體外索預(yù)應(yīng)力技術(shù)在空腹式拱橋中的應(yīng)用

柯海鵬

（浙江富春紫光環(huán)保股份有限公司，浙江 杭州 310001）

1 工程概況

某市跨河橋梁設(shè)計(jì)全長57.744 m，與河道斜交10°，采用空腹式拱橋設(shè)計(jì)。上部結(jié)構(gòu)主拱圈為1×40 m懸鏈線無鉸拱橋，主拱計(jì)算跨徑按正投影40 m計(jì)算；腹拱圈為圓弧形拱，其中河岸兩側(cè)四個(gè)腹拱為三鉸拱，其余河中心側(cè)兩個(gè)腹拱為無鉸拱。下部結(jié)構(gòu)采用 120 cm鉆孔灌注樁，鋼筋混凝土承臺(tái)，兩承臺(tái)間設(shè)有7道系梁，采用體外索預(yù)應(yīng)力技術(shù)，在每道系梁內(nèi)設(shè)有4束9s15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線，以抵抗上部荷載產(chǎn)生的水平推力。

2 確定工藝流程和張拉順序

2.1 確定工藝流程

根據(jù)拱橋受力，進(jìn)行體外索預(yù)應(yīng)力鋼絞線的設(shè)計(jì)布置，并結(jié)合施工工藝進(jìn)行受力分析計(jì)算，確定預(yù)應(yīng)力張拉分兩期進(jìn)行，以解決受力不平衡問題。兩期張拉時(shí)間為：主拱圈及立墻底座施工完成且強(qiáng)度達(dá)到100%后，張拉一期55%控制應(yīng)力（張拉過程注意觀測支架變形）；一期張拉完成后，拆除支架，然后張拉二期45%控制應(yīng)力。具體工藝流程為：檢查驗(yàn)收承臺(tái)結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力孔道預(yù)埋符合設(shè)計(jì)→進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作→預(yù)應(yīng)力鋼絞線安裝孔道內(nèi)→安裝張拉設(shè)備→一期張拉→拆除支架→二期張拉→孔道灌漿→封錨混凝土施工。

2.2 確定張拉順序

為對(duì)稱均勻受力，減少張拉過程受力不平衡對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，經(jīng)過受力分析，確定每期的施工張拉順序從中間開始往外側(cè)對(duì)稱均勻進(jìn)行，即按照4號(hào)系梁→3號(hào)系梁→5號(hào)系梁→6號(hào)系梁→2號(hào)系梁→1號(hào)系梁→7號(hào)系梁的順序，進(jìn)行張拉施工，見圖1。

圖1預(yù)應(yīng)力布置示意圖

3 施工準(zhǔn)備

3.1 計(jì)劃設(shè)備和材料的投入

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際及確定的張拉工藝和施工順序，主要投入4套YCW250型張拉設(shè)備、壓漿機(jī)2臺(tái)、鋼卷尺6只；主要材料為9S15.2鋼絞線16.4T、YM15-9錨具56套、42.5強(qiáng)度的普通硅酸鹽水泥15 t。

3.2 作業(yè)條件復(fù)核

為確保張拉施工的順利進(jìn)行，在正式張拉施工前對(duì)作業(yè)條件逐一進(jìn)行復(fù)核。在設(shè)備材料檢驗(yàn)方面：施加預(yù)應(yīng)力的設(shè)備已經(jīng)過校驗(yàn)并有記錄，并經(jīng)過試車檢查，張拉機(jī)具與設(shè)備均正常可靠；承臺(tái)和系梁的同條件養(yǎng)護(hù)試塊經(jīng)過抗壓試驗(yàn)，強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)100%要求，其幾何尺寸、外觀質(zhì)量、預(yù)留孔道及埋件應(yīng)經(jīng)檢查驗(yàn)收合格；預(yù)應(yīng)力鋼絞線有出廠質(zhì)量證明書及復(fù)試報(bào)告，均符合設(shè)計(jì)要求及國家標(biāo)準(zhǔn)；預(yù)應(yīng)力筋的錨具、夾具有出廠合格證，按規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)收和組裝件的靜載試驗(yàn)均符合設(shè)計(jì)及技術(shù)規(guī)程的要求；在第二期張拉前，灌漿用的水泥有出廠合格證書和復(fù)試報(bào)告單，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，灌漿用水泥漿的配合比以及封端混凝土的配合比已經(jīng)試驗(yàn)確定。

