齐泰高速公路塔子城立交桥体外预应力箱梁的设计与施工

李元坤

(中国水利水电第五工程局有限公司第二分局，四川成都 610225)

1 工程概况

齐泰高速公路是黑龙江省交通厅2008年全面开工建设的重点公路建设项目之一，路线全长138.218 km。塔子城互通式立体交桥设置在主线桩号K111+420处，互通形式为单喇叭型，该桥梁荷载等级为公路－Ⅰ级，上部结构为4×25 m预应力混凝土简支转连续箱梁。预应力箱梁正弯矩钢束采用M15－3、M15－4圆形锚具，预应力管道采用圆形金属波纹管;箱梁墩顶连续段处负弯矩钢束采用体外预应力索体。

2 体外预应力设计方案

2.1 简支与连续体系转换设计方案

该桥箱梁逐孔安装完成、置于临时支座上成为简支状态后，及时连接桥面湿接缝钢筋及端横梁钢筋，精确设置预埋在中横梁内的体外索预埋管，浇筑湿接缝接头、中横梁，待混凝土达到设计强度的95%时进行负弯矩体外预应力钢束张拉，锚头灌防腐油脂并加盖保护罩。张拉完成后解除临时支座，完成从简支至连续的体系转换。

2.2 体外预应力体系设计

2.2.1 数量及位置布置

在每片箱梁两个端头的两侧(边跨桥台端的端头部位除外)距桥墩中心线3.5 m和7 m的位置各设置1个体外索的锚墩(齿板)。该桥7 m(T1)、14 m(T2)(未含工作长度)体外索各30束(图1)。

图1 体外束布置立面图(单位:cm)

2.2.2 体外预应力索体

体外预应力体系目前主要有:瑞士的VSL体系，德国的DYWIDAG体系和我国的OVM体系、HVM体系等。本工程选用的是OVM体系，体外索为OVM－S5型，7根钢绞线为l束，钢绞线抗拉强度σb≧1 860 MPa，其它性能不低于《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224－1995的要求。每束索体用高密度聚乙烯护套(HDPE)包裹，空隙中以黄油填充，防止腐蚀及氧化。索体HDPE性能符合《建筑缆索用高密度聚乙烯塑料》的要求。

2.2.3 锚固系统

图2 体外束布置断面图

国内外将体外预应力夹片式锚固系统划分为以下两类:第一类:常规喇叭管(单层或双层)锚下构造式锚固系统(图2)。该类体外预应力锚固系统包括可更换与不需要更换两种。第二类:承压板下采用直导管锚下构造式锚固系统。该类体外预应力锚固系统均为可更换系统，带螺母式锚具为可调式锚具。本桥设计采用第一类常规喇叭管锚下构造式可更换锚固系统。为使得锚具与OVM－S5型索体充分配套，锚具型号选用OVM－AT15－7型，具体构造见图3。

图3 OVM－AT 15－7锚具构造图(单位:mm)

锚具中除预埋钢管为现场加工外，其余全部由厂家集中生产提供。锚垫板、锥套管、螺旋筋、预埋钢管为浇筑齿板混凝土前提前预埋。其余部件在体外索张拉过程中或张拉完成后进行防护时使用。

张拉力通过锚具传递到箱梁齿板，箱梁齿板与箱梁梁体共同承受张拉力。箱梁齿板作为锚固系统的关键承载部位，具体设计需经过严格的承载力校核计算。箱梁齿板的设计见图4、5。

2.2.4 预埋钢管

体外预应力索体T1须穿越桥墩顶部的现浇中横梁，须在现浇中横梁中预埋转向钢管;T2索锚端部进入锚具密封筒前设置一根转向弯管，T2索锚端部转向弯管与锚具尾部的预埋钢管为同一部件，预埋前将其与锚具锥套管焊接连接。此外，为方便索体穿越混凝土体(中横梁、齿板混凝土)，在T1索端部预埋直钢管，在T2索中部预埋直钢管。预埋钢管材质为无缝钢管。

图4 T2索张拉齿板构造立面图(单位:cm)

图5 T1索张拉齿板构造立面图(单位:cm)

3 体外预应力施工工艺研究

3.1 预埋件施工

箱梁预制混凝土浇筑前须预埋锚垫板、锥套管、螺旋筋、预埋钢管(T2转向钢管及套管和T1索体套管)。为确保预埋施工方便和安装精度，须将锚垫板与锥套管焊接固定之后再将锥套管与预埋钢管进行焊接。现浇中横梁前须提前预埋T1转向钢管和T2索体套管。

