉入就位,然后張拉預(yù)應(yīng)力筋至設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力值。如果外套管需更換,則拆除外套管及舊體外預(yù)應(yīng)力筋,然后安裝新的預(yù)應(yīng)力體外索并張拉。對(duì)于無(wú)套管體外預(yù)應(yīng)力筋,其更換即是拆除舊預(yù)應(yīng)力體外索、安裝新的預(yù)應(yīng)力體外索并張拉。

4 預(yù)應(yīng)力體外索防護(hù)技術(shù)

預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)是體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件,需要對(duì)其預(yù)應(yīng)力體外索、錨具和轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行防護(hù)。這里主要介紹國(guó)外對(duì)于預(yù)應(yīng)力體外索通常采用的下面幾種防護(hù)措施[5]、[6]。

(1)無(wú)套管成品索束表面防護(hù)法。即在裸露的預(yù)應(yīng)力體外索上鍍鋅和涂環(huán)氧樹(shù)脂。鍍鋅技術(shù)實(shí)際上是一種犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法,在腐蝕介質(zhì)中,鋅原子失去電子變?yōu)殛?yáng)離子而發(fā)生腐蝕,從而使作為陰極的鋼索受到保護(hù)。這種方法造價(jià)較低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)營(yíng)時(shí)索的更換及內(nèi)力調(diào)整都比較簡(jiǎn)便。但是這種方法會(huì)降低預(yù)應(yīng)力體外索的材料強(qiáng)度,產(chǎn)生的氫氣會(huì)引起氫脆現(xiàn)象。而且鍍鋅本身沒(méi)有防護(hù)容易被刮落,同時(shí)對(duì)環(huán)境也造成一定的污染,因此該技術(shù)運(yùn)用受到了很大的限制。涂環(huán)氧樹(shù)脂技術(shù)實(shí)際上是在預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)或鋼絲表層或里層噴涂環(huán)氧層,這種方法對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)或鋼絲的本身強(qiáng)度沒(méi)有影響。環(huán)氧樹(shù)脂層可以防止陽(yáng)極和陰極反應(yīng),比鍍鋅技術(shù)防護(hù)能力更強(qiáng),同時(shí)使用期間的索力調(diào)整或更換索都比較方便,因此該技術(shù)在干燥、周?chē)鸁o(wú)腐蝕氣體地區(qū)應(yīng)用廣泛。

(2)套管加填充材料防護(hù)法。此法是在索的外面加套管,待張拉完預(yù)應(yīng)力筋后,在套管內(nèi)壓注灌漿材料。套管常用鋼管和高密度聚乙烯管,灌漿材料常用水泥漿或黃油、石蠟等軟材料。但該方法在確認(rèn)灌漿是否密實(shí),檢查預(yù)應(yīng)力筋是否受損相當(dāng)困難。近幾年,日本研發(fā)了一種由乙烯類(lèi)共聚物材料制成的透明套管代替鋼管或聚乙烯管,方便了填充材料是否密實(shí)的檢查,當(dāng)發(fā)現(xiàn)灌漿不密實(shí)時(shí)可在空洞附近打孔補(bǔ)充灌漿。

(3)后粘結(jié)技術(shù)防護(hù)法。涂環(huán)氧樹(shù)脂技術(shù)具有很好的防腐能力,但是環(huán)氧樹(shù)脂本身保護(hù)不夠使其無(wú)法在惡劣環(huán)境使用。上世紀(jì) 90年代初期,日本采用了一種所謂的后粘結(jié)技術(shù)的防護(hù)方法,該方法采用聚乙烯護(hù)管,內(nèi)注環(huán)氧樹(shù)脂,具有更好的防護(hù)能力。預(yù)先設(shè)定環(huán)氧樹(shù)脂的硬化時(shí)間,使預(yù)應(yīng)力張拉能在環(huán)氧樹(shù)脂硬化之前完成,環(huán)氧樹(shù)脂在硬化前具有很好的粘性,待到預(yù)應(yīng)力張拉后能很好地與預(yù)應(yīng)力筋結(jié)為整體。該技術(shù)具有以下有點(diǎn):環(huán)氧樹(shù)脂在工廠內(nèi)注入,可保證其能完全填滿(mǎn)聚乙烯管;無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)穿束及壓漿工序,可減少施工作業(yè);護(hù)套和環(huán)氧樹(shù)脂形成雙層防腐保護(hù)。

(4)采用單股無(wú)粘結(jié)鋼絞線(xiàn)或鋼絲束防護(hù)法,這種方法是直接用工廠生產(chǎn)的單股無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋作預(yù)應(yīng)力體外索,將鋼絞線(xiàn)擠入 PE套管內(nèi)并充入油脂從而形成整體。它自身具有防護(hù)系統(tǒng),可以不用管道而單獨(dú)使用,也可以外面加套管,并充入灌漿材料構(gòu)成具有多重防護(hù)功能的防護(hù)系統(tǒng)。無(wú)粘結(jié)鋼絞線(xiàn)直接在工廠生產(chǎn),不僅能提高質(zhì)量,而且也提高鋼絞線(xiàn)在運(yùn)輸、存儲(chǔ)、安裝過(guò)程的耐腐蝕性。

5 結(jié)束語(yǔ)

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)作為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力新型組合結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)之一,已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外橋梁工程中得到廣泛的運(yùn)用。本文重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)外較為先進(jìn)的預(yù)應(yīng)力體外索關(guān)鍵技術(shù),主要包括預(yù)應(yīng)力體外索的施工技術(shù),預(yù)應(yīng)力體外索的二次更換技術(shù)以及國(guó)內(nèi)外常用的預(yù)應(yīng)力體外索的防護(hù)技術(shù)?，F(xiàn)有的施工技術(shù)以及體外索的防護(hù)技術(shù)仍然有待完善,建議國(guó)內(nèi)學(xué)者應(yīng)不僅僅對(duì)體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的受力特性,新型結(jié)構(gòu)等方面研究,同時(shí)對(duì)預(yù)應(yīng)力體外索的施工技術(shù)進(jìn)行更為詳細(xì)的研究,為推廣體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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