在現(xiàn)場條件及人員技術(shù)準(zhǔn)備方面：張拉場地平整、通暢，張拉的兩端按照規(guī)定設(shè)置了安全防護(hù)措施；張拉施工人員已組織進(jìn)行技術(shù)交底，并將預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉噸位與相應(yīng)的壓力表指針讀數(shù)、計(jì)算伸長值寫在作業(yè)牌上，作業(yè)牌掛在明顯位置處，方便在作業(yè)時(shí)觀察掌握。

4 主要施工技術(shù)

4.1 檢查承臺(tái)和系梁混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量

施工采用預(yù)埋波紋管方式設(shè)置鋼絞線孔道，在預(yù)埋施工時(shí)，重點(diǎn)控制波紋管定位支架形式和間距嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，及在混凝土澆筑過程中，防止振搗設(shè)備直接觸碰到波紋管導(dǎo)致波紋管損壞或移位。對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土本身澆筑質(zhì)量檢查驗(yàn)收的同時(shí)，尤其要認(rèn)真檢查預(yù)應(yīng)力鋼絞線的孔道安裝質(zhì)量。波紋管尺寸與位置要求正確、平順暢通、無局部彎曲；端部的預(yù)埋鋼板垂直于孔道軸線，波紋管接頭處不得漏漿，灌漿孔和排氣孔位置準(zhǔn)確。

4.2 安裝穿預(yù)應(yīng)力鋼絞線

鋼絞線安裝前，孔道（預(yù)埋波紋管）經(jīng)清理后檢查符合要求，檢查方法可以用通孔器或壓氣、壓水等方法，并應(yīng)檢查鋼絞線的規(guī)格、尺寸、型號(hào)、總長度是否符合要求。采用YCW250型千斤頂，其預(yù)留長度設(shè)定為不少于68 cm。為此，根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，其單根鋼絞線下料長度復(fù)核后為5875 cm（包括了兩端各75 cm的工作長度）。鋼絞線下料時(shí)需要進(jìn)行切斷，宜采用切斷機(jī)或砂輪鋸，不得采用電弧切割，最好能當(dāng)天下料，當(dāng)天用完。所下料要及時(shí)按照順序編號(hào)，編號(hào)用膠帶貼于材料兩端，并套上穿束器。

安裝鋼絞線時(shí)，先把鋼絞線或穿束器的引線由一端穿入孔道，在另一端穿出，然后逐漸將鋼絞線拉出到另一端，注意要緩慢均勻拖拉。

4.3 安裝錨具及張拉設(shè)備

錨具及張拉設(shè)備在安裝前，要先將端部預(yù)埋鐵板與錨具和墊板接觸的焊渣、毛刺、混凝土殘?jiān)葢?yīng)清除干凈。再套上工作錨板，在錨板錐孔內(nèi)抹上一層薄薄的黃油，然后在錐孔內(nèi)裝上工作夾片，千斤頂套上相應(yīng)的限位板，進(jìn)行定位安裝，最后裝上張拉千斤頂，并且與油泵相連接，注意千斤頂要和相應(yīng)油壓表配套使用。其中在錨板錐孔內(nèi)裝上工具錨夾片時(shí)，錐孔內(nèi)表面和夾片表面涂上約1 mm厚的黃油潤滑劑，目的是使張拉完畢后夾片能自動(dòng)松開。安裝錨具及張拉設(shè)備時(shí)，重點(diǎn)應(yīng)使張拉力的作用線與孔道中心線在張拉過程中相互重合。

