自平衡預應力中空管工藝特性研究與分析

邱興友，夏云龍，于雪暉

（1.浙江樂清灣大橋及接線工程建設指揮部，浙江 玉環 317600；2.浙江省交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310006）

0 引言

高強度精軋螺紋鋼筋由于施工工藝簡單、操作簡便而在短束預應力中得到廣泛使用，但由于其錨固過程中的錨具變形損失常常不能得到有效控制，造成一些混凝土結構的預應力不能滿足設計要求甚至失效，導致結構出現病害[1]。

浙江省樂清灣大橋及接線工程YS04標大麥嶼疏港公路分離立交橋為3跨變截面連續混凝土箱梁橋，跨徑分布為45 m+80 m+45 m。主梁截面為混凝土箱型截面。橋面寬16.25 m，根部截面高5 m，跨中截面高2.5 m。腹板厚度為60～70 mm。全橋腹板施加豎向預應力，預應力布置采用“梅花型”布置形式。本橋全橋采用預應力中空管代替傳統的高強度精軋螺紋鋼筋，對腹板施加豎向預應力[2]。腹板豎向預應力布置截面圖見圖1。

圖1 腹板豎向預應力布置截面圖

1 預應力中空管工作原理

先張自平衡預應力中空管由高強中空管、頭部工作螺母、尾部工作螺母組成，配套輔助反力棒、工作內螺母、工作外螺母、壓墊。通過工作外螺母與中空管的頭部錨固螺母一側與之相連，工作內螺母為中空，旋轉在工作外螺母內前端，通過輔助反力棒壓墊與反力棒相貼。外置壓縮鋼棒穿過工作內螺母中通道頂住壓墊對內置反力棒施加一定壓力，使中空管材伸長，鎖緊工作內螺母。預應力中空管結構及原理圖見圖2。

圖2 預應力中空管結構及原理圖

主要通過對中空管內的反力棒施加壓力從而使中空管受拉，達到儲存預應力的目的，當預應力中空管埋入混凝土后，釋放反力棒，從而實現給混凝土施加預應力。由于預應力中空管依靠與混凝土的黏結力自錨，因此可以大大減小錨具變形損失，從而可以應用在短預應力束上。

現場施工時，把自平衡預應力中空管放至需要施加的混凝土中，待混凝土固結達到一定強度（一般不低于混凝土設計強度標準值的75%），混凝土與預應力中空管具有一定的黏結力后，解除工作內錨螺母，預應力由頭尾錨固螺母將中空管的預應力傳遞到混凝土中，實現先張法預應力混凝土。施工簡單方便，易控。

2 預應力中空管實橋施工工藝特性

2.1 施工工藝

自平衡預應力中空管在現場加工車間通過擠壓機對其進行預應力張拉并鎖定存儲，在箱梁需要釋放豎向預應力時對其存儲的預應力予以釋放，從而將預應力傳遞到混凝土中，并按照設計要求水灰比利用專用注漿泵對中空管進行灌漿封口。現場工藝性試驗流程如下：

（1）尺寸丈量、編號。丈量中空管實際長度，對鋼管進行尺寸標注和編號。

（2）組裝。按照反力棒、中空管對應的匹配尺寸，將反力棒塞入中空管內至尾端齊平。

（3）張拉、鎖定、存儲預應力。將專用頂棒塞入需張拉的中空管的工作內螺母；將中空管頭部穿過擠壓機支架孔洞裝入擠壓機支架，工作螺母全部進入支架后，夾緊支架夾板，向外拉中空管，使工作外螺母與支架夾板密貼；調整中空管與擠壓機油缸直線度，使兩者盡量同心同軸；控制液壓站給予擠壓機液壓力至要求存儲的預應力值、穩定力值，撥轉專用六角扳手鎖緊工作內螺母存儲預應力。

（4）安裝。將張拉完成的中空管吊裝到安裝位置附近的箱梁上，按照設計圖紙逐個對應安裝中空管，調整外露尺寸或高度，并通過鋼筋焊接底部墊板固定中空管。

（5）拆卸。待箱梁混凝土達到設計強度后，逆時針旋轉專用扭力扳手，松動工作內螺母，用電動扳手反方向快速取出工作內螺母、墊塊；用專用扭力扳手配套套筒對工作外螺母進行松動、拆除。

（6）抽芯。用專用抽芯夾具對反力棒進行夾持抽取；將工作內螺母、墊塊、工作外螺母及反力棒整齊碼放，及時吊裝到指定區域，做好防雨措施，以便于返廠修復，重復使用。

（7）灌漿。將注漿管插入中空管底部，稍留縫隙，根據內部灌漿壓力慢慢抽出注漿管，漿液溢出填滿所有空洞至橋面平齊。

2.2 工藝特性總結

經此次自平衡預應力中空管現場工藝性試驗，對選用的施工工藝、施工設備、施工人員操作手法和技術結合現場情況進行了全面驗證。現場監理、技術人員、項目部技術人員、施工人員在產品試驗過程中進行了旁站、操作，對產品結構、機理及施工中的操作細節和常見問題處理有了一定的經驗，經過雙方溝通均認為此次試驗能夠充分證明產品的可操作性，正常施工過程中能節省后張工藝時間，高效提高橋面作業時間。

