齊泰高速公路塔子城立交橋體外預應力箱梁的設計與施工

李元坤

(中國水利水電第五工程局有限公司第二分局，四川成都 610225)

1 工程概況

齊泰高速公路是黑龍江省交通廳2008年全面開工建設的重點公路建設項目之一，路線全長138.218 km。塔子城互通式立體交橋設置在主線樁號K111+420處，互通形式為單喇叭型，該橋梁荷載等級為公路－Ⅰ級，上部結構為4×25 m預應力混凝土簡支轉連續箱梁。預應力箱梁正彎矩鋼束采用M15－3、M15－4圓形錨具，預應力管道采用圓形金屬波紋管;箱梁墩頂連續段處負彎矩鋼束采用體外預應力索體。

2 體外預應力設計方案

2.1 簡支與連續體系轉換設計方案

該橋箱梁逐孔安裝完成、置于臨時支座上成為簡支狀態后，及時連接橋面濕接縫鋼筋及端橫梁鋼筋，精確設置預埋在中橫梁內的體外索預埋管，澆筑濕接縫接頭、中橫梁，待混凝土達到設計強度的95%時進行負彎矩體外預應力鋼束張拉，錨頭灌防腐油脂并加蓋保護罩。張拉完成后解除臨時支座，完成從簡支至連續的體系轉換。

2.2 體外預應力體系設計

2.2.1 數量及位置布置

在每片箱梁兩個端頭的兩側(邊跨橋臺端的端頭部位除外)距橋墩中心線3.5 m和7 m的位置各設置1個體外索的錨墩(齒板)。該橋7 m(T1)、14 m(T2)(未含工作長度)體外索各30束(圖1)。

圖1 體外束布置立面圖(單位:cm)

2.2.2 體外預應力索體

體外預應力體系目前主要有:瑞士的VSL體系，德國的DYWIDAG體系和我國的OVM體系、HVM體系等。本工程選用的是OVM體系，體外索為OVM－S5型，7根鋼絞線為l束，鋼絞線抗拉強度σb≧1 860 MPa，其它性能不低于《預應力混凝土用鋼絞線》GB/T5224－1995的要求。每束索體用高密度聚乙烯護套(HDPE)包裹，空隙中以黃油填充，防止腐蝕及氧化。索體HDPE性能符合《建筑纜索用高密度聚乙烯塑料》的要求。

2.2.3 錨固系統

圖2 體外束布置斷面圖

國內外將體外預應力夾片式錨固系統劃分為以下兩類:第一類:常規喇叭管(單層或雙層)錨下構造式錨固系統(圖2)。該類體外預應力錨固系統包括可更換與不需要更換兩種。第二類:承壓板下采用直導管錨下構造式錨固系統。該類體外預應力錨固系統均為可更換系統，帶螺母式錨具為可調式錨具。本橋設計采用第一類常規喇叭管錨下構造式可更換錨固系統。為使得錨具與OVM－S5型索體充分配套，錨具型號選用OVM－AT15－7型，具體構造見圖3。

圖3 OVM－AT 15－7錨具構造圖(單位:mm)

錨具中除預埋鋼管為現場加工外，其余全部由廠家集中生產提供。錨墊板、錐套管、螺旋筋、預埋鋼管為澆筑齒板混凝土前提前預埋。其余部件在體外索張拉過程中或張拉完成后進行防護時使用。

張拉力通過錨具傳遞到箱梁齒板，箱梁齒板與箱梁梁體共同承受張拉力。箱梁齒板作為錨固系統的關鍵承載部位，具體設計需經過嚴格的承載力校核計算。箱梁齒板的設計見圖4、5。

2.2.4 預埋鋼管

體外預應力索體T1須穿越橋墩頂部的現澆中橫梁，須在現澆中橫梁中預埋轉向鋼管;T2索錨端部進入錨具密封筒前設置一根轉向彎管，T2索錨端部轉向彎管與錨具尾部的預埋鋼管為同一部件，預埋前將其與錨具錐套管焊接連接。此外，為方便索體穿越混凝土體(中橫梁、齒板混凝土)，在T1索端部預埋直鋼管，在T2索中部預埋直鋼管。預埋鋼管材質為無縫鋼管。

圖4 T2索張拉齒板構造立面圖(單位:cm)

圖5 T1索張拉齒板構造立面圖(單位:cm)

3 體外預應力施工工藝研究

3.1 預埋件施工

箱梁預制混凝土澆筑前須預埋錨墊板、錐套管、螺旋筋、預埋鋼管(T2轉向鋼管及套管和T1索體套管)。為確保預埋施工方便和安裝精度，須將錨墊板與錐套管焊接固定之后再將錐套管與預埋鋼管進行焊接。現澆中橫梁前須提前預埋T1轉向鋼管和T2索體套管。