由于预埋件尺寸较大，齿板内部钢筋直径较大，钢筋不容易调整，预埋钢管须在齿板外围骨架钢筋安装完成后再进行安装，最后安装内部加密钢筋。

3.2 工作平台的搭设

索体安装前，在桥梁下搭设钢管脚手架，脚手架设置爬梯、水平防护网，横杆竖向间距为1.5 m，操作平台横杆水平间距为50 cm，上铺400 cm×20 cm×5 cm的木板。脚手架立杆与横杆顶部要与箱梁翼板底部齐平，以方便千斤顶的起吊和水平移动。千斤顶等重型部件采用手拉葫芦进行起降。

3.3 索体安装

(1)原材料保护。

T1和T2索体成品索体长度分别为8.4 m、15.34 m。成品索两端的钢绞线必须焊死，在其两端焊上牵引头。做好防雨防锈等保护工作，防止碰伤成品索的护套。成品索在运输、工地搬运、安装过程中不得损坏PE护套，如有损坏，必须由专业人员用PE热焊机补焊。

(2)穿 索。

将成品索整盘放入特制的放线架内，缓缓转动放盘。索体安装前应将深入预埋管内锚具系统的密封筒与楔形块采用螺纹连接，密封筒的密封装置与密封筒同样采用螺纹连接。密封筒与楔形块连接好后，在楔形块里涂抹环氧树脂，之后将套在锥套筒内部的隔离套直接插进楔形块，使隔离套、密封筒连接成整体。然后将其从锚垫板的喇叭口穿入，直到隔离套全部穿进锥套筒内为止。穿好以后检查预埋管的端口是否圆顺，对棱角处用手砂轮打磨，之后穿束。

成品索不能直接在地面上拖动，地面要铺垫一定厚度的麻袋等软垫层，每隔一定距离设置一个支承架，支承架上设有柔软垫层及橡胶辊筒，以减小牵引时的摩擦力并保护PE层。在转向埋管及锚固预留孔道入口处要有防止PE损伤的措施(如垫橡胶块)。

先穿T1、后穿T2。每束将一端的手动葫芦或卷扬机的牵引绳依次穿过锚固预留孔道、转向装置(中横梁预埋管)、支承架与成品索索端连接头相连接，启动卷扬机或葫芦，将成品索依次穿过转向装置、支承架直到锚固预留孔前停止(图6)。

图6 穿索示意图

停止后将成品索这一端的PE护套及单根无粘结PE层剥除。将裸露的钢绞线表面油脂清洗干净，保证钢绞线与水泥浆的握裹力，并用缠包带及麻布裹紧，以保护钢绞线表面的环氧涂层。成品索穿过密封装置后，再次启动葫芦或卷扬机将成品索牵引出锚固预留孔道。将成品索另一端的PE护套及单根无粘结PE层剥除，将裸露的钢绞线表面油脂清洗干净，并用缠包带及麻布裹紧，用同样的方法将成品索牵引出另一端的锚固预留孔道。整个过程应小心操作，防止碰伤成品索PE护套及钢绞线的环氧涂层。

PE层剥除长度按以下公式计算:

式中 L1为锚垫板组件及预埋管的长度;H为锚板的厚度;L2为千斤顶的工作长度;L3为PE层进入预埋管密封圈内的长度(5 cm≦L3≦10 cm);L4为(成品索实际长度—理论长度)/2;L5为索体张拉设计引伸长度。

3.4 锚具的安装

体外预应力锚具安装分四个时间段安装。第一时间段是在浇筑箱梁齿板混凝土前进行锥套管、螺旋筋、锚垫板的预埋;第二时间段是在体外索体安装前进行隔离套、楔形快、密封筒、密封装置的安装;第三时间段是在索体安装完成张拉前进行工作锚板、夹片的安装;第四时间段是在张拉完成后进行防护装置和保护罩的安装。第一、二、四时间段的安装分别在预埋、索体安装、锚头保护施工方法中阐述。

索体安装后，切除索体两端的牵引头，采用砂轮切割，禁止采用气割，以免灼伤钢绞线表面的环氧涂层。分别在两端装上工作锚板及夹片，并将夹片打紧。安装前，用棉纱擦洗干净锚板孔和夹片外锥及夹片齿。专用千斤顶安装就位(千斤顶带有限位装置)，上好工具锚，工具锚板孔和工具夹片表面均匀涂上退锚灵。工作锚板、千斤顶、工具锚安装要同轴紧贴，张拉面要平整。

