無粘結(jié)預應力鋼棒施工技術(shù)介紹

雷興勇，肖賢炎

(中交二航局第二工程有限公司，重慶　401121)

無粘結(jié)預應力鋼棒施工技術(shù)介紹

雷興勇，肖賢炎

(中交二航局第二工程有限公司，重慶401121)

摘要：以新建成貴鐵路越溪河大橋連續(xù)箱梁豎向預應力體系為依托，對無粘結(jié)預應力鋼棒的材料特性、結(jié)構(gòu)設計特點及施工方法進行分析，對比精軋螺紋鋼的構(gòu)造和施工工藝，探討造成豎向預應力損失嚴重的主要原因，論證預應力鋼棒滿足設計及施工要求。

關(guān)鍵詞：無粘結(jié)預應力鋼棒；連續(xù)箱梁；施工應用

預應力混凝土連續(xù)箱梁橋不僅具有整體性能好、結(jié)構(gòu)剛度大、變形小、抗震性能好等優(yōu)點，而且設計及施工工藝也較成熟，質(zhì)量和工期可得到有效控制，成橋后養(yǎng)護工作量小，故在公路和鐵路橋梁工程中得到廣泛應用。然而該橋型在實際工作狀態(tài)下，其豎向預應力損失往往與理論計算不符，致使梁體下?lián)虾透拱彘_裂，對預應力混凝土連續(xù)箱梁的使用安全和壽命造成較大隱患。

越來越多的工程案例表明，豎向預應力損失主要與我國橋梁工程設計中預應力鋼筋采用的傳統(tǒng)材料性能和施工工藝有關(guān)。本文以新建成貴鐵路越溪河大橋連續(xù)箱梁豎向預應力體系為依托，對其構(gòu)造特點、施工工藝與精軋螺紋鋼進行對比分析，并結(jié)合有限元分析各部件的機械性能，論證無粘結(jié)預應力鋼棒使用的安全性和可靠性。

1工程概況

新建成貴鐵路越溪河大橋主橋為連續(xù)剛構(gòu)混凝土箱梁，梁部采用懸臂施工。梁體為單箱單室變截面箱梁，梁高9.8～5.4 m，腹板厚50～90 cm。梁體按縱向和豎向預應力，兩向預應力設計。其中豎向預應力采用Φ16 mm無粘結(jié)預應力鋼棒，下料長度為1 474.8～527 cm。

2無粘結(jié)預應力鋼棒機械特征與分析

2.1構(gòu)造形式與機械特性

在構(gòu)造方面，無粘結(jié)預應力鋼棒與精軋螺紋鋼等預應力材料有相似之處，其主要由受力桿件和錨固系統(tǒng)組成。受力桿為表面涂有油脂、外壁有保護套的預應力鋼棒。錨固系統(tǒng)由錨固螺母，錨墊板，錨固備母，錨固擋板，螺旋筋5部分組成。本文以Φ16 mm-2無粘結(jié)預應力鋼棒為例，對其構(gòu)造進行介紹，具體結(jié)構(gòu)見圖1。各構(gòu)件名稱、所用材料材質(zhì)及數(shù)量見表1。

無粘結(jié)預應力鋼棒通過冷拔調(diào)質(zhì)工藝，其析出的碳化物呈球狀彌散分布于基體中，使其具有更好的綜合機械性能。鋼棒采用高強度標準螺紋錨固，其錨固回縮量為0.1 mm，應力損失?。诲^固螺距為1.5 mm，施工精度高，張拉應力及伸長量一致性強。

圖1　Φ16 mm-2無粘結(jié)預應力鋼棒結(jié)構(gòu)示意

名 稱材 料數(shù)量無粘結(jié)預應力鋼棒中、低碳合金鋼2錨固螺母45號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)4錨墊板Q2352錨固備母45號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)4錨固擋板Q2352螺旋筋低碳冷拔鋼絲4

