体外预应力锚索转换支撑体系施工技术

摘 要：以在建的渠县渠江二桥工程为载体，在边拱两端布设钢锚箱，借助卷扬机等设备对称布设体外预应力锚索，完成后分级对称张拉至设计吨位，经检测分析合格后再施工边拱上支撑系杆的混凝土结构，安装永久系杆，逐级张拉系杆的同时逐级卸载体外预应力锚索，从而使系杆达到最终设计工作状态，体外预应力锚索退出工作并拆除。通过现场调查、设计、施工控制、监控分析，通过实测数据与模拟数值的相互分析与校核，使现场实际与理论数值尽量一致，做到理论与实践相结合，为后续工程积累经验。

关键词：体外预应力；锚索转换支撑体系；施工技术

中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）09-0079-03

1 背景

四川渠县渠江二桥在渠县县城东西方向横跨渠江，为飞燕式钢管混凝土系杆拱桥，主桥设置16束柔性系杆，每束系杆由37根钢绞线组成，为本桥主要受力结构。边拱及系杆支撑施工采用水中支架法施工，在完成边拱肋施工后，渠江洪灾引发的次生地质灾害导致边拱临时支架退出工作。为完成边拱上结构施工，便于主桥系杆安装和张拉，采用体外预应力锚索方法代替临时支架顺利完成边拱上结构施工。

2 技术的先进性

首次把体外预应力锚索运用于大跨度飞燕式系杆拱桥系杆支撑体系转换；体外预应力锚索有效长度达356m，在同类体外预应力体系中处于领先水平；体外预应力锚索逐根顶紧，整束锚索分级悬浮对称张拉，锚索退索采用连续到顶逐根卸载；体外预应力锚索张拉期间设置两道防松夹片，张拉完成设置防震压板，从而减小风振等对夹片的不利影响，保证锚索有效拉力；体外预应力锚索索力可据实调整且调节范围大，安全储备高；不需搭设边拱临时支架或对已有临时支架进行加固，且体外预应力锚索可回收使用，工效高。

3 体外预应力锚索设计与施工

3.1 体外预应力锚索转换支撑体系施工原理及流程

3.1.1 体外预应力锚索转换支撑体系原理

对于飞燕式系杆拱桥，系杆为全桥主要受力构件，其提供的贯穿主桥的水平张拉力其作用之一为平衡拱结构对基础的水平推力，作用之二为通过张拉力使边拱结构具备竖向承载能力。位于边拱段的系杆在边拱结构上有专属系杆支撑及转向结构（即拱上立柱）。支架受洪灾损毁后，在边拱结构施工完毕系杆未安装张拉前，边拱结构无法继续承担系杆转向结构所产生的荷载。为此，需临时施工贯穿主桥的体外预应力锚索，使其模拟系杆作用，便于施工边拱上永久系杆的支撑及转向结构，完成后安装张拉系杆，完成预应力锚索与永久系杆支撑体系转换并最终拆除预应力锚索。

3.1.2 体外预应力锚索转换支撑体系施工流程

安装及张拉体外预应力锚索→施工系杆支撑及转向结构（拱上立柱）→安装永久系杆→预应力锚索与系杆支撑体系转换→卸载并拆除体外预应力锚索，如图1所示。

3.2 工艺流程

体外预应力锚索施工工艺流程如图2所示。

3.3 体外预应力锚索设计

3.3.1 总体设计思路

钢锚箱必须有合适的支撑点，保证锚索预应力有效传递；支撑点必须有足够强度、刚度，能承受锚箱传递荷载；锚索必须独立于结构之外，索体尽量采用直线形式，避免空间曲线以及与主体结构发生冲突；钢锚箱必须有足够的强度、刚度[1]；锚索应选用技术成熟的产品或易加工产品，锚板、夹片等尽量利用永久系杆配套产品；锚索应考虑施工周期和防腐要求。

根据实际情况，本桥体外预应力锚索设置于主桥范围内，贯穿边拱及主拱，有效长度356m，张拉锚固端设置于边拱端头。主桥上下游拱肋各设置2束，每束由32根带PE护套环氧喷涂无粘结低松弛钢绞线组成，fpk=1860MPa。锚索不设平竖曲线，其总体布置如图3所示。

3.3.2 钢锚箱设计

钢锚箱作为主要受力构件，其作用为将锚索传递的力平均分配到边拱端头，使拱结构具备一定预压力。钢锚箱采用Q345B型钢板制作，内设置加劲隔板，布置于边拱端头并用地锚螺栓紧固[2]。

