低回縮豎向錨固系統(tǒng)在剛構(gòu)橋中的應(yīng)用

周新珍

(中鐵十五局集團第五工程有限公司,河南洛陽 471002)

低回縮豎向錨固系統(tǒng)在剛構(gòu)橋中的應(yīng)用

周新珍

(中鐵十五局集團第五工程有限公司,河南洛陽 471002)

結(jié)合溆懷高速公路第六合同段沅水大橋連續(xù)剛構(gòu)梁體豎向預(yù)應(yīng)力的施工,對“二次張拉低回縮鋼絞線豎向預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)”的工作原理、設(shè)計原則、系統(tǒng)構(gòu)造做了詳細介紹,同時對二次張拉低回縮錨固系統(tǒng)的施工步驟進行了簡單說明,對類似工程有一定參考價值。

二次張拉 低回縮 錨固系統(tǒng)

1 工程概況

溆懷高速公路第六合同段沅水大橋2#～8#墩上部結(jié)構(gòu)為58m+4×100m+58m雙肢連續(xù)剛構(gòu)懸臂澆筑箱梁。梁體為單箱單室箱形截面，箱梁頂板寬度12.75m，底板寬6.75m，箱梁中線處(0#塊高度)根部梁高6.0m，跨中梁高3.0m，箱梁高度與底板厚度均按二次拋物線變化。箱梁腹板厚度70～45cm。懸澆變截面連續(xù)箱梁采用橫、豎、縱三向預(yù)應(yīng)力，每一腹板按照縱向間距50cm，設(shè)置兩根豎向預(yù)應(yīng)力，豎向預(yù)應(yīng)力鋼束下部為固定端，上部為張拉端。

2 用低回縮豎向錨固系統(tǒng)方案的確定

2.1 精軋螺紋鋼筋豎向預(yù)應(yīng)力典型病害

預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋(包括連續(xù)梁橋、剛構(gòu)連續(xù)和連續(xù)剛構(gòu)組合體系)以其結(jié)構(gòu)剛度好、行車平順、造價相對較低、養(yǎng)護簡單等一系列優(yōu)點，但通過對豎向預(yù)應(yīng)力用“精軋螺紋鋼YGM錨固體系”分析研究得知，該結(jié)構(gòu)形式存在以下幾種致命缺陷。

(1)精軋螺紋鋼強度較低，預(yù)應(yīng)力張拉時延伸絕對值很小(特別是短束僅幾毫米)，但在同樣放張回縮值情況下，預(yù)應(yīng)力損失比例就很大，短束預(yù)應(yīng)力損失更可怕(一些橋梁的豎向有效預(yù)應(yīng)力與豎向預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力相比損失甚至達到60%[1])。

(2)雖然橋規(guī)中規(guī)定帶螺母的YGM精軋螺紋鋼錨具回縮值不大于1mm，但實際檢測表明：放張時，鋼筋的回縮損失：鋼筋上螺紋與螺母的間隙及變形為2mm左右，另外螺母與墊板的接觸面與鋼筋軸線成45°夾角造成實際損失4mm左右[2]，其實際回縮損失大大超出規(guī)范要求。

(3)在工程實際施工過程中，精軋螺紋鋼筋被拉斷的現(xiàn)象時有發(fā)生，甚至有發(fā)生極端的張拉施工完至大橋通車前有30多根精軋螺紋鋼筋斷裂沖破橋面鋪裝層致使精軋錨具突出橋面(也有橋梁通車后發(fā)生的極個別力筋斷裂事故)。豎向精軋螺紋鋼筋一旦斷裂，后果是無法補救的，危害很大[2]。

(4)精軋螺紋鋼筋YGM錨固體系由于其力筋是剛性索，在施工時對錨固螺母、預(yù)應(yīng)力粗鋼筋及墊板三者的安裝精度要求相當(dāng)高，否則會造成放張時錨固螺母擰不到位，這是該結(jié)構(gòu)的永存應(yīng)力極難保持穩(wěn)定易發(fā)生隨機變化的一個重要原因。

(5)精軋螺紋鋼筋YGM錨固體系，雖然應(yīng)用已有二十多年，但缺少完整的施工驗收規(guī)程，加之結(jié)構(gòu)本身的原因，張拉施工后技術(shù)管理和監(jiān)理人員無法監(jiān)測判斷施工是否符合(或達到)設(shè)計要求。設(shè)計、施工、監(jiān)理各環(huán)節(jié)管理人員對預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量心中無底，十分不放心。

(6)豎向預(yù)應(yīng)力普遍存在由于壓漿不通或壓漿很難起到黏結(jié)握裹作用的質(zhì)量問題，通過對國內(nèi)外對預(yù)應(yīng)力混凝土橋的調(diào)查表明，管道壓漿不密實幾乎成了工程的通病，而且后患無窮[2]。