2.2機械性能分析

為使無粘結(jié)預應力鋼棒機械性能滿足要求，首先對鋼棒進行了力學分析，以便得出鋼棒設計安全系數(shù)，確保鋼棒機械性能穩(wěn)定。機械性能分析包括計算單支鋼棒承載力、螺紋承載力、錨固螺母承載力、錨墊板承載力和錨下混凝土的抗裂和局部承壓強度，以及對鋼棒各部件進行有限元分析。

2.2.1無粘結(jié)預應力鋼棒受力計算

1) 單支鋼棒承載力計算。

單支鋼棒承載力按下式計算：

F1=RmSn

(1)

式中：F1為單支鋼棒承載力，kN；Pm為鋼棒抗拉強度，MPa；Sn為鋼棒公稱橫截面積，mm2。

2) 螺紋承載力計算。

螺紋應力截面積，按下述公式計算：

(2)

式中：AS為螺紋應力截面積，mm2；d2為外螺紋中徑的基本尺寸，mm；d3為外螺紋小徑的基本尺寸(d1)減去螺紋原始三角形高度(H)的1/6值，即

(3)

H=0.866 025 P

(4)

式中：H為螺紋三角形高度，mm；P為螺距，mm。

聯(lián)立式(2)～(4)可得到螺紋的應力截面積。

由于首扣螺紋承載力為30%，故鋼棒螺紋受力的最小截面積為3。

螺紋承載力按下式計算：

F2=3AS×Sp

(5)

式中：F2為螺紋承載力，kN；Sp為保證應力，MPa。

3) 錨固螺母承載力計算。

錨固螺母支撐截面積按下式計算：

(6)

式中：S1為錨固螺母支撐截面積，mm2；l為對邊長度，mm；d4為螺紋最大直徑，mm。

錨固螺母極限承載力按下式計算：

F3=S1×σ

(7)

式中：F3為錨固螺母極限承載力，kN；σ為碳素結(jié)構(gòu)鋼抗拉強度，MPa。

4) 錨墊板承載力計算。

錨墊板受力截面積按下式計算：

(8)

式中：S2為錨墊板受力截面積，mm2；B、L為錨墊板外形尺寸寬和長，mm；n為錨墊板孔數(shù)；d為錨墊板定位孔直徑，mm。

極限承載力按下式計算：

F4=S2×σ

(9)

式中：F4為錨墊板極限承載力，kN。

2.2.2錨下混凝土抗裂和局部承壓強度校核

鋼棒錨下混凝土抗裂性和局部承壓強度可按公式(10)和(11)進行驗算。

β·fc·Ac≥Kcf·Nc

(10)

式中：β為混凝土局部承壓時的強度提高系數(shù)，其值為A/Ac，其中A為影響混凝土局部承壓的計算底面積，m2，Ac為局部承壓面積，m2；fc為混凝土軸心抗壓極限強度，MPa；Kcf為局部承壓抗裂安全系數(shù)，取1.5；Nc為預加應力時的預壓力，MN。

Ac(β·fc+2.0μi·βhefs)>Kc·Nc

(11)

2.2.3有限元分析

2.2.3.1有限元分析內(nèi)容和目的

1) 有限元分析內(nèi)容。

對無粘結(jié)預應力鋼棒承受豎向張拉力時的狀態(tài)進行整體有限元分析，以確定無粘結(jié)預應力鋼棒各部分的應力和變形，正確分析無粘結(jié)預應力鋼棒各部件的受力狀況。為了驗證無粘結(jié)預應力鋼棒結(jié)構(gòu)設計，采用SolidWorks三維機械設計軟件對無粘結(jié)預應力鋼棒關(guān)鍵部件進行分析。

2) 有限元分析目的。

利用有限元分析確定無粘結(jié)預應力鋼棒各部件應力和變形位移結(jié)果，按照設計依據(jù)對無粘結(jié)預應力鋼棒剛度和強度進行校核，分析其可靠性和使用安全性，并對其設計進行驗證。

