無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒在橋梁施工中的控制

劉曉輝

(中鐵二十局集團第二工程有限公司，北京 100080)

連續(xù)梁橋具有整體性好、超載能力大、結(jié)構(gòu)剛度大、安全度大等優(yōu)點，且設(shè)計及施工方法均比較成熟，在受到地形、通航(車)凈空等條件限制時優(yōu)先采用的橋梁結(jié)構(gòu)型式。因各方面原因，導(dǎo)致該橋型在通車后，梁體下?lián)虾透拱辶芽p，引發(fā)橋梁的壽命和安全存在嚴(yán)重的隱患。

從較多橋梁案例發(fā)現(xiàn)，豎向預(yù)應(yīng)力損失與設(shè)計過程中使用的材料和施工方法有較大關(guān)系，本文通過預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒作為豎向預(yù)應(yīng)力體系在新建包頭至銀川鐵路鎮(zhèn)朔湖特大橋的應(yīng)用，簡單從無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒的構(gòu)造和材料特性、受力計算、施工方法及優(yōu)點等各方面分析，從安全性、社會和經(jīng)濟效益等多個角度論證無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒的應(yīng)用價值，為類似橋梁施工提供借鑒。

1 工程概況

包頭至銀川鐵路鎮(zhèn)朔湖特大橋位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市大武口區(qū)，本橋為上跨石嘴山環(huán)線高速公路，跨越方式為(48+2×80+48)m 連續(xù)梁。梁體結(jié)構(gòu)形式為單箱單室、直腹板、變高度箱形截面，梁體豎向預(yù)應(yīng)力體系采用?16-2 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒，抗拉極限強度fpk=1420Mpa，彈性模量E=201GPa，單支單端張拉，鋼棒兩端采用PSU16-2 配套錨具。

2 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒的構(gòu)造和材料特性

2.1 構(gòu)造形式

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒構(gòu)造形式由受力筋和錨固兩大系統(tǒng)組成。受力筋為表面涂有特殊防腐潤滑脂的鋼棒，并包裹高密度聚乙烯樹脂護套組成預(yù)應(yīng)力鋼棒，受力筋與護套間存在一定的間隙，使受力筋能在護套中任意滑動。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒錨固系統(tǒng)由錨固螺母、錨固擋板、螺旋筋、錨墊板、錨固備母五部分組成。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒構(gòu)造見圖1。

圖1 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒構(gòu)造圖

2.2 材料特性

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒各組成部分的名稱及規(guī)格、材質(zhì)和數(shù)量見表1。

表1 各組成部分名稱及規(guī)格、材質(zhì)和數(shù)量表

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒是鋼棒通過冷拔調(diào)質(zhì)工藝加工，機械性能良好。使用錨固回縮量僅為0.10mm 的高強度標(biāo)準(zhǔn)螺紋錨固并且錨固螺距僅為1.50mm，施工精度極高，確保了應(yīng)力損失極小，保證了張拉應(yīng)力與伸長量一致性高。

3 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒受力分析

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒受力分析主要有鋼棒、錨固螺母和螺紋、錨墊板等承載力計算，及錨下混凝土局部承壓強度和抗裂計算。

3.1 單根鋼棒承載力計算

式中：F1-單根鋼棒承載力KN；Pm-鋼棒抗拉強度Mpa；Sn-鋼棒公稱橫截面面積mm2。

3.2 螺紋承載力計算

3.2.1 螺紋應(yīng)力截面積

式中：As-鋼棒螺紋應(yīng)力截面面積mm2；d2-外螺紋中徑尺寸mm；d3-外螺紋小徑的尺寸，(d1)減三角高度(H)值的1/6，即

式中：H-螺紋三角形高度mm，P-螺距mm。

由(2)～(4)計算式可得螺紋的應(yīng)力截面積。因此無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒螺紋受力最小截面積為3.0。

3.2.2 螺紋承載力

式中：F2-螺紋承載力KN，Sp-保證應(yīng)力Mpa。

3.3 錨固螺母承載力計算

3.3.1 錨固螺母支撐截面積

式中：S1-錨固螺母支撐截面積mm2；l-對變長度mm；d4-螺紋最大直徑mm。

3.3.2 錨固螺母極限承載力

計算式中：F3-錨固螺母極限承載力KN；σ -碳素結(jié)構(gòu)鋼抗拉強度Mpa。

3.4 錨墊板承載力計算

3.4.1 錨墊板受力截面積

式中：S2-墊板截面積mm2；L、B-墊板長和寬尺寸mm；n-墊板孔數(shù)；d-墊板位孔直徑mm。

3.4.2 極限承載力式中：F4-錨墊板極限承載力KN。

3.5 錨下混凝土抗裂和局部承壓強度校核

錨下混凝土局部承壓強度和抗裂性在鋼棒位置的校核由公式(10)和(11)進行驗算。

式中：β -局部混凝土承壓強度系數(shù)，為A/Ac，A-局部承壓混凝土底面積m2，Ac-局部承壓面積m2；fc-軸心抗壓極限強度Mpa；Kcf-承壓抗裂安全系數(shù)，取1.50；Nc-壓力MN。

3.6 產(chǎn)品主要性能指標(biāo)檢測值

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒產(chǎn)品主要性能指標(biāo)檢測值見表2。