由于預埋件尺寸較大，齒板內部鋼筋直徑較大，鋼筋不容易調整，預埋鋼管須在齒板外圍骨架鋼筋安裝完成后再進行安裝，最后安裝內部加密鋼筋。

3.2 工作平臺的搭設

索體安裝前，在橋梁下搭設鋼管腳手架，腳手架設置爬梯、水平防護網，橫桿豎向間距為1.5 m，操作平臺橫桿水平間距為50 cm，上鋪400 cm×20 cm×5 cm的木板。腳手架立桿與橫桿頂部要與箱梁翼板底部齊平，以方便千斤頂的起吊和水平移動。千斤頂等重型部件采用手拉葫蘆進行起降。

3.3 索體安裝

(1)原材料保護。

T1和T2索體成品索體長度分別為8.4 m、15.34 m。成品索兩端的鋼絞線必須焊死，在其兩端焊上牽引頭。做好防雨防銹等保護工作，防止碰傷成品索的護套。成品索在運輸、工地搬運、安裝過程中不得損壞PE護套，如有損壞，必須由專業人員用PE熱焊機補焊。

(2)穿 索。

將成品索整盤放入特制的放線架內，緩緩轉動放盤。索體安裝前應將深入預埋管內錨具系統的密封筒與楔形塊采用螺紋連接，密封筒的密封裝置與密封筒同樣采用螺紋連接。密封筒與楔形塊連接好后，在楔形塊里涂抹環氧樹脂，之后將套在錐套筒內部的隔離套直接插進楔形塊，使隔離套、密封筒連接成整體。然后將其從錨墊板的喇叭口穿入，直到隔離套全部穿進錐套筒內為止。穿好以后檢查預埋管的端口是否圓順，對棱角處用手砂輪打磨，之后穿束。

成品索不能直接在地面上拖動，地面要鋪墊一定厚度的麻袋等軟墊層，每隔一定距離設置一個支承架，支承架上設有柔軟墊層及橡膠輥筒，以減小牽引時的摩擦力并保護PE層。在轉向埋管及錨固預留孔道入口處要有防止PE損傷的措施(如墊橡膠塊)。

先穿T1、后穿T2。每束將一端的手動葫蘆或卷揚機的牽引繩依次穿過錨固預留孔道、轉向裝置(中橫梁預埋管)、支承架與成品索索端連接頭相連接，啟動卷揚機或葫蘆，將成品索依次穿過轉向裝置、支承架直到錨固預留孔前停止(圖6)。

圖6 穿索示意圖

停止后將成品索這一端的PE護套及單根無粘結PE層剝除。將裸露的鋼絞線表面油脂清洗干凈，保證鋼絞線與水泥漿的握裹力，并用纏包帶及麻布裹緊，以保護鋼絞線表面的環氧涂層。成品索穿過密封裝置后，再次啟動葫蘆或卷揚機將成品索牽引出錨固預留孔道。將成品索另一端的PE護套及單根無粘結PE層剝除，將裸露的鋼絞線表面油脂清洗干凈，并用纏包帶及麻布裹緊，用同樣的方法將成品索牽引出另一端的錨固預留孔道。整個過程應小心操作，防止碰傷成品索PE護套及鋼絞線的環氧涂層。

PE層剝除長度按以下公式計算:

式中 L1為錨墊板組件及預埋管的長度;H為錨板的厚度;L2為千斤頂的工作長度;L3為PE層進入預埋管密封圈內的長度(5 cm≦L3≦10 cm);L4為(成品索實際長度—理論長度)/2;L5為索體張拉設計引伸長度。

3.4 錨具的安裝

體外預應力錨具安裝分四個時間段安裝。第一時間段是在澆筑箱梁齒板混凝土前進行錐套管、螺旋筋、錨墊板的預埋;第二時間段是在體外索體安裝前進行隔離套、楔形快、密封筒、密封裝置的安裝;第三時間段是在索體安裝完成張拉前進行工作錨板、夾片的安裝;第四時間段是在張拉完成后進行防護裝置和保護罩的安裝。第一、二、四時間段的安裝分別在預埋、索體安裝、錨頭保護施工方法中闡述。

索體安裝后，切除索體兩端的牽引頭，采用砂輪切割，禁止采用氣割，以免灼傷鋼絞線表面的環氧涂層。分別在兩端裝上工作錨板及夾片，并將夾片打緊。安裝前，用棉紗擦洗干凈錨板孔和夾片外錐及夾片齒。專用千斤頂安裝就位(千斤頂帶有限位裝置)，上好工具錨，工具錨板孔和工具夾片表面均勻涂上退錨靈。工作錨板、千斤頂、工具錨安裝要同軸緊貼，張拉面要平整。