3.4 钢锚箱制安

3.4.1 锚箱制作

钢锚箱在工厂下料、镗孔，现场二氧化碳保护焊接制作，焊缝等级必须达到一级，锚索在现场下料，每一步都要在钢结构规范的规范要求内严格操作，确保施工质量[3]。

3.4.2 锚箱装配

按图纸和工艺要求划线、装配，划线必须以中心轴线为基准，每个部件装配时要认真核实相关尺寸后方准点焊铆接。完成部件装配，必须处理干净焊疤、弧坑，认真进行自检并填写原始记录，办理工序交接卡，经质检员确认后方可进入下一道焊接工序。

3.4.3 锚箱焊接

锚箱采用二氧化碳保护焊接，必须达到一级焊缝，焊接完毕后必须去掉焊渣、焊瘤，进行无损探伤。

3.5 锚索安装及张拉

3.5.1 牵引卷扬机及循环牵引钢丝绳布置

本桥锚索钢绞线采用逐根牵引并初张方式安装。为保证结构受力对称，锚索安装严格按照上、下游拱肋对称，单侧拱肋上锚箱左右对称方式进行。安装顺序如图4所示。

3.5.2 锚索穿过锚垫板、锚箱并牵引到位

利用牵引系统由卷扬机和牵引钢丝绳带动钢绞线由主桥一端向另一段牵引，用葫芦配合将钢绞线牵出另一端錨箱和锚垫板。

3.5.3 锚索初张拉

锚索穿到位后，用YDCS160型单根张拉千斤顶按单端张拉方式逐根初张拉锚索钢绞线，每根钢绞线张力按2t控制，目的是使其有一定初张力后能保持自身锚固效果，防止因风振或者其他振动导致工作夹片弹出致使钢绞线滑脱[4]。

3.5.4 锚索分级张拉

3.5.4.1 张拉控制条件

以张拉力控制为主，变形控制为辅。

3.5.4.2 总体张拉顺序及分级

采用单端张拉方式，上下游拱肋同时进行，先对所有锚索再次预紧至100t/束，再分6级张拉，分级及拉力数据如表1所示。

3.5.4.3 张拉变形观测控制条件

张拉过程中，随时观测边拱端头与T构上所设观测点位的绝对距离变化和相对距离增大值，不能超过设计计算值±10%[5]。

3.5.4.4 张拉过程应力应变测定与结构变形观测

为消除钢锚箱钢板与边拱间空隙，减小锚索钢绞线自由垂度，减小监控误差，预紧程序中，先按照每束锚索终值拉力250t的40%的张拉力控制，即按照100t/束来控制，完成后，对边拱、主拱结构应力应变和张拉力进行量测，并分析数据确认无误后再同步启动4台顶继续张拉。如此循环，每张拉一级，对结构进行应力及应变测定，确定结构安全且未超过设计和监控理论值后，再循环进行张拉作业[6]。

3.6 锚索锁定

本桥体外预应力锚索拉至设计终值1000t后，现场数据与理论数据吻合较好，达到设计文件要求，即停止张拉，锁定锚索钢绞线。

完成锚索钢绞线锁定后，为防止风振和意外撞击等造成钢绞线夹片松弛，设置专用钢绞线夹片防振压板，使夹片与锚板始终结合紧密。此外，因锚索长，在锚索端头、1/4及跨中位置设置简易锚索索箍，即将钢绞线用胶皮包裹紧密，胶皮外用铁丝绑扎，以防止索体零散，减小风振等影响，保持每根钢绞线受力均匀。在有混凝土结构支撑条件的地方设置锚索整合支架，以保持锚索安装布置合理，线型整齐，防止索体相互缠绕。

3.7 系杆转向结构施工

完成体外预应力锚索施工，按照设计文件施工系杆转向混凝土结构、安装系杆。

3.8 体外预应力锚索与系杆受力支撑体系转换

完成系杆安装后，进行体外预应力锚索与系杆受力转换，将所有预应力转换至永久系杆上，预应力锚索退出工作并拆除。

3.8.1 系杆张拉与体外预应力锚索施工流程

系杆分4次逐级张拉，张拉示意图如图5、图6所示。

每束临时系杆退索分四次进行，第1次退索索体编号32～25，第2次24～17，第3次16～9，第4次8～1。

3.8.2 索力转换操作步骤

体外预应力锚索退索与系杆安装是个受力逐级转换的过程，施工按照分级退索多级张拉及平衡对称的原则进行，退索时每个钢锚箱上两束锚索钢绞线只能相差1根，操作步骤如表2所示。