表2 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒產(chǎn)品主要性能指標(biāo)檢測值表

根據(jù)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒產(chǎn)品質(zhì)量證明書和產(chǎn)品主要性能指標(biāo)檢測值，截取無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒長度1000mm，單端張拉受力取185.5KN，單端固定，套入上述計算公式分析受力為：在錨固螺母與預(yù)應(yīng)力鋼棒最大受力點為交接位置，鋼棒受力強度最高為1068Mpa 小于屈服強度1280Mpa，受拉位移量為4.4mm，與每延米伸長量4.462mm 的差值為0.062mm，符合張拉偏差規(guī)定的要求。在承受設(shè)計荷載后無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒各組成部分均能處于安全狀態(tài)，即滿足使用要求。

4 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒施工控制

4.1 張拉設(shè)備

千斤頂采用型號為YCD3500 穿心千斤頂。張拉時使用連接桿聯(lián)接張拉端頭絲扣，旋轉(zhuǎn)鎖緊手柄在施加應(yīng)力階段，錨固螺母鎖緊。應(yīng)校正千斤頂?shù)南禂?shù)不大于1.05，與配套油表同時標(biāo)定后可使用，采用精度為0.4 級的防振型油壓表。使用的千斤頂形式見圖2。

圖2 使用的千斤頂形式圖

4.2 施工方法

4.2.1 張拉要求

4.2.1.1 梁體混凝土強度和彈性模量均應(yīng)達到設(shè)計要求以上，且不小于7 天的齡期。

4.2.1.2 張拉時以“雙控”控制，張拉力控制為主，伸長值校核，且差值必須控制在6%以內(nèi)。對稱同時進行兩側(cè)腹板張拉。

4.2.2 施工方法

安裝箱梁底、外模和鋼筋→組裝、加固無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒固定端→安裝頂面鋼筋→定位、加固張拉端→驗收檢查→安裝、加固內(nèi)模→施工、養(yǎng)護混凝土→張拉→張拉端部封錨。其中，安裝過程將固定端錨固螺母旋緊，再安裝擋板和錨固備母；張拉結(jié)束后，從兩支無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒端頭將錨固擋板同時穿入，再將錨固擋板推至與錨固螺母外側(cè)貼合，依次鎖緊錨固備母。

4.2.3 注意事項

4.2.3.1 施工過程中需對“錨具、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒連接、錨具、張拉、錨固擋板等安裝工序驗收”，全部施工完畢后對真實性和完整性逐個檢查，確保按施工圖要求進行施工。

4.2.3.2 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒安裝過程，需對外壁高密度聚乙烯樹脂護套進行保護，確保完整性，防止鋼棒與混凝土接觸，對后期張拉時產(chǎn)生影響。

4.2.3.3 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒安裝時預(yù)留螺紋工作長度80mm(張拉端鋼棒端頭距錨墊板外側(cè))。

4.2.3.4 張拉時必須兩側(cè)腹板對稱同步施工，任何人員嚴(yán)禁靠近張拉端，防止操作失誤導(dǎo)致意外事故發(fā)生。

4.2.3.5 封錨時，需先對張拉槽口混凝土鑿毛，將雜物清理干凈，避免封錨外觀較差。

5 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒優(yōu)點

5.1 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒成型定制為在線涂油熱擠塑連續(xù)方法，鋼棒和護套無間隙，有較好的機械性能，延伸率可達7%以上。

5.2 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒長度為定尺加工，張拉后無需切割，施工工藝簡單、提高工效、節(jié)省成本的目標(biāo)，減少了施工中質(zhì)量事故風(fēng)險，因此具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

5.3 采用調(diào)質(zhì)工藝進行鋼棒加工，具有強度高、延性好，抗拉強度可達到1570 級，在1570 級時斷后伸長率仍可達7%以上。

5.4 施工過程無需預(yù)留管道，張拉完畢即可封錨，避免振搗過程中管道損壞，造成預(yù)應(yīng)力筋銹蝕和有效應(yīng)力損失等質(zhì)量隱患。

5.5 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒憑借固擋板和錨固備母作為防護裝置，如預(yù)應(yīng)力鋼棒發(fā)生意外斷自身在結(jié)構(gòu)受力、質(zhì)量控制及可操作性方面的明顯優(yōu)勢，可有效避免事故的發(fā)生。

5.6 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒組成部分施工精度極高，機械性能良好，應(yīng)力損失極小，伸長量與張拉應(yīng)力相符性強，且為一次張拉即可滿足設(shè)計要求。

結(jié)束語

本文介紹了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒的構(gòu)造形式、材料特性、受力分析、施工方法及施工優(yōu)點進行簡述，在新建包頭至銀川鐵路鎮(zhèn)朔湖特大橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋上的使用表明，其克服了傳統(tǒng)精軋螺紋鋼由于應(yīng)力損失產(chǎn)生梁體下繞和腹板開裂的質(zhì)量缺陷；規(guī)避了因預(yù)應(yīng)力管道壓漿不實被腐蝕的危害；使得預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋變形小、整體性、剛度大、抗震性好等優(yōu)點等從各個方面都能保證，有比較成熟的設(shè)計和施工工藝，工期和質(zhì)量的控制有效，且養(yǎng)護工作量小等，能在各類橋梁工程中廣泛應(yīng)用。