無粘結預應力鋼棒在斜拉橋施工中的應用

張錄生

（甘肅五環公路工程有限公司，甘肅 蘭州 730050）

1 工程概況

桑園子黃河大橋的橋塔采用了菱形的“雙子塔”設計，南塔高152 m，北塔高133 m。根據形態和位置的不同，橋塔分為上塔柱和下塔柱。南北塔的上塔柱高度為97 m，南塔的下塔柱高度為55 m，北塔的下塔柱高度為36 m。橋塔采用了變截面雙柱的結構，塔柱采用了單箱單室的箱型截面。上塔柱的順橋向寬度為6.5 m，橫橋向寬度為4.5 m。南岸下塔柱的順橋向寬度為6.5～10 m，橫橋向寬度為4.5～9 m。北岸下塔柱的順橋向寬度為6.5～8.3 m，橫橋向寬度為4.5～7 m。順橋向的壁厚為1.2 m，橫橋向的壁厚為0.7 m。整座橋上共使用了25 104束無粘結預應力鋼棒，共有6種型號。錨固段預應力鋼棒布置圖和構造圖如圖1、圖2所示。其中，φ16-3型號采用了單支單端張拉的方式，張拉端和錨固端都采用了M16-3型號的錨具。所使用的預應力鋼棒配件包括錨墊板、錨固螺母、錨固擋板、錨固備母和螺旋筋。

圖1 錨固段預應力鋼筋布置圖

圖2 錨固段預應力鋼筋構造圖

2 無粘結預應力鋼棒在斜拉橋主塔施工中的作用和優點

主塔結構內同時布設有鋼筋和無粘結預應力鋼棒，組合預應力塔使各個預應力構件能充分發揮作用，起到揚長避短的效果，降低預應力的損失，減少主塔在使用時荷載作用下的擾度，充分發揮有粘結和無粘結預應力鋼棒各自的優勢，補償各自的劣勢。相較于普通鋼筋混凝土，無粘結預應力鋼筋混凝土具備以下優點。

（1）力學性能良好。與普通鋼筋混凝土相比，無粘結預應力鋼筋混凝土具有多項優點。首先，它具備出色的力學性能。在受荷載時，無粘結預應力鋼筋混凝土能夠更好地控制撓度和裂縫，減少預應力構件的反拱度。此外，預應力筋與外護套間設有防腐油脂層，可降低張拉損失，并且在使用期間可以進行預應力鋼筋的補張拉。

（2）構造簡單、自重輕。無粘結預應力鋼筋混凝土的構造相對簡單，自重較輕。在施工過程中，無需提前預留孔洞，只需在鋪設完鋼筋后，按照點位快速定位安裝即可。這樣的施工方式有利于節約工期和降低造價。

（3）施工方便，設備要求低，速度快。無粘結預應力鋼筋混凝土的施工也更加方便，設備要求較低，施工速度較快。無粘結預應力鋼筋的布置靈活，施工便捷，效率高，施工時間短，同時也需要較少的施工人員和材料。由于無需大型機械，施工現場也不會占用太多空間。

（4）抗腐蝕能力強。無粘結預應力鋼筋混凝土具有良好的抗腐蝕性能。涂料層的作用是隔離預應力筋和混凝土，減少摩擦損失，防止預應力筋腐蝕。涂料應具備化學穩定性和韌性，能在高溫下不開裂、不變脆、不流淌，并良好粘附在鋼筋上。此外，涂料層還應具備不透水、不吸濕、潤滑性好、摩阻力小等特性。外包層通常由塑料帶或高壓聚乙烯塑料管制作而成。

（5）抗震性能良好。無粘結預應力鋼筋混凝土還具有良好的抗震性能。由于無粘結預應力鋼棒為后張結構，當承受較大荷載時，無粘結預應力鋼棒處于受拉狀態，不會像鋼筋那樣由受拉轉為受壓，從而使結構處于安全狀態，并且仍然保持良好的撓度快復性能。