3.5 索体张拉

在现浇横梁混凝土达到设计强度95%后，开始进行体外索体的张拉。张拉顺序为先T2，后T1，两端同时张拉，横向对称张拉。张拉采用引伸量和张拉应力双重控制的办法，锚下控制应力为0.75 fpk。由于锚板是定制产品，因此，与锚板所配套的工锚和限位板也须单独定制。

按设计要求进行张拉，以100 MPa/min速度均匀加载，量测并记录每一级的伸长值(以千斤顶的活塞为准)和锚固回缩值及相应的压力表读数。张拉到位后，调节限位装置，将工作夹片压紧就位，缓慢卸荷，测量记录锚固回缩值。拆除千斤顶及工具锚，切割多余的钢绞线，以外露45 cm为宜。

3.6 锚头保护

张拉完成后，安装好锚头保护罩，OVM－AT 15－7型锚具对应的索体为可更换的索体，锚具保护罩内壁、锚具外表面、外露绞线须抹防腐油脂厚5～10 mm。

灌浆采用灌浆泵进行，浆液用P.O42.5净水泥浆即可。搅拌机将水泥浆搅拌均匀后，用灌浆泵将水泥浆压入;当排气孔冒出跟进浆管同浓度的水泥浆体时，封堵排气孔，保压5 min后封堵灌浆管。

4 体外预应力技术在本工程中的优、劣势

4.1 优 势

(1)在箱梁顶板混凝土体内不设置预应力筋，可免去预埋繁琐的波纹管道，使普通钢筋布置容易，并且在预制梁混凝土浇筑过程中可以不必费尽心思去对波纹管进行保护，混凝土振捣方便，因而使施工工艺简化，提高了工作效率及工程质量。此外，可以避免出现钢索管道灌浆事故。

(2)体外索与原箱梁结构混凝土无粘接，应力变化值小，对结构受力有利。

(3)体外预应力索体安装施工与桥面铺装没有严格的先后顺序。在北方施工抢工期间，可以有效避免中横梁混凝土强度待强的时间耽搁，直接进行桥面铺装施工，避免出现进入冬季混凝土施工困难的局面。而体外索的安装及后续防护施工可以在桥面铺装后随时进行。

(4)体外索可以更换，便于使用期间进行防护。根据国内外相关研究，利用换索方案的桥梁可以延长寿命20～30 a，同时可以提高桥梁的承载能力，延长桥梁使用寿命。

(5)可以简化预应力筋的曲线。预应力筋仅在锚固、转向处与结构相连，可以减少摩阻损失，提高预应力使用效率。

4.2 劣 势

(1)箱梁腹板处设置齿板，对定型模板的设计、制作、安装造成一定的困难。

(2)体外索体均置于箱梁顶板下部，后期安装体外索体较为困难，特别是高度较大的桥梁，索体安装安全隐患突出，需要搭设安全有效的施工平台或挂篮。

(3)锚固及转向区域容易造成应力集中，局部应力较大，对锚固施工要求较高。

(4)体外索与混凝土的变形不一致，容易造成预应力的损失。

(5)无粘结、无束缚的体外预应力索对抵抗破坏荷载和保证结构稳定性的能力减弱。

(6)布置在边梁外侧的体外索和齿板的形式影响桥梁整体的外观。

5 结语

虽然体外预应力技术的应用存在上述不可忽视的缺陷，但因其具有截面尺寸小，自重轻，预应力筋替换、维护管理方便，预应力损失小，缩短施工工期以及耐久性较强等优点，目前已逐步应用于桥梁、大跨度屋顶、筒仓、蓄水池、高架桥、高速公路、高层大型停车场、旧建筑的加固等建筑结构中。齐泰高速公路塔子城互通式立交桥体的建设，成为应用体外预应力技术的成功实例。

［1］ 李晨光，刘 航，杨学中，吴文奇，刘子键.体外预应力体系研究与工程应用新进展［C］.第五届全国预应力结构理论与工程应用学术会议(论文集)，2008，35(增刊):20－25.

［2］ 熊学玉，顾 炜，李亚明.体外预应力结构体系探讨［J］.工业建筑，2004，34(7):50 －60.

［3］ 熊学玉，顾 炜.体外预应力技术综述［J］.滁州职业技术学院学报.2003，2(4):5－7.