公路桥梁工程中预应力体外索施工关键技术

王本庆

(中铁十五局集团有限公司,河南洛阳 471000)

1 体外预应力混凝土结构施工特点

作为后张预应力混凝土的一个重要分支的体外预应力混凝土结构,是指预应力筋位于梁体截面外并通过锚具及转向块对结构施加预应力的一种结构体系。与传统的将预应力筋布置于混凝土截面内的后张无粘结预应力混凝土结构相比,体外预应力混凝土结构的主要优点有[1]:

(1)无需在混凝土内设置预应力管道,可使腹板厚度减薄从而减轻结构自重,并且梁体混凝土灌注无管道阻碍,混凝土浇筑质量易保证,从而可提高结构的耐久性;

(2)可方便地检测预应力体外索的应力状态和防护效果,并且可进行体外索二次更换;

(3)无制孔、压浆等工序,结合逐跨施工法及悬臂施工法,施工速度快,综合效益好;

(4)简化了曲线预应力筋,预应力体外索与梁体接触更少,预应力传输更为简单,并且减少了摩阻损失;

(5)体外预应力索用于既有桥梁加固,可明显地提高结构的承载能力和改善结构的受力性能,并且施工时对交通干扰较小,施工快捷,工期短。

正是由于体外预应力具有的上述诸多优点,国际结构混凝土协会前主席、著名桥梁工程师 Virlogeux在《预应力混凝土桥梁的新趋势》一文中指出[2]:“预应力混凝土桥梁发展的一个主要趋势是逐渐增加采用体外预应力。”预应力体外索在桥梁工程中的运用主要分为两大类别,一是预应力体外索在新建桥梁中应用,另外就是预应力体外索对既有桥梁的加固。近几十年来,国内外学者对体外预应力体系做了详细的研究,并研究出一套较为实用的预应力体外索施工工艺,本文将重点介绍桥梁工程中预应力体外索的施工技术,体外索二次更换技术以及体外索的防护技术等体外预应力关键技术。

2 预应力体外索施工技术

2.1 施工工艺流程

预应力体外索采用的防护系统不同,其具体施工流程略有差异。下面以最常见的采用套管注环氧树脂浆防护法的预应力体外索施工为例,其具体工艺流程为:

施工机具准备※转向器安装※橡胶封堵固定转向器※转向器与外套管间灌浆※预应力体外索穿索※张拉预应力体外索※索体与转向器间填充橡胶※锚头区预埋管内注环氧树脂浆※防松装置安装※防腐装置安装。

2.2 转向装置施工

体外预应力索的转向装置是一种特殊构件,除锚固构件外,转向块是体外预应力索在跨内唯一与梁体有联系的构件,承担着体外索的转向任务,是体外预应力混凝土结构中最重要、最关键的结构构造之一。转向装置设在箱梁里面,有横隔板式、肋板式、转向块式 3种形式[3]。以最常采用的转向块式转向装置为例,转向块布置在箱梁腹板和底板相交的位置,通过特别设计的钢筋与箱梁顶板、底板连成整体。张拉体外索时,转向块与腹板和底板相连的部分会产生较大的剪力和应力集中,局部应力比较大,因此转向块的施工质量须引起高度重视。

对于节段梁采用在预制场预制后运输至现场拼装的情况,转向块预制质量控制较容易。预制时通过特制的镀锌无缝钢管转向器(偏位管)预留成型孔,预埋转向器安装时应严格根据设计图纸位置,清理转向器与外套管之间的杂物,处理完毕后,制作适宜的橡胶条,并用橡胶条把转向器和外套管之间的两端空隙塞满,同时调节转向器位置,确保其与设计曲线位置相符,再向转向器与外套管之间灌浆。灌浆时水泥浆应从最低点的压浆孔压入,由最高点的排气孔排气和余浆冒出。压浆要缓慢均匀地进行,不得中断。压浆后要从检查孔抽查压浆的密实情况,如不密实,应及时处理和纠正。

2.3 预应力体外索穿束

将成品索卷运抵工地指定位置的简易放束支架上。再将成品索束的牵引头和卷扬机钢丝绳通过穿束器相连,用慢速卷扬机进行机械穿束。为了防止成品索束扭转、缠绞,穿束器和卷扬机钢丝绳相接处应能自由转动。对于箱型梁布置预应力体外索时,可以利用箱梁内安放的慢速卷扬机进行拽拉就位。为防止成品索束外包装纤维带磨损,刮伤钢绞线环氧涂层,同时减少摩擦力,在成品索束转弯、通过转向器和横隔板等处加设尼纶轮进行导向。要求导向尼纶轮的间距不大于 20m,同时在地面铺垫一定厚度的软垫层,每隔一定距离设置支撑架,打磨转向关口以防体外索的PE层被刮伤。穿越支架、转向器和钢管等铁件时,应在铁件处垫设橡胶板防护。