（6）抗疲勞性能良好。無粘結預應力鋼筋混凝土還具有良好的抗疲勞性能。由于無粘結預應力鋼棒與混凝土間可以相對滑移，使用階段的應力幅度較小，因此不會出現疲勞問題。

3 無粘結預應力鋼棒在斜拉橋施工中的應用

3.1 橋塔的施工

①焊接型斜拉索系統。無粘結預應力鋼棒可以用于構建斜拉索系統，這種系統通常采用焊接方式連接斜拉索和橋塔。在施工過程中，首先需要在橋梁兩端的主塔上焊接斜拉錨固件，然后通過鋼棒將錨固件與主塔連接起來。這種斜拉索系統的優點是簡單可靠，施工周期較短，適用于中小跨度的斜拉橋。②包線型斜拉索系統。包線型斜拉索系統是另一種常見的斜拉橋支撐結構，也可以使用無粘結預應力鋼棒進行構建。在施工過程中，首先需要在主塔上安裝包線器，然后通過鋼棒將包線器與主塔連接起來，形成連續的斜拉索。這種斜拉索系統的優點是在跨度較大的斜拉橋中更為常見，可以分擔主纜的受力負荷，使得整個橋梁結構更加穩定。

3.2 主纜的張拉

①使用預張拉機進行張拉操作。無粘結預應力鋼棒需要在施工過程中進行張拉，以產生預應力，并使其處于預應力狀態。通常使用預張拉機進行張拉操作，預張拉機通過施加力來拉緊無粘結預應力鋼棒，使其產生預應力。在張拉過程中，需要控制張拉力的大小，以確保鋼棒達到設計要求的預應力水平，同時考慮橋梁結構的整體穩定性。②控制張拉力和張拉變形。在主纜張拉過程中，除了控制張拉力的大小，還需要注意控制張拉變形。張拉變形是指在無粘結預應力鋼棒受到張拉力時發生的長度變化。控制張拉變形的目的是使得不同位置的鋼棒長度變化盡量一致，以保證主纜的均勻張拉和橋梁結構的整體穩定性。

4 緊固裝置的選用

4.1 緊固裝置的功能與選擇標準

緊固裝置用于連接無粘結預應力鋼棒和橋梁結構的其他部分，起到固定和傳遞力的作用。緊固裝置的選擇要考慮到預應力鋼棒的直徑、長度、預應力水平以及橋梁結構的設計要求等因素。合適的緊固裝置可以確保預應力鋼棒的穩定性和持久性，同時提供足夠的連接強度。

4.2 模擬實例

舉例介紹一個常見的緊固裝置——錨拱。錨拱是一種用于將無粘結預應力鋼棒與橋梁主體連接的緊固裝置。在施工過程中，首先需要在橋梁主體上預留錨拱孔洞，然后將無粘結預應力鋼棒穿過錨拱，并通過預張拉機進行張拉，最后將錨拱緊固在橋梁主體上。

5 無粘結預應力鋼棒在工程應用施工工藝優化

本項目橋塔錨固段預應力鋼筋采用φ16-3（3根一束）無粘結預應力鋼棒，根據長度分為N1-N6六種型號，抗拉強度標準值f[pk]=1 420 MPa，錨下張拉控制應力為0.65f[pk]=923 MPa（即每根張拉力185.5 kN），每米理論伸長量4.591 mm。無粘結預應力鋼棒采用單支單端張拉，張拉端與錨固端均采用M16-3錨具。

（1）鋼筋安裝。橋塔勁性骨架定位——主筋安裝——箍筋安裝——勾筋安裝。

（2）鋼棒安裝。固定張拉端錨墊板——鋼棒張拉端螺母安裝（螺母旋鈕至6.5 cm處與保護皮貼緊）——鋼棒從張拉端穿束——錨固端錨墊板、螺母安裝——檢查張拉端螺母是否與錨墊板貼緊，套絲頭保護套。