基于本試驗研究成果，可以得到以下試驗結論與建議：

（1）整套張拉、鎖定、安裝、拆卸、取芯、注漿流程較為方便可行，能夠滿足實際現場施工要求。通過本次工藝試驗，可整理出相關施工指南用于規范施工。

（2）經過現場工藝性試驗，通過超張拉8%，可以實現預應力值鎖定工作。

（3）產品裝配必須嚴格按照規程安裝，否則會影響到后續的張拉和安裝工序正常進行。組裝之前建議對個別部件進行目測外觀檢查，觀察是否有損傷、毛邊，如果有，應及時進行調換、處理，尤其是螺紋齒牙。

（4）張拉鎖定工序是最為重要的環節，必須嚴格按照施工工藝標準進行，避免發生危險事故。張拉過程必須注意調整好反力棒與擠壓機油缸的同軸度，既可避免張拉過程中的危險，轉動扳手又比較省力。為了安全起見，張拉過程中，中空管末端不能夠站人。

（5）中空管需要按照設計圖紙逐個對應安裝，并通過鋼筋焊接底部墊板加以固定。注意不能焊接在中空管、螺母等位置。

（6）工序間歇期間做好相應部件的防銹措施。

（7）拆卸、抽芯工藝仍需進一步完善其專用工具，以更突出產品的結構優勢及其便捷性。

（8）拆卸的部件統一存放，回收利用，并盡快返廠處理。

3 自平衡預應力中空管產品性能試驗

3.1 試驗目的與內容

根據自平衡預應力中空管的施工工藝，將預應力中空管埋入混凝土前，需要通過對中空管內的反力棒施加壓力從而使中空管受拉，達到儲存預應力的目的。所以首先要對產品在出廠前的預應力儲存效果進行試驗評估。儲存效果的評估主要包括幾個方面，一是反力棒反向壓力后，中空管的張拉效果評估，取決于反力棒與中空管間的相互作用效果以及鎖定裝置是否有效；二是張拉完畢一段時間內預應力儲存效果評估，取決于產品材料的松弛情況與鎖定裝置的長期有效性。分析評估通過在張拉工序全過程對產品的應力檢測來進行。

產品的應力檢測內容包括3個方面：張拉過程的應力變化；張拉完畢自錨固后的應力變化；錨固完畢后放置幾天后的應力變化。

3.2 試驗方案[3]

由于主要是通過端部位置對預應力中空管進行張拉，所以應力測點主要布置在其兩側端部位置。兩側端部位置的應力測量主要是針對張拉過程以及錨固后的應力變化，測量時間較短，可用應變片進行測量。錨固完畢放置3～5 d后需要對產品的應變損失進行測量，而應變片在長時間放置后數據不穩定，需要使用應變傳感器進行測量，所以在中間位置布置一個傳感器測點。

根據前期的分析結果以及產品的特性，應力測點及傳感器的布置情況如圖3所示。

圖3 應力測點及傳感器的布置（單位：mm）

3.3 試驗結果

根據試驗分析結果，自平衡預應力中空管在張拉階段完畢后，能夠保證其平均應力基本滿足超張拉力下的理論值。

張拉完畢后，預應力中空管應力分布不均，結合現場試驗情況來看，產品的彎曲會對應力分布產生一定的影響。彎曲產生的原因有兩點：一是材料本身處理問題，本身預應力中空管即存在一定的彎曲；二是張拉時采用的是兩點支撐，建議當桿件較長時，采用多點支撐，且保證支點保持在一個水平面為佳。

產品鎖定時，由于扭緊螺母時對預應力中空管的收緊效果，其張拉應力有些許提高；油泵完全卸載以后，鎖定裝置收緊壓縮，產生了一定的損失量。該損失量與錨具型號有關，根據本次試驗分析結果，測得的錨具壓縮量分布在0.683～1.957 mm范圍內，平均值為1.325 mm。建議不考慮扭緊螺母對應力提高的貢獻，以1.4 mm為錨具損失計算壓縮量。

產品張拉完畢放置5 d后，各桿發生了應力松弛，各桿在發生了5 d的應力松弛后能夠保證應力滿足設計值要求，部分桿件平均應力小于超張拉設計值，說明按原設計要求的超張拉值是能夠滿足施工需求的。

應力松弛隨著時間的增加，其變化幅度逐漸降低，當松弛時間達到4～5 d時，應力變化曲線趨于平穩；另松弛期間，桿件振蕩并不會對應力松弛產生比較明顯的影響。應力松弛為4%的有效應力左右。

4 結語

（1）采用預應力中空管，可實現短束預應力工廠化、標準化，為解決目前預應力結構中短束預應力難題提供一項有效的選擇。

（2）預應力中空管在本項目實橋中的施工工藝試驗豐富了預應力中空管的工程實踐經驗，為今后預應力中空管的推廣應用提供了有益的工程經驗。

（3）通過自平衡預應力中空管產品性能試驗，得出預應力錨具計算壓縮量及相應的預應力管應力松弛率，為今后預應力中空管的工程設計提供了有效指導依據。