2.2.3.2有限元結(jié)果及分析

1) 有限元受力分析強度云圖。

采用SolidWorks三維機械設計軟件對無粘結(jié)預應力鋼棒進行有限元分析。分析時，將材料特征假設為線性、常數(shù)、均勻、各向同性，預應力鋼棒長度選取600 mm，單端固定，單端張拉受力185.5 kN。計算得出的總體受力分析云圖見圖2，受力強度最大位置見圖3，錨墊板受力分析云圖見圖4，螺母受力分析云圖見圖5。

圖2　總體受力分析云圖

從圖2、圖3可以看出，最大受力點位于預應力鋼棒與錨固螺母交接處，受力強度最大約為1 068 MPa，小于預應力鋼棒屈服強度1 280 MPa。

2) 有限元受力分析位移云圖。

為確定預應力鋼棒受拉位移能否滿足張拉偏差要求，利用SolidWorks三維機械設計軟件對其受拉位移進行有限元分析，分析云圖見圖6。

圖3　受力強度最大位置云圖

圖4　錨墊板受力分析云圖

圖5　螺母受力分析云圖

圖6　位移分析云圖

由圖6可看出，600 mm預應力鋼棒受拉位移約為2.6 mm，推算1 000 mm的受拉位移為4.4 mm，與預應力鋼棒每延米伸長量4.591 mm的偏差為0.191 mm，滿足張拉偏差不超過6%的要求。

2.2.3.3結(jié)論

上述各關(guān)鍵部件的有限元分析結(jié)果表明，各部件在承受設計荷載時均處于安全狀態(tài)，故可以認為無粘結(jié)預應力鋼棒達到了設計及使用要求。

3無粘結(jié)預應力鋼棒施工工藝介紹

3.1設備配置

張拉設備采用穿心千斤頂，型號為YGD350-70。千斤頂設有自鎖裝置，通過引伸桿聯(lián)接預應力鋼棒端頭絲扣，施加應力的同時旋轉(zhuǎn)鎖緊手柄，以鎖緊錨固螺母。千斤頂使用前，應將其與油表配套標定，其校正系數(shù)不得大于1.05，油壓表的精度須不低于0.4級。千斤頂具體構(gòu)造見圖7。

圖7　YGD350-70千斤頂構(gòu)造示意

3.2施工工藝

無粘結(jié)預應力鋼棒張拉完成后，無需壓漿處理。其施工流程為：螺旋筋與錨墊板焊接→檢查鋼棒護套是否破損→預應力鋼棒固定端安裝→預應力鋼棒安裝定位及張拉端安裝→張拉端外露螺紋處套上螺紋保護套→澆筑混凝土→混凝土達到規(guī)定強度后，對鋼棒進行張拉并鎖緊錨固螺母→安裝錨固擋板及錨固備母→封錨處理。

3.3無粘結(jié)預應力鋼棒施工注意事項

1) 需保證鋼棒改性高密度聚乙烯樹脂護套的完好性，以防混凝土與鋼棒接觸，對后期張拉產(chǎn)生影響。

2) 無粘結(jié)預應力鋼棒穿筋安裝時，張拉端鋼棒端頭距錨墊板外側(cè)需預留5.5 cm螺紋工作長度。

3) 張拉施工過程中，嚴禁任何人員站在被張拉鋼棒兩端，以防止因操作失誤鋼棒斷裂等意外事故導致鋼棒或千斤頂配件飛出造成人員傷亡。

4) 張拉程序規(guī)定。

無粘結(jié)預應力鋼棒張拉采用“雙控”控制，以張拉力控制為主，伸長值校核。張拉程序：0→0.1σ→1.00σ(同步旋進錨固螺母)→持荷2 s后鎖緊錨固螺母進行錨固。實際引伸量與理論引伸量的差值應控制在6%以內(nèi)。