（3）錨盒安裝。采用阻燃擠塑板，槽口內不填充黑心棉，擠塑板根據鋼筋位置開槽，與模板貼合緊密，防止漏漿。槽口深度為12.5 cm，槽口處主筋往里挪，保證錨墊板在主筋外側。

（4）預應力張拉。①混凝土強度達到設計強度的90%，彈性模量達到混凝土28 d彈性模量的90%時，方可張拉預應力；②每節段塔柱預應力鋼棒采用對稱張拉，每組鋼棒對稱張拉（先中間后兩邊）；③預應力鋼棒張拉應采用“雙控”控制，以張拉力控制為主，伸長值校核。張拉時采用 0～100 %σcon 的張拉方法，張拉后持荷3 min，張拉后預應力鋼棒的實測伸長量與理論伸長量誤差范圍在±6%以內。

張拉參數計算：

以N1預應力鋼棒為例，單根長565.5 cm，張拉參數計算如下：

單根張拉力f=185.5 kN，假定對應千斤頂和油泵的校準方程為：Y=0.187 4x-0.186 3；

10 %σcon=18.55 kN，即x=18.55 kN，Y=3.29 MPa，張拉完記錄伸長量為L1；

20 %σcon=37.1 N，即x=37.1 kN，Y=6.77 MPa，張拉完記錄伸長量為L2；

100 %σcon=185.5 N，即x=185.5 kN，Y=34.58 MPa，張拉完記錄伸長量為L3；

伸長量校核：{（L3-L1）+（L2-L1）}-5.655×4.591≤±6%

（5）封錨。預應力張拉完畢后，槽口采用C50細石子微膨脹混凝土封錨，且封錨時槽口坡面要鑿毛，清洗干凈，并增設防裂鋼筋網，確保封錨質量。

6 工藝創新亮點

桑園子黃河大橋項目采用一種泡沫錨盒，用來解決后張法預應力施工中錨盒制作過程復雜、安裝定位難度高、后期封錨質量差等缺點。這種泡沫預埋錨盒，其特征在于：包括容納錨具的凹槽和阻擋混凝土的隔離層，凹槽平面形狀與錨具形狀相對應，凹槽深度大于等于錨具厚度，分隔層為聚苯乙烯泡沫。凹槽形狀可根據錨具形狀加工而成，可為圓形、方形等不特定形狀，且加工后的凹槽平面尺寸大于錨具小于錨墊板，凹槽表面平整能與錨墊板緊貼，凹槽深度大于等于錨具厚度，能將錨具完全包容在凹槽內。阻擋混凝土的隔離層為除去凹槽的其余部分均屬于隔離層，隔離層材料為聚苯乙烯泡沫等具有一定強度、硬度、隔離保溫能力的泡沫制品。

7 工期和經濟效益

①錨盒制作簡單。在施工現場，僅需對泡沫板簡單切割鉆孔就能制作出錨盒。

②錨盒安裝高效。制作出的錨盒質量輕便，僅需扎絲綁扎就能實現穩固安裝。③錨盒拆除便捷。混凝澆筑后僅需用手工刀或鋼筋頭等簡單工具便可將錨盒拆除干凈。④有效提高槽口封堵質量。錨盒拆除后，槽口整齊，封堵后表面平整、美觀。⑤工期短。相較于精軋螺紋鋼和鋼絞線，無粘結預應力鋼棒施工工序簡單，安裝張拉快速便捷，有效緩解工期壓力。

8 結束語

隨著橋梁建設的發展，無粘結預應力鋼棒能夠有效提高后張法預應力施工效率和施工質量，制作簡單、安裝高效、拆除方便，對工程進度和工程質量的提高效果明顯。降低了施工過程中材料、設備成本，大大提高了施工質量，節約施工工期，形成新工藝、新材料的成熟應用技術，具有廣泛的推廣前景。