2.2 箱梁橋腹板裂縫病害

箱梁橋腹板裂縫病害主要是因豎向預(yù)應(yīng)力不足以克服主拉應(yīng)力而導(dǎo)致腹板混凝土開裂。一是因施工未達到設(shè)計要求而致使豎向永存應(yīng)力通常小于主拉應(yīng)力，二是施工的不規(guī)范或出現(xiàn)的偏差，無論是施工方、監(jiān)理方、設(shè)計方以及業(yè)主都無法監(jiān)測到豎向預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量，最后產(chǎn)生可預(yù)見的風(fēng)險—腹板開裂。

通過腹板應(yīng)力場試驗、腹板抗剪極限荷載試驗和實橋測試表明：“二次張拉低回縮鋼絞線豎向預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)”(簡稱“低回縮豎向錨固系統(tǒng)”)能大幅度減小中短束預(yù)應(yīng)力筋的放張損失，大幅度提高豎向預(yù)應(yīng)力效率和結(jié)構(gòu)的抗剪安全度，且豎向?qū)嶋H永存應(yīng)力能穩(wěn)定達到設(shè)計要求，避免腹板開裂。

2.3 方案的確定

鑒于以上原因，沅水大橋連續(xù)剛構(gòu)梁體豎向預(yù)應(yīng)力施工時決定采用“低回縮豎向錨固體系”，徹底創(chuàng)新豎向預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮高強度低松弛鋼絞線力筋的優(yōu)勢，利用其柔性索、高延伸量、張拉控制應(yīng)力低(不易發(fā)生塑性變形)的優(yōu)點，用鋼絞線力筋二次張拉(傳統(tǒng)鋼絞線夾片錨是不允許二次張拉的)克服夾片錨固回縮損失大的問題，同時，實現(xiàn)豎向預(yù)應(yīng)力張拉施工后方便量化檢測張拉施工質(zhì)量，根除豎向預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量不好的通病。

3 低回縮豎向錨固系統(tǒng)的工作原理及構(gòu)造

3.1 低回縮豎向錨固系統(tǒng)的工作原理

P錨與鋼絞線通過擠壓固定連接后，由壓板壓緊固定在固定端墊板上，鋼絞線穿過固定端的墊板、固定端螺旋筋、約束圈、波紋管、張拉端墊板、張拉端螺旋筋等后連同固定端的進漿鋼管(進漿鋼管一端伸進波紋管內(nèi)，另一端與進漿塑料管連接，并將塑料管引出混凝土外)一起預(yù)埋在梁體的混凝土內(nèi)，在澆筑混凝土后，固定端的墊板、張拉端墊板及混凝土一起構(gòu)成承力架構(gòu)。安裝的張拉端低回縮錨具，第一次先張拉鋼絞線至設(shè)計控制張拉力，并持荷2min后，放張錨固；第二次再將張拉端低回縮錨具的錨杯連同力筋進行整體張拉并至設(shè)計張拉力，錨杯下端面會離開墊板5～13mm，再次持荷2min，并向墊板側(cè)擰扭支承螺母，以消除錨杯與墊板之間的間隙。達到克服第一次張拉產(chǎn)生的錨具放張回縮的目的，以便降低豎向預(yù)應(yīng)力損失，且提高預(yù)應(yīng)力筋效率的目的。

3.2 低回縮豎向錨固系統(tǒng)構(gòu)造

低回縮豎向錨固系統(tǒng)是由固定端墊板、P錨、約束圈、壓板、壓板螺桿組件、固定端螺旋筋、進漿鋼管、鋼絞線、波紋管、張拉端墊板、張拉端螺旋筋及張拉端低回縮二次張拉錨具等共同組成的。如圖1所示。

3.2.1 低回縮豎向錨固系統(tǒng)張拉端構(gòu)造

張拉端“低回縮錨具”是由錨杯、夾片、支承螺母、墊板、螺旋筋等組成的，其構(gòu)造如圖2所示。

錨杯圓臺(或圓柱)內(nèi)設(shè)置有夾片座套，外周應(yīng)有螺紋，螺紋牙距應(yīng)在2～4mm之間，支承螺母的螺紋應(yīng)與錨杯螺紋一致，且為間隙配合。同時還要滿足錨杯高度h1≥h2+28(mm)。

