索塔U形環(huán)向預(yù)應(yīng)力施工控制

□文/周恒武 陳 鈞

斜拉橋索塔錨固區(qū)是斜拉橋的關(guān)鍵部位，可靠與否直接關(guān)系到大橋的安全度。由于斜拉索索力較大、錨固點(diǎn)相對(duì)集中，致使索塔錨固區(qū)應(yīng)力集中、分布復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)有少量斜拉橋索塔錨固區(qū)采用大噸位、小半徑U形預(yù)應(yīng)力束，以確保錨固區(qū)具有足夠的水平承載能力和抗裂安全度，但在施工過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題。主要體現(xiàn)在伸長(zhǎng)量超標(biāo)嚴(yán)重，而且都是正誤差，一般都在20%～40%，遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范允許值±6%并且有斷絲現(xiàn)象。天津南倉(cāng)斜拉橋索塔錨固區(qū)也采用了U形預(yù)應(yīng)力束，如何控制張拉伸長(zhǎng)量，建立符合斜拉橋上塔柱環(huán)向預(yù)應(yīng)力質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)是保證預(yù)應(yīng)力質(zhì)量關(guān)鍵。

工程概況

南倉(cāng)斜拉橋的主塔采用雙倒“Y”型空間索塔，雙塔連體。索塔包括下、中、上塔柱，塔的總高度為109 m，其中上塔柱高為40 m。上塔柱為非對(duì)稱(chēng)六邊形空心薄壁結(jié)構(gòu)，斷面尺寸為7.5 m（順橋向）×4.5 m（橫橋向），壁厚為1.2 m（橫橋向）和0.6 m（順橋向）；在上塔柱外側(cè)設(shè)有深0.3 m、寬1.4 m的裝飾凹槽。上塔柱在斜拉索錨固區(qū)塔壁內(nèi)配置采用雙U形扣合的環(huán)向預(yù)應(yīng)力束混凝土結(jié)構(gòu)。為平衡斜拉索水平分布，沿塔柱高度配置了38對(duì)76束（單塔）φ15～19 mmU型預(yù)應(yīng)力鋼絞線束，錨下控制應(yīng)力為1 395 MPa。見(jiàn)圖1。

圖1 U型預(yù)應(yīng)力束平面布置

U形環(huán)向預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)特點(diǎn)和形成機(jī)理

（1）大噸位、小半徑預(yù)應(yīng)力群錨體系鋼絞線不均勻性。索塔采用U形環(huán)向預(yù)應(yīng)力普遍具有半徑小、噸位大、單束鋼絞線數(shù)量多、線路短等特點(diǎn)。在群錨體系中，由于環(huán)向的影響，必然造成外側(cè)鋼絞線比內(nèi)側(cè)鋼絞線有效長(zhǎng)度長(zhǎng)并且差值與長(zhǎng)度比一般達(dá)到5%～8%，在張拉過(guò)程中實(shí)際張拉伸長(zhǎng)量基本一致，必然造成了受力不均勻性，考慮到鋼絞線在張拉過(guò)程中重分配等因素影響，實(shí)際應(yīng)力的不均勻性在3%～6%之間。

（2）實(shí)際伸長(zhǎng)量大于理論伸長(zhǎng)量并且伸長(zhǎng)量離散性較大。U形環(huán)向預(yù)應(yīng)力在千斤頂張拉力作用下，產(chǎn)生很大的徑向壓應(yīng)力，使得鋼絞線之間更為密實(shí)，同時(shí)鋼絞線束擠壓塑料波紋管使整束發(fā)生徑向位移，產(chǎn)生非彈性變形，該變形在變形超限中占據(jù)了大部分并且由于施工因素影響，該變形離散性大，造成整個(gè)鋼束伸長(zhǎng)量變形離散性大。一般來(lái)說(shuō)，U形環(huán)向預(yù)應(yīng)力束主要由3部分組成，第1部分是規(guī)范中的彈性伸長(zhǎng)值；第2部分是受力不均勻產(chǎn)生的附加彈性伸長(zhǎng)量；第3部分是在徑向壓力作用下塑料波紋管的內(nèi)波紋發(fā)生壓縮變形所產(chǎn)生的幾何變形。第2、3部分是環(huán)向預(yù)應(yīng)力與普通預(yù)應(yīng)力最大區(qū)別，只有控制這兩部分的伸長(zhǎng)量離散性，才能使建立的伸長(zhǎng)量在實(shí)際操作中具有現(xiàn)實(shí)意義。

施工控制

南倉(cāng)大橋索塔錨固區(qū)是大噸位、小半徑環(huán)向預(yù)應(yīng)力體系，采用了塑料波紋管制孔后穿鋼束的施工方法。為了保障設(shè)計(jì)安全，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行分析，從理論伸長(zhǎng)量的確認(rèn)、伸長(zhǎng)量離散性控制、張拉施工工藝進(jìn)行了工藝試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究采用了1∶1的模型，模擬一節(jié)上塔柱（約5 m高）并采用了單根張拉和整體張拉的工藝進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。采用3種張拉工藝：（1）單根穿束張拉；（2）單根穿束整體張拉；（3）單根穿束預(yù)緊整體張拉。