4.4 張拉

本工程采用的低松弛鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1860 MPa，Ep=1.95×105MPa，采用兩端張拉方法，張拉控制應(yīng)力δ=0.7×fpk=1302 MPa，每束鋼絞線的張拉控制力為1640.52 kN。按照確定的兩期張拉工藝進(jìn)行施工。具體預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉程序?yàn)椋?→初應(yīng)力→σcon（持荷2 min錨固），其中σcon為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉控制應(yīng)力。兩期張拉具體控制應(yīng)力和伸長值經(jīng)過計(jì)算復(fù)核。張拉采用“雙控模式”，即控制“張拉應(yīng)力和伸長值”。張拉應(yīng)力控制在設(shè)計(jì)值的±5%內(nèi)，伸長值偏差大于±6%內(nèi)。如出現(xiàn)伸長值超過允許值，應(yīng)停止張拉，查明原因采取措施后再進(jìn)行。

鋼絞線張拉具體控制如下：

（1）第一期張拉：0→初應(yīng)力→單根鋼絞線σcon=902.286 kN（持荷 2 min錨固），伸長值為14.54 cm。第一期張拉后僅為臨時(shí)錨固。

（2）第二期張拉：0→單根鋼絞線σ=902.286kN→單根鋼絞線σcon=1640.52 kN（持荷2 min錨固），伸長值為11.86 cm（一、二期累計(jì)為26.4 cm）。

該體外索預(yù)應(yīng)力鋼絞線長度大于25 m，故采用兩端張拉工藝，操作要點(diǎn)為：

預(yù)拉：將鋼絞線拉出一小段長度后，檢查每根鋼絞線是否達(dá)到長度一致，如有不一致時(shí)，應(yīng)退下楔塊進(jìn)行調(diào)整，然后再用力打緊楔塊。

張拉及頂壓：預(yù)拉調(diào)整以后方可按規(guī)定張拉程序張拉。張拉完畢，測出鋼絲伸長值，若與規(guī)定符合，就可進(jìn)行頂壓錨塞。頂壓錨塞時(shí)必須關(guān)閉大缸油路，給小缸進(jìn)油，使小缸活塞猛頂錨塞。

校核：將千斤頂裝入未張拉的一端進(jìn)行張拉，張拉到控制應(yīng)力后，猛頂錨塞。當(dāng)兩端都張拉頂壓完畢后，應(yīng)測量鋼絲滑入錨栓中的內(nèi)縮量是否符合要求，如果大于規(guī)定數(shù)值，必須再張拉，補(bǔ)回?fù)p失。

張拉施工中，對(duì)于鋼絲斷絲和滑脫的數(shù)量要嚴(yán)格控制，嚴(yán)禁超過構(gòu)件同一截面鋼絲總數(shù)的3%，且一束鋼絲只允許一根。如超過上述規(guī)定，必須重新張拉，這時(shí)應(yīng)把鋼絲拉到原來的張拉噸位，拉松錨塞，用一根鋼釬插入墊板槽口內(nèi)，卡住錨塞，然后大缸回油，錨塞被拉出，取出整個(gè)錨栓。分別檢查錨環(huán)是否被抽成凹槽，錨塞的細(xì)齒是否被抽平，若有這類情況，要調(diào)換錨具，重新張拉，如果錨環(huán)、錨塞仍然完好無損，則只要在頂壓時(shí)加大壓力頂緊錨塞。

4.5 孔道灌漿

孔道灌漿是后張法預(yù)應(yīng)力工藝的重要環(huán)節(jié)，待二期預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉完后應(yīng)盡早進(jìn)行孔道灌漿，以減少預(yù)應(yīng)為損失。灌漿前，對(duì)孔道采用壓水方式清洗干凈，并檢查灌漿孔是否與預(yù)應(yīng)力鋼絞線孔道連通，否則，應(yīng)事先處理。