圖1 低回縮豎向錨固系統(tǒng)構(gòu)造示意圖

圖2 張拉端構(gòu)造示意圖

圖3 固定端構(gòu)造示意圖

圖4 槽口護罩和固定塞安裝示意圖

圖5 第一次張拉安裝示意圖

圖6 第二次張拉安裝示意圖

圖7 錨杯與支承螺母相對位置示意圖

墊板材料最好為HT200鑄鐵，但鑄件不允許有砂、氣孔等缺陷。支承錨杯的墊板平面要采用機械加工，且應(yīng)在墊板平面設(shè)置排氣(或壓漿)孔，并和壓漿孔道相通，另外孔道應(yīng)有足夠的截面積，以保證漿液的暢通，在孔口應(yīng)設(shè)置螺紋與排氣(或壓漿)管道相連，墊板內(nèi)孔的直徑要與波紋管外徑相匹配。

3.2.2 低回縮豎向錨固系統(tǒng)固定端構(gòu)造

固定端的“P型錨具系統(tǒng)”由壓板、壓板連接螺桿、擠壓套、彈簧、墊板、螺旋筋、進漿鋼管、約束圈等共同組成，其構(gòu)造如圖3所示。

“彈簧”最好采用三角彈簧，其熱處理硬度應(yīng)≥63HRC。“擠壓套”宜采用優(yōu)質(zhì)的合金結(jié)構(gòu)鋼，其熱處理硬度應(yīng)為6～20HRC。

墊板的采用宜為Q235鋼板，厚度宜≥18mm。穿鋼絞線孔直徑宜取φ(1.05～1.15)。

壓板與壓板連接桿組件應(yīng)將P錨壓緊在固定端墊板上且無明顯變形。

4 低回縮豎向錨固系統(tǒng)的施工

4.1 低回縮豎向錨固系統(tǒng)

鋼絞線、波紋管等的施工應(yīng)按設(shè)計圖和《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50-2011)的要求執(zhí)行。

4.2 混凝土澆筑

混凝土澆筑前檢查預(yù)應(yīng)力筋、錨具和管道的安裝是否符合要求。澆筑混凝土施工時，應(yīng)特別注意不能讓振動棒振打波紋管及固定端墊板、錨具，確保不漏漿、不錯位；澆筑混凝土后，在其終凝2～5h內(nèi)，及時拆除張拉端槽口穴模。在拆出張拉端槽口的穴模后，及時在原穴模位置安裝槽口護罩和固定塞(如圖4所示)，防止雜物進(掉)入穴孔內(nèi)影響錨具安裝、張拉、壓漿工序質(zhì)量。槽口護罩和固定塞按要求的型式和尺寸加工、安裝，也可根據(jù)施工實際選用其他構(gòu)造型式的護罩[3]。

4.3 施加預(yù)應(yīng)力

4.3.1 工藝要求

第一次施加預(yù)應(yīng)力的機具、設(shè)備準備工作均按《橋涵施工技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。第二次張拉應(yīng)在第一次張拉放張后2～16h內(nèi)進行，放張時應(yīng)采用專用千斤頂與張拉連接裝置。對預(yù)應(yīng)力筋的錨固，應(yīng)在張拉控制應(yīng)力處于穩(wěn)定狀態(tài)下進行，錨固階段張拉端的內(nèi)縮量應(yīng)符合第一次張拉錨固回縮量≤6mm、第二次張拉錨固回縮量≤1mm的規(guī)定[4]。

4.3.2 應(yīng)力控制

第一次張拉控制應(yīng)力應(yīng)按設(shè)計的張拉控制應(yīng)力超張5%，且張拉控制應(yīng)力值不應(yīng)大于0.8fpk。第二次張拉控制應(yīng)力按σcon進行控制。第二次張拉初應(yīng)力宜采用現(xiàn)場試驗測試平均值的方法來確定，將力筋張拉至力筋錨杯下端面離開墊板平面之時的張拉應(yīng)力值即為初應(yīng)力值。

預(yù)應(yīng)力筋采用應(yīng)力控制方法進行張拉，并以伸長值進行校核。第一次張拉的實際伸長值與理論伸長值之差須控制在±6%以內(nèi)，第二次張拉的實際伸長值與理論伸長值之差須控制在±10%內(nèi)；否則，應(yīng)暫停張拉，在查明原因和采取措施后，繼續(xù)進行張拉。為確保永存預(yù)應(yīng)力的穩(wěn)定性，在第二次張拉放張后實際伸長值與理論伸長值之間誤差應(yīng)控制在+10%～-15%內(nèi)，否則要重新進行張拉，并使之達到要求。