安装成品索束时要采取有效措施防止硬物刮伤钢绞线表面的环氧涂层。成品索束拽拉到位后进行清丝梳理,防止产生扭转、缠绞和弯折现象。检查转向器、横隔板穿越钢管及转向支架、减振支架是否有滑动、移位和变形发生。穿束前检查各个转向器、转向支架、减振支架是否安装牢固、可靠。及时检查牵引卷扬机的机械性能和钢丝绳的完好情况。避免使用电弧或氧割等伤及成品索束。注意区分成品索束的张拉端和锚固端,锚垫板外预留成品索束长度有所不同。

2.4 预应力体外索张拉及锚固

预应力体外索张拉之前应做好准备工作,主要包括:千斤顶校验和确定与拉力相对应的油压读数、测定体外索与转向装置以及锚固段的摩阻力系数、计算体外索理论伸长值。千斤顶校验和确定与拉力相对应的油压读数时可采用内插法计算出对应施工图纸所给定的张拉总值的相应油压读数。内插法是在检测试验表曲线上取得相应张拉吨位相邻两点作为依据,也可以用比例法,即选择张拉吨位最近的一点用比例关系直接计算得出。若预应力转向装置和锚固器均采用的是预制构件,则体外索与之的摩阻力系数可以直接利用预制厂家提供的摩阻力系数;对于现场浇筑的预应力转向装置,应进行现场测定试验来准确确定摩阻力系数。

体外索的张拉应力要符合设计要求。当施工中体外索需要超张拉或计入锚圈口预应力损失时,可比设计要求提高5%,但不得超过设计规定的最大张拉控制应力,体外索的张拉应力要符合设计要求。因此必须计算体外索的理论伸长值方可控制张拉。体外索的理论伸长值可根据相关文献提供的方法计算,但在精度要求不高的情况下,可直接根据规范按下式计算:

式中:Pp为体外索的平均张拉力,Ap为体外索的截面面积,Ep为体外索的弹性模量,θ为体外索与转向装置和锚固端的摩阻力系数。

上述张拉前准备工作做完后,即可进行张拉。

(1)安装锚环和夹片。注意夹片安装必须平齐,安装锚环时不得因敲打等原因造成锚环外圆或锚孔的局部损伤。锚环安装时,锚环的定位凸台应进入锚座孔内。

(2)千斤顶定位。千斤顶采用手拉葫芦固定在HDPE管临时支撑上,安装时应注意工具锚与工作锚环对正,钢绞线在千斤顶内不得打结,工具夹片安装平齐,千斤顶安装应到位,直接顶住锚环。

(3)张拉。本桥采用单端张拉法。共有 6个张拉行程,张拉程序为:初始状态※设计应力的 15%※设计应力的30%※设计应力的 45%※设计应力的 60%※设计应力的75%※设计应力的 100%※持荷2m in,每个行程都必须记录千斤顶压力及活塞外露量,计算延伸量并与设计值做比较。

(4)夹片自动锚固。当千斤顶行程已满或达到所需张拉力,给千斤顶回油,把所有钢绞线整齐地锚固在锚具内;千斤顶的活塞返回原位;若仍需张拉,推紧自动工具锚,继续张拉,直至达到所需的张拉力为止。

3 预应力体外索更换技术

体外预应力梁桥也会受到徐变、收缩和力筋松弛等因素的影响,随着时间增长,结构不断劣化。此外,预应力体外索因长期暴露在空气中易受损坏。因此,在桥梁设计时,就应当充分考虑后期可能进行的补张、修复或更换,以提高结构使用性能,延长其使用寿命。无论是预应力体外索的重新张拉还是更换,在施工前都要对原预应力体外索进行检查,并进行详尽工程分析和设计。预应力体外索再张拉可以通过千斤顶张拉来实现,也可用机械的方法,如调整可调式螺栓和螺旋楔块实现,此时应力值可通过力筋伸长量推算求得,也可在预应力筋上安装应力或应变测量仪器测读应力值。再张拉时应避免应力值过大导致构件产生过大的反弯度。

预应力体外索的更换可通过以下步骤完成[4]。

(1)为了保证结构在更换索时的安全,通常在进行修复操作以前,在梁或板处设置支撑柱或者采取其他可靠的临时转换措施卸除结构承受的部分荷载。

(2)去除体外预应力筋的保护层。如果体外预应力筋有混凝土保护层覆盖,则先用射水将体外预应力筋的混凝土保护层除去。

(3)放松预应力筋。如果锚具为可放松锚具,则可以通过调整锚具来放松预应力筋;如果锚具是不可放松类型,可以通过对钢绞线进行加热使其延伸从而释放出存储能量;单根钢丝可用钢丝切割机每次一根逐次截断;通过缩短两端锚具间的距离来放松预应力筋,如凿除梁端一小段混凝土,使两锚具间距离缩短,从而使预应力筋应力得以释放。