3.8.3 退索设备

退索采用YDCS160型单根张拉千斤顶及配套支撑架、套油泵等。

3.8.4 退索施工

先将支撑架安装到工作锚板上，然后将加工的单孔锚垫板和千斤顶逐一装入钢绞线，并装上相应工具夹片

启动油泵，缓慢送油，让千斤顶活塞伸出一段长度，打紧千斤顶活塞端工具锚板上夹片。再次缓慢启动油泵，使钢绞线有轻微伸长，直至钢绞线工作锚板上工作夹片松动后，停止送油，人工配合掏出工作锚板上夹片，并确保退索过程中夹片始终不与工作锚板接触。缓慢回油，开始退索，期间人工配合确保千斤顶非活塞端工具夹片始终处于非受力的松弛状态。当千斤顶活塞快退到行程时，打紧千斤顶非活塞端工具夹片，锁紧钢绞线后再缓慢回油，使活塞端工具夹片松弛并由人工将锚板及夹片向活塞伸长方向移动。再次送油，让活塞伸长接近最大行程并顶紧活塞端工具锚板及夹片，使钢绞线有轻微伸长，直至非活塞端工具夹片松弛。缓慢回油，继续退索，期间保持非活塞端夹片松弛。

如此循环，直至锚索钢绞线完全卸载。完成索力卸载后在锚索钢绞线拆除前，用工作夹片锁紧钢绞线。

3.8.5 锚索拆除

完成索力转换后，分批拆除已经卸载的锚索钢绞线，并根据实际退索情况东西岸上下游双端对称补张拉内侧永久XG2（例如拆除的索损失50T，就补拉50T），直至拆除所有锚索，并将内侧系杆XG2补拉至200T[7]。

锚索拆除与锚索安装为互逆过程，不再赘述。

4 施工监控

4.1 有限元模型建立

在体外预应力锚索张拉期间，为保证结构安全， 利用有限元模型对西边拱进行受力分析。对已施工的边拱、T构等结构建立MIDAS模型，将体外预应力锚索的预紧力按等效荷载施加在结构上，即在每一边拱上施加500t。分兩种施工工况分析，第1种工况为分七级张拉锚索，第2种工况为在边拱上浇筑永久系杆转向块、1#立柱、2#立柱和6#立柱。

4.2 实测点位布设

为准确采集T构和边拱位移，分别在2#墩处和T构与边拱伸缩缝处设置百分表。为采集西边拱的应力，在西边拱各控制截面（拱数据脚底板、边拱跨中底板、拱顶底板）布置应变片。

4.3 监控观测结论

4.3.1 位移观测结果

理论分析结果为：两种工况下西边拱顶端位移总偏移量为6.398mm（向河心方向），T构端部的位移总偏移量为5.826mm（向河心方向）。通过监控数据采集可知，西边拱顶端位移总偏移量为5.31mm（向河心方向），T构端部的位移总偏移量为5.59mm。

4.3.2 应力检测结果

通过理论分析可知，两种工况下拱脚底板应力减少2.3MPa，跨中底板应力减少3.001MPa，拱顶底板应力增加0.355MPa；通过监控数据采集可知，上游拱脚底板应力减少1.53MPa，下游拱脚底板应力减少1.66MPa，上游跨中底板应力减少2.03MPa，下游跨中底板应力减少1.91MPa，上游拱顶底板应力增加0.21MPa，下游拱顶底板应力增加0.23MPa。测量结果能够反映在体外预应力锚索、转向块及立柱结构的施工过程中应力的变化情况。

经过上述分析，体外预应力锚索完成张拉后结构是安全的。利用同样的办法对体外预应力锚索转换支撑体系监控数据的结果进行分析，体系转换的过程中结构是安全的。

5 结语

本桥体外预应力锚索有效长度达356m，创造了国内拱桥体外预应力锚索施工长度记录。根据工程实体情况，在借鉴本桥体外预应力锚索施工方法的前提下，施工所采用的锚索长度还可以加大。本桥体外预应力锚索逐根顶紧，整束分级悬浮对称张拉以及连续到顶逐根卸载退索的施工方法是本桥实际工况下最科学的张拉及退索方式，但仍有改进空间。本桥体外预应力锚索施工中，在穿索时必须设置锚索临时支撑托架，在张拉过程中必须设置锚索整合支架以保证锚索布置有序，张拉到位。

参考文献

[1] 路桥集团第一公路工程局.JTJ 041-2000 公路桥涵施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2000.

[2] 中交第一公路勘察设计院.JTG/T J23-2008 公路桥梁加固施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2008.

[3] 北京钢铁设计研究总院，等.GB 50017-2003 钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[4] 黑龙江省公路桥梁建设总公司.JTJ 076-95 公路施工安全技术规程[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5] 中国有色金属工业协会.GB50026-2007 工程测量规范[S].北京：中国计划出版社，2008.

[6] 天津市第一预应力钢丝有限公司，等.GBT5224-2003 预应力混凝土用钢绞线[S].北京：中国计划出版社，2003.

[7] 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ/T279-2012 建筑结构体外预应力加固技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

作者简介：王立，1996年毕业于西南交通大学，高级工程师，土木工程专业，历任技术员、助理工程师、项目总工、项目经理、中铁七局武汉公司总工。