索塔U形环向预应力施工控制

□文/周恒武 陈 钧

斜拉桥索塔锚固区是斜拉桥的关键部位，可靠与否直接关系到大桥的安全度。由于斜拉索索力较大、锚固点相对集中，致使索塔锚固区应力集中、分布复杂。目前国内有少量斜拉桥索塔锚固区采用大吨位、小半径U形预应力束，以确保锚固区具有足够的水平承载能力和抗裂安全度，但在施工过程中出现了一些问题。主要体现在伸长量超标严重，而且都是正误差，一般都在20%～40%，远超过规范允许值±6%并且有断丝现象。天津南仓斜拉桥索塔锚固区也采用了U形预应力束，如何控制张拉伸长量，建立符合斜拉桥上塔柱环向预应力质量控制标准是保证预应力质量关键。

工程概况

南仓斜拉桥的主塔采用双倒“Y”型空间索塔，双塔连体。索塔包括下、中、上塔柱，塔的总高度为109 m，其中上塔柱高为40 m。上塔柱为非对称六边形空心薄壁结构，断面尺寸为7.5 m（顺桥向）×4.5 m（横桥向），壁厚为1.2 m（横桥向）和0.6 m（顺桥向）；在上塔柱外侧设有深0.3 m、宽1.4 m的装饰凹槽。上塔柱在斜拉索锚固区塔壁内配置采用双U形扣合的环向预应力束混凝土结构。为平衡斜拉索水平分布，沿塔柱高度配置了38对76束（单塔）φ15～19 mmU型预应力钢绞线束，锚下控制应力为1 395 MPa。见图1。

图1 U型预应力束平面布置

U形环向预应力施工技术特点和形成机理

（1）大吨位、小半径预应力群锚体系钢绞线不均匀性。索塔采用U形环向预应力普遍具有半径小、吨位大、单束钢绞线数量多、线路短等特点。在群锚体系中，由于环向的影响，必然造成外侧钢绞线比内侧钢绞线有效长度长并且差值与长度比一般达到5%～8%，在张拉过程中实际张拉伸长量基本一致，必然造成了受力不均匀性，考虑到钢绞线在张拉过程中重分配等因素影响，实际应力的不均匀性在3%～6%之间。

（2）实际伸长量大于理论伸长量并且伸长量离散性较大。U形环向预应力在千斤顶张拉力作用下，产生很大的径向压应力，使得钢绞线之间更为密实，同时钢绞线束挤压塑料波纹管使整束发生径向位移，产生非弹性变形，该变形在变形超限中占据了大部分并且由于施工因素影响，该变形离散性大，造成整个钢束伸长量变形离散性大。一般来说，U形环向预应力束主要由3部分组成，第1部分是规范中的弹性伸长值；第2部分是受力不均匀产生的附加弹性伸长量；第3部分是在径向压力作用下塑料波纹管的内波纹发生压缩变形所产生的几何变形。第2、3部分是环向预应力与普通预应力最大区别，只有控制这两部分的伸长量离散性，才能使建立的伸长量在实际操作中具有现实意义。

施工控制

南仓大桥索塔锚固区是大吨位、小半径环向预应力体系，采用了塑料波纹管制孔后穿钢束的施工方法。为了保障设计安全，对施工过程进行分析，从理论伸长量的确认、伸长量离散性控制、张拉施工工艺进行了工艺试验研究。试验研究采用了1∶1的模型，模拟一节上塔柱（约5 m高）并采用了单根张拉和整体张拉的工艺进行试验对比。采用3种张拉工艺：（1）单根穿束张拉；（2）单根穿束整体张拉；（3）单根穿束预紧整体张拉。

试验中，工艺（1）钢绞线伸长量的离散性相当大，实测伸长量在-1%～+43%之间并且前面张拉的伸长量较小，后张拉的伸长量都偏差较大，无规律可循，施工中无法建立有效控制措施来确认预应力的质量。工艺（2）在张拉锚固中发现有断丝现象；工艺（3）伸长量较理论弹性值提高了35%。工艺（1）由于前几根钢绞线张拉不会出现附加弹性变形及径向的几何变形，随着后期应力的逐渐增大，环向内侧波纹管出现变形发生径向位移导致后期伸长量变化大，同时降低了已经张拉钢绞线的应力。工艺（2）单根穿束完成后整体张拉，钢绞线在管道内分布情况无法掌握，可能会发生扭转，再加上管道内外钢绞线应力差等因素易导致局部钢绞线应力偏大。最终确定了工艺（3）作为重点研究对象。

伸长值由3部分组成，分别计算弹性理论伸长值、几何变形和径向压力下应力重分布的非弹性变形。经计算钢束伸长量在63 mm，与设计值基本吻合；通过现场实际情况，径向变形在5～6 mm，取5 mm，U形环向预应力束的几何变形为3.14×5=15.7（mm）；管道中钢绞线在张拉力作用不断密实，排列重组，钢绞线受力不均产生附加伸长量，根据经验一般随钢绞线数量的多少而变化，通常在0～15 mm，本处取10 mm。

因此，本桥确立的理论伸长量为63+15.7+10=88.7（mm），与弹性理论值63 mm相比，提高了将近41%。

施工过程中，采取以应力控制为主，伸长量控制为辅的原则控制伸长量的离散性。

（1）张拉穿束工艺采取单根穿束预紧保证钢绞线不会出现打绞现象，穿束完后进行放松，恢复自然状态后进行整体张拉，保证在预张拉压力下孔内钢绞线不断密实并进行排列重组，降低因钢绞线排列重组发生径向位移的不同导致不均匀伸长量的离散性。整体张拉采用多级张拉，持荷的张拉过程。张拉过程分别采用20%、40%、60%、85%和 100%级进行张拉控制，每级分别持荷不少于1 min，使孔内钢绞线有充分时效进行重分布因径向位移不同产生的应力。

（2）为防止预应力索小半径处混凝土发生变形，沿弯道径向设置较粗的防崩裂钢筋，同时也有利于波纹管的径向定位。本桥环向位置处布设φ25 mm防崩钢筋以提高抗裂性能并加强环向内侧混凝土的振捣质量。

（3）波纹管及锚具的精确定位，尤其是锚具的安装角度，需要非常准确，否则易出现夹断钢绞线现象。

结论及建议

（1）天津南仓斜拉桥索塔152束U形预应力束施工实际伸长量均在83～97 mm，与控制值88.7 mm相比误差控制在-6%～10%之间，证明了天津南仓斜拉桥大吨位、小半径环向预应力施工质量的控制及伸长量离散性控制是成功的。

（2）考虑到大吨位、小半径预应力群锚体系钢绞线不均匀性，建议锚下张拉控制应力宜在0.65～0.7σ控之间，而不要采用常规规范的0.75σ控。

[1]周孟波，文武松，雷昌龙.大吨位锚固区混凝土抗裂性及承压能力研究[J].桥梁建设,1999，（4）：13-17.

[2]JTJ 041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].

[3]张望喜，易伟建，陈建阳，等.武汉军山长江公路大桥索塔锚固区带锚块足尺节段模型试验研究[J].中南公路工程，2001，26（4）：33-35.