豎向預(yù)應(yīng)力筋理論伸長值△L可分別按下列公式計算：

第一次張拉理論伸長值△LⅠ(mm)按下式計算：△LⅠ= PⅠPL/ AprEP

第一次張拉實際伸長值△L總Ⅰ(mm)按下式計算：△L總Ⅰ=△L1+△L2

第二次張拉理論伸長值△LⅡ(mm)按下式計算：△LⅡ(mm)=(PⅡP-PⅠPS)L/ApyEP

第二次張拉實際伸長值：△LⅡ總=△LⅠPS

4.3.3 張拉

(1)第一次張拉。第一次張拉時，千斤頂、限位板與錨具的安裝如圖5所示。在安裝錨具時錨杯應(yīng)與墊板接觸，支承螺母和墊板應(yīng)有一定間隙，且在第一次張拉時支承螺母不受力。張拉程序為：0→初應(yīng)力→1.05σcon(持荷2min)→錨固

對第一次張拉的實際伸長值進行測量：

a、在張拉至0.1σcon時測量千斤頂活塞桿的外伸值△La和工具夾片的外露高度。

b、在張拉至1.05σcon時測量千斤頂活塞桿的外伸值△Lb和工具夾片的外露高度。

c、按下式計算第一次張拉實測的伸長值：△L總Ⅰ=△Lb-△La+△L2-△Le

d、將實測的伸長值與理論伸長值進行比較，其誤差應(yīng)在±6%之內(nèi)。否則，須暫停張拉，待查明原因后方可繼續(xù)進行張拉施工。

(2)第二次張拉。用砂輪切割機先將錨杯外露30～40mm之間的鋼絞線切去，再按圖6所示對連接套、支架、拉桿、千斤頂進行安裝。支架架在張拉平面上，要確保張拉軸線與墊板面的垂直。張拉程序為：0→σⅠPS→σcon(持荷2min)→旋緊支承螺母→錨固

對第二次張拉的實際伸長值進行測量：

a、在張拉至σⅠPS(0.5σcon)時測量千斤頂活塞桿的外伸值△Lc。

b、在張拉至σcon時測量千斤頂活塞桿的外伸值△Ld。

c、按公式L總Ⅱ=△Ld-△Lc計算出實測的第二次張拉伸長值。

d、將實測的伸長值與理論伸長值進行比較，其誤差應(yīng)在±10%之內(nèi)。否則，須暫停張拉，待查明原因后方可繼續(xù)進行張拉施工。

e、拆移張拉千斤頂及張拉連接系統(tǒng)，測量錨杯與支承螺母相對位置差值△LH(如圖7所示)。

f、校驗第二次張拉放張后的伸長值：測量錨杯高度H1→測量支承螺母高度H2→按△L放Ⅱ=△LH-(H1-H2)+1計算二次張拉放張后實際伸長值。

將計算得出的第二次張拉放張后的實際伸長值△L放Ⅱ與第二次張拉理論伸長值△LⅡ進行比較，誤差應(yīng)在+10%～-15%之間。否則，須暫停張拉，待查明原因和采取糾正措施后，方可繼續(xù)進行第二次張拉施工。

4.4 孔道壓漿

孔道壓漿應(yīng)按《橋涵施工技術(shù)規(guī)范》的要求施工。

4.5 封錨

孔道壓漿后，應(yīng)及時對張拉端錨具進行封錨。

5 結(jié)語

用二次張拉低回縮鋼絞線豎向預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)替代精軋螺紋鋼筋錨固體系(以15-3G替代φ32精軋鋼筋為例)能大幅提高實際豎向預(yù)應(yīng)力水平(單束實際永存預(yù)應(yīng)力由300多千牛提高到520千牛以上)，預(yù)應(yīng)力鋼材用量減少50%，可十分方便監(jiān)測到已施工預(yù)應(yīng)力束的施工質(zhì)量，確保豎向永存應(yīng)力不會發(fā)生隨機變化而非常穩(wěn)定、可靠。徹底解決了孔道壓漿不通(孔道無漿)、壓漿不密實及壓漿很難起到粘結(jié)握裹作用的問題，實現(xiàn)了孔道壓漿密實、飽滿。

[1]中國公路學(xué)會橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會編.2006年全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集[C].北京:人民交通出版社,2006:87-90.

[2]朱漢華,陳孟沖,袁迎捷.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫分析與防治[M].北京:人民交通出版社,2006:25-32.

[3]中交第一公路工程局有限公司.JTG/T F50-2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2011:49-62.

[4]湖南省高速公路管理局,湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司.湖南省高速公路橋梁預(yù)應(yīng)力精細化施工指南,2010年11月:10-18.

For the example of Xuhuai Expressway Contract No.6 Yuanshui Bridge with continuous rigid frame structure beam, which is constructed with vertical prestressed concrete, the article has detailedly expressed the working principles, designing principles, and the system structures of secondary stretching low retracting steel wire vertical prestressed anchorage system, it has also simply explained the construction sequences of the anchorage system and has certain references for the similar project.

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