(4)安装新的预应力体外索并张拉。对于体外无粘结预应力结构,可进行单索或整索更换。体外预应力筋的更换应逐根进行,即每撤走一根力筋,就立即安装并张拉新的一根。如果预应力体外索在套管里且套管无需更换,则放松一根既有的预应力筋,并接上一根新的预应力筋,随着旧的一根抽出,新的一根预应力筋就被全部拉入就位,然后张拉预应力筋至设计预应力值。如果外套管需更换,则拆除外套管及旧体外预应力筋,然后安装新的预应力体外索并张拉。对于无套管体外预应力筋,其更换即是拆除旧预应力体外索、安装新的预应力体外索并张拉。

4 预应力体外索防护技术

预应力系统是体外预应力结构的主要受力构件,需要对其预应力体外索、锚具和转向装置进行防护。这里主要介绍国外对于预应力体外索通常采用的下面几种防护措施[5]、[6]。

(1)无套管成品索束表面防护法。即在裸露的预应力体外索上镀锌和涂环氧树脂。镀锌技术实际上是一种牺牲阳极的阴极保护法,在腐蚀介质中,锌原子失去电子变为阳离子而发生腐蚀,从而使作为阴极的钢索受到保护。这种方法造价较低,结构简单,运营时索的更换及内力调整都比较简便。但是这种方法会降低预应力体外索的材料强度,产生的氢气会引起氢脆现象。而且镀锌本身没有防护容易被刮落,同时对环境也造成一定的污染,因此该技术运用受到了很大的限制。涂环氧树脂技术实际上是在预应力钢绞线或钢丝表层或里层喷涂环氧层,这种方法对预应力钢绞线或钢丝的本身强度没有影响。环氧树脂层可以防止阳极和阴极反应,比镀锌技术防护能力更强,同时使用期间的索力调整或更换索都比较方便,因此该技术在干燥、周围无腐蚀气体地区应用广泛。

(2)套管加填充材料防护法。此法是在索的外面加套管,待张拉完预应力筋后,在套管内压注灌浆材料。套管常用钢管和高密度聚乙烯管,灌浆材料常用水泥浆或黄油、石蜡等软材料。但该方法在确认灌浆是否密实,检查预应力筋是否受损相当困难。近几年,日本研发了一种由乙烯类共聚物材料制成的透明套管代替钢管或聚乙烯管,方便了填充材料是否密实的检查,当发现灌浆不密实时可在空洞附近打孔补充灌浆。

(3)后粘结技术防护法。涂环氧树脂技术具有很好的防腐能力,但是环氧树脂本身保护不够使其无法在恶劣环境使用。上世纪 90年代初期,日本采用了一种所谓的后粘结技术的防护方法,该方法采用聚乙烯护管,内注环氧树脂,具有更好的防护能力。预先设定环氧树脂的硬化时间,使预应力张拉能在环氧树脂硬化之前完成,环氧树脂在硬化前具有很好的粘性,待到预应力张拉后能很好地与预应力筋结为整体。该技术具有以下有点:环氧树脂在工厂内注入,可保证其能完全填满聚乙烯管;无需现场穿束及压浆工序,可减少施工作业;护套和环氧树脂形成双层防腐保护。

(4)采用单股无粘结钢绞线或钢丝束防护法,这种方法是直接用工厂生产的单股无粘结预应力筋作预应力体外索,将钢绞线挤入 PE套管内并充入油脂从而形成整体。它自身具有防护系统,可以不用管道而单独使用,也可以外面加套管,并充入灌浆材料构成具有多重防护功能的防护系统。无粘结钢绞线直接在工厂生产,不仅能提高质量,而且也提高钢绞线在运输、存储、安装过程的耐腐蚀性。

5 结束语

体外预应力技术作为预应力混凝土结构和预应力新型组合结构的重要技术之一,已经在国内外桥梁工程中得到广泛的运用。本文重点介绍了国内外较为先进的预应力体外索关键技术,主要包括预应力体外索的施工技术,预应力体外索的二次更换技术以及国内外常用的预应力体外索的防护技术。现有的施工技术以及体外索的防护技术仍然有待完善,建议国内学者应不仅仅对体外预应力结构的受力特性,新型结构等方面研究,同时对预应力体外索的施工技术进行更为详细的研究,为推广体外预应力结构打下坚实的基础。

[1]熊学玉.体外预应力结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2005

[2]鲁平印,汪晶,杜进生.体外预应力混凝土桥梁的发展历程[J].公路,2008(9):229-231

[3]贺志启,张宇峰,刘钊.体外预应力梁桥的技术发展与若干关键问题[J].现代交通技术.2007(5):46-50

[4]熊学玉,吴学淑,汪克来,等.体外预应力索的破坏及其修复与更换[J].自然灾害学报,2006,15(2):132-137

[5]Hiroshi Mutsuyoshi,EakaratW itchukreangkrai.Recent techniques of pre-stressed concrete bridges in Japan[C]∥Proceedings of the Ninth National Convention on Civil Engineering(NCCE9).Thailand,2004

[6]王延臣.体外预应力混凝土结构体外索的系统防护[J].河北交通科技,2006,3(4):48-51