3.5 索體張拉

在現澆橫梁混凝土達到設計強度95%后，開始進行體外索體的張拉。張拉順序為先T2，后T1，兩端同時張拉，橫向對稱張拉。張拉采用引伸量和張拉應力雙重控制的辦法，錨下控制應力為0.75 fpk。由于錨板是定制產品，因此，與錨板所配套的工錨和限位板也須單獨定制。

按設計要求進行張拉，以100 MPa/min速度均勻加載，量測并記錄每一級的伸長值(以千斤頂的活塞為準)和錨固回縮值及相應的壓力表讀數。張拉到位后，調節限位裝置，將工作夾片壓緊就位，緩慢卸荷，測量記錄錨固回縮值。拆除千斤頂及工具錨，切割多余的鋼絞線，以外露45 cm為宜。

3.6 錨頭保護

張拉完成后，安裝好錨頭保護罩，OVM－AT 15－7型錨具對應的索體為可更換的索體，錨具保護罩內壁、錨具外表面、外露絞線須抹防腐油脂厚5～10 mm。

灌漿采用灌漿泵進行，漿液用P.O42.5凈水泥漿即可。攪拌機將水泥漿攪拌均勻后，用灌漿泵將水泥漿壓入;當排氣孔冒出跟進漿管同濃度的水泥漿體時，封堵排氣孔，保壓5 min后封堵灌漿管。

4 體外預應力技術在本工程中的優、劣勢

4.1 優 勢

(1)在箱梁頂板混凝土體內不設置預應力筋，可免去預埋繁瑣的波紋管道，使普通鋼筋布置容易，并且在預制梁混凝土澆筑過程中可以不必費盡心思去對波紋管進行保護，混凝土振搗方便，因而使施工工藝簡化，提高了工作效率及工程質量。此外，可以避免出現鋼索管道灌漿事故。

(2)體外索與原箱梁結構混凝土無粘接，應力變化值小，對結構受力有利。

(3)體外預應力索體安裝施工與橋面鋪裝沒有嚴格的先后順序。在北方施工搶工期間，可以有效避免中橫梁混凝土強度待強的時間耽擱，直接進行橋面鋪裝施工，避免出現進入冬季混凝土施工困難的局面。而體外索的安裝及后續防護施工可以在橋面鋪裝后隨時進行。

(4)體外索可以更換，便于使用期間進行防護。根據國內外相關研究，利用換索方案的橋梁可以延長壽命20～30 a，同時可以提高橋梁的承載能力，延長橋梁使用壽命。

(5)可以簡化預應力筋的曲線。預應力筋僅在錨固、轉向處與結構相連，可以減少摩阻損失，提高預應力使用效率。

4.2 劣 勢

(1)箱梁腹板處設置齒板，對定型模板的設計、制作、安裝造成一定的困難。

(2)體外索體均置于箱梁頂板下部，后期安裝體外索體較為困難，特別是高度較大的橋梁，索體安裝安全隱患突出，需要搭設安全有效的施工平臺或掛籃。

(3)錨固及轉向區域容易造成應力集中，局部應力較大，對錨固施工要求較高。

(4)體外索與混凝土的變形不一致，容易造成預應力的損失。

(5)無粘結、無束縛的體外預應力索對抵抗破壞荷載和保證結構穩定性的能力減弱。

(6)布置在邊梁外側的體外索和齒板的形式影響橋梁整體的外觀。

5 結語

雖然體外預應力技術的應用存在上述不可忽視的缺陷，但因其具有截面尺寸小，自重輕，預應力筋替換、維護管理方便，預應力損失小，縮短施工工期以及耐久性較強等優點，目前已逐步應用于橋梁、大跨度屋頂、筒倉、蓄水池、高架橋、高速公路、高層大型停車場、舊建筑的加固等建筑結構中。齊泰高速公路塔子城互通式立交橋體的建設，成為應用體外預應力技術的成功實例。

［1］ 李晨光，劉 航，楊學中，吳文奇，劉子鍵.體外預應力體系研究與工程應用新進展［C］.第五屆全國預應力結構理論與工程應用學術會議(論文集)，2008，35(增刊):20－25.

［2］ 熊學玉，顧 煒，李亞明.體外預應力結構體系探討［J］.工業建筑，2004，34(7):50 －60.

［3］ 熊學玉，顧 煒.體外預應力技術綜述［J］.滁州職業技術學院學報.2003，2(4):5－7.