試驗(yàn)中，工藝（1）鋼絞線伸長(zhǎng)量的離散性相當(dāng)大，實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)量在-1%～+43%之間并且前面張拉的伸長(zhǎng)量較小，后張拉的伸長(zhǎng)量都偏差較大，無(wú)規(guī)律可循，施工中無(wú)法建立有效控制措施來(lái)確認(rèn)預(yù)應(yīng)力的質(zhì)量。工藝（2）在張拉錨固中發(fā)現(xiàn)有斷絲現(xiàn)象；工藝（3）伸長(zhǎng)量較理論彈性值提高了35%。工藝（1）由于前幾根鋼絞線張拉不會(huì)出現(xiàn)附加彈性變形及徑向的幾何變形，隨著后期應(yīng)力的逐漸增大，環(huán)向內(nèi)側(cè)波紋管出現(xiàn)變形發(fā)生徑向位移導(dǎo)致后期伸長(zhǎng)量變化大，同時(shí)降低了已經(jīng)張拉鋼絞線的應(yīng)力。工藝（2）單根穿束完成后整體張拉，鋼絞線在管道內(nèi)分布情況無(wú)法掌握，可能會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，再加上管道內(nèi)外鋼絞線應(yīng)力差等因素易導(dǎo)致局部鋼絞線應(yīng)力偏大。最終確定了工藝（3）作為重點(diǎn)研究對(duì)象。

伸長(zhǎng)值由3部分組成，分別計(jì)算彈性理論伸長(zhǎng)值、幾何變形和徑向壓力下應(yīng)力重分布的非彈性變形。經(jīng)計(jì)算鋼束伸長(zhǎng)量在63 mm，與設(shè)計(jì)值基本吻合；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，徑向變形在5～6 mm，取5 mm，U形環(huán)向預(yù)應(yīng)力束的幾何變形為3.14×5=15.7（mm）；管道中鋼絞線在張拉力作用不斷密實(shí)，排列重組，鋼絞線受力不均產(chǎn)生附加伸長(zhǎng)量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般隨鋼絞線數(shù)量的多少而變化，通常在0～15 mm，本處取10 mm。

因此，本橋確立的理論伸長(zhǎng)量為63+15.7+10=88.7（mm），與彈性理論值63 mm相比，提高了將近41%。

施工過(guò)程中，采取以應(yīng)力控制為主，伸長(zhǎng)量控制為輔的原則控制伸長(zhǎng)量的離散性。

（1）張拉穿束工藝采取單根穿束預(yù)緊保證鋼絞線不會(huì)出現(xiàn)打絞現(xiàn)象，穿束完后進(jìn)行放松，恢復(fù)自然狀態(tài)后進(jìn)行整體張拉，保證在預(yù)張拉壓力下孔內(nèi)鋼絞線不斷密實(shí)并進(jìn)行排列重組，降低因鋼絞線排列重組發(fā)生徑向位移的不同導(dǎo)致不均勻伸長(zhǎng)量的離散性。整體張拉采用多級(jí)張拉，持荷的張拉過(guò)程。張拉過(guò)程分別采用20%、40%、60%、85%和 100%級(jí)進(jìn)行張拉控制，每級(jí)分別持荷不少于1 min，使孔內(nèi)鋼絞線有充分時(shí)效進(jìn)行重分布因徑向位移不同產(chǎn)生的應(yīng)力。

（2）為防止預(yù)應(yīng)力索小半徑處混凝土發(fā)生變形，沿彎道徑向設(shè)置較粗的防崩裂鋼筋，同時(shí)也有利于波紋管的徑向定位。本橋環(huán)向位置處布設(shè)φ25 mm防崩鋼筋以提高抗裂性能并加強(qiáng)環(huán)向內(nèi)側(cè)混凝土的振搗質(zhì)量。

（3）波紋管及錨具的精確定位，尤其是錨具的安裝角度，需要非常準(zhǔn)確，否則易出現(xiàn)夾斷鋼絞線現(xiàn)象。

結(jié)論及建議

（1）天津南倉(cāng)斜拉橋索塔152束U形預(yù)應(yīng)力束施工實(shí)際伸長(zhǎng)量均在83～97 mm，與控制值88.7 mm相比誤差控制在-6%～10%之間，證明了天津南倉(cāng)斜拉橋大噸位、小半徑環(huán)向預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量的控制及伸長(zhǎng)量離散性控制是成功的。

（2）考慮到大噸位、小半徑預(yù)應(yīng)力群錨體系鋼絞線不均勻性，建議錨下張拉控制應(yīng)力宜在0.65～0.7σ控之間，而不要采用常規(guī)規(guī)范的0.75σ控。

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