灌漿順序自南端向北端（即北端灌漿孔作為排氣孔），灌漿應(yīng)緩慢、均勻進(jìn)行，不得中斷。當(dāng)從北端排氣孔冒出濃漿后，再堵死排氣孔，然后壓漿至0.6 MPa，并穩(wěn)定兩分鐘，即可堵塞灌漿孔，再關(guān)閉控制閥。每條孔道應(yīng)一次灌成，中途不應(yīng)停頓，否則將已壓的水泥漿沖洗干凈，從頭開始灌漿。

水泥漿采用42.5強(qiáng)度的普通硅酸鹽水泥，水灰比根據(jù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度C40要求，經(jīng)過試配確定為0.43，其3 h后泌水率1.8%，24 h后泌水全部被漿吸回。為減少水泥漿收縮，施工時(shí)摻入了0.08%的脫脂鋁粉，與水泥漿均勻混合，調(diào)度控制在14～18 s之間。水泥漿自拌制至壓入孔道的延續(xù)時(shí)間，視氣溫情況而定，一般在30 min范圍內(nèi)。在灌漿前和灌漿過程應(yīng)經(jīng)常攪動(dòng)攪拌桶內(nèi)的水泥漿，以防止水泥漿沉淀泌水、過快地降低流動(dòng)度。注意灌漿過程中要及時(shí)制作試塊（每個(gè)臺(tái)班應(yīng)留取不小于3組70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試件，并留置2組同條件養(yǎng)護(hù)試件），以驗(yàn)證強(qiáng)度和為后續(xù)施工提供強(qiáng)度依據(jù)。

4.6 封錨

封錨前，先用切割機(jī)割除外露鋼絞線，其剩余長度保證不小于30 mm，并對(duì)封錨混凝土與老混凝土的交接面進(jìn)行鑿毛處理和沖洗干凈，然后安裝鋼筋網(wǎng)、模板及加固，采用商品混凝土澆筑封端混凝土。由于施工期氣溫較高，故采用表面掛草袋灑水的方法對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

5 張拉常見質(zhì)量問題的原因分析

5.1 滑絲問題

常見原因有：在張拉時(shí)錨具錐孔與夾片之間夾有雜物，鋼絞線上有油污、錨墊板喇叭口內(nèi)有混凝土和其它雜物；錨具的錨固效率系數(shù)小于規(guī)范要求值，鋼絞線受力性能不符合設(shè)計(jì)要求，由于初應(yīng)力小使鋼絞線受力不均而引起鋼絞線收縮變形，切割錨頭鋼絞線時(shí)留得太短或未采取降溫措施；長束張拉因伸長量大而油頂行程小，多次張拉錨固，引起鋼束變形，活著塞片、錨具的硬度不夠。

5.2 斷絲問題

常見原因有：鋼束在孔道內(nèi)部彎曲，張拉時(shí)部分受力大于鋼絞線的破壞力；鋼絞線本身質(zhì)量有問題；油頂重復(fù)多次使用，導(dǎo)致張拉力不準(zhǔn)確。

6 結(jié) 語

以體外索預(yù)應(yīng)力技術(shù)用來抵抗拱橋上部荷載產(chǎn)生的水平推力，在橋梁工程中應(yīng)用不多。采用該技術(shù)時(shí)，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)受力及施工特點(diǎn)，預(yù)先合理分布預(yù)應(yīng)力鋼絞線和分析確定工藝流程、施工張拉順序，對(duì)于鋼絞線和錨具材料質(zhì)量、預(yù)留孔道和鋼絞線安裝、張拉應(yīng)力和伸長值、孔道灌漿密實(shí)度和強(qiáng)度等要做重點(diǎn)控制，以確保施工質(zhì)量。