4無粘結(jié)預應力鋼棒與精軋螺紋鋼比較

4.1生產(chǎn)工藝比較

精軋螺紋鋼筋的原材料為中碳低合金鋼，通過熱軋冷控來提高鋼筋的強度。得到的微觀組織通常為鐵素體+珠光體，規(guī)格為PSB785。如果進一步提高冷速，得到的組織則為混合貝氏體+索氏體+珠光體+鐵素體，規(guī)格為PSB830等。組織的構(gòu)成決定了PSB785具有較高的韌性，較低的強度；而PSB830則具有較高的強度，較低的韌性。由于采用控制冷卻工藝，其受氣溫變化和設備影響的因素較多，因此PSB830很不穩(wěn)定，外形尺寸公差較大。

無粘結(jié)預應力鋼棒采用鋼棒在線涂油熱擠塑連續(xù)成型工藝，護套與鋼棒間涂有無粘結(jié)預應力筋專用防腐潤滑油脂，無間隙。鋼棒原材料為中低碳合金鋼，通過冷拔調(diào)質(zhì)工藝得到金相組織為淬回火屈氏體+馬氏體。淬回火屈氏體+馬氏體與索氏體相比較，其析出的碳化物呈球狀彌散分布于基體中，具有更好的綜合機械性能，其延伸率可達到7%～10%。

無粘結(jié)預應力鋼棒采用調(diào)質(zhì)工藝所得到的組織比精軋螺紋鋼強度高，延性好。無粘結(jié)預應力鋼棒的強度通?？梢赃_到1 420級甚至1 570級，且在1 570 級時其斷后伸長率仍可達到7%。斷后伸長率的提高使無粘結(jié)預應力鋼棒比精軋螺紋鋼具有更強的抗震吸能性。

4.2技術(shù)指標比較

將無粘結(jié)預應力鋼棒與精軋螺紋鋼技術(shù)指標比較，結(jié)果見表2。由表2數(shù)據(jù)可知，預應力鋼棒機械性能優(yōu)于精軋螺紋鋼。

4.3構(gòu)造比較

無粘結(jié)預應力鋼棒與精軋螺紋鋼構(gòu)造比較見表3。

4.4施工工藝比較

無粘結(jié)預應力鋼棒與精軋螺紋鋼施工工藝比較見表4。

5結(jié)束語

本文介紹了無粘結(jié)預應力鋼棒的構(gòu)造形式及機械特性，并從理論上對其機械性能進行了分析。無粘結(jié)預應力鋼棒在越溪河大橋上的應用表明，其不僅可克服精軋螺紋鋼因有效預應力不足而導致梁體下?lián)虾透拱彘_裂的缺陷，而且還可避免因預應力管道壓漿不實造成精軋螺紋鋼被腐蝕的危害，從而保證有效預應力的建立和可持續(xù)作用。

表2　技術(shù)指標比較

表3　構(gòu)造比較

注：錨固精軋螺紋鋼以Ф32 mm為例。

表4　施工工藝比較

參 考 文 獻

[1]中鐵工程設計咨詢集團有限公司.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

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Introduction of Construction Techniques for Unbonded Prestressed Steel Bars

LEI Xingyong, XIAO Xianyan

Abstract:Based on the vertical prestressed system of continuous box girders in Yuexi River Bridge on the newly constructed Chengdu—Guiyang Railway, this paper analyzes material characteristics, structural design features and construction methods of unbonded prestressed steel bars, compares structures and construction processes of well finished rolling screw-thread steel, probes into main reasons causing serious vertical prestress loss, and validates that the prestressed steel bars satisfy design and construction requirements.

Keywords:unbounded prestressed steel bar; continuous box girder; application in construction

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.020

收稿日期：2016-01-04

作者簡介：雷興勇(1982- )，男，重慶市人，本科，工程師。

文章編號：1009-6477(2016)03-0089-06中圖分類號：U448.21+3

文獻標識碼：B