自平衡预应力中空管工艺特性研究与分析

邱兴友，夏云龙，于雪晖

（1.浙江乐清湾大桥及接线工程建设指挥部，浙江 玉环 317600；2.浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006）

0 引言

高强度精轧螺纹钢筋由于施工工艺简单、操作简便而在短束预应力中得到广泛使用，但由于其锚固过程中的锚具变形损失常常不能得到有效控制，造成一些混凝土结构的预应力不能满足设计要求甚至失效，导致结构出现病害[1]。

浙江省乐清湾大桥及接线工程YS04标大麦屿疏港公路分离立交桥为3跨变截面连续混凝土箱梁桥，跨径分布为45 m+80 m+45 m。主梁截面为混凝土箱型截面。桥面宽16.25 m，根部截面高5 m，跨中截面高2.5 m。腹板厚度为60～70 mm。全桥腹板施加竖向预应力，预应力布置采用“梅花型”布置形式。本桥全桥采用预应力中空管代替传统的高强度精轧螺纹钢筋，对腹板施加竖向预应力[2]。腹板竖向预应力布置截面图见图1。

图1 腹板竖向预应力布置截面图

1 预应力中空管工作原理

先张自平衡预应力中空管由高强中空管、头部工作螺母、尾部工作螺母组成，配套辅助反力棒、工作内螺母、工作外螺母、压垫。通过工作外螺母与中空管的头部锚固螺母一侧与之相连，工作内螺母为中空，旋转在工作外螺母内前端，通过辅助反力棒压垫与反力棒相贴。外置压缩钢棒穿过工作内螺母中通道顶住压垫对内置反力棒施加一定压力，使中空管材伸长，锁紧工作内螺母。预应力中空管结构及原理图见图2。

图2 预应力中空管结构及原理图

主要通过对中空管内的反力棒施加压力从而使中空管受拉，达到储存预应力的目的，当预应力中空管埋入混凝土后，释放反力棒，从而实现给混凝土施加预应力。由于预应力中空管依靠与混凝土的黏结力自锚，因此可以大大减小锚具变形损失，从而可以应用在短预应力束上。

现场施工时，把自平衡预应力中空管放至需要施加的混凝土中，待混凝土固结达到一定强度（一般不低于混凝土设计强度标准值的75%），混凝土与预应力中空管具有一定的黏结力后，解除工作内锚螺母，预应力由头尾锚固螺母将中空管的预应力传递到混凝土中，实现先张法预应力混凝土。施工简单方便，易控。

2 预应力中空管实桥施工工艺特性

2.1 施工工艺

自平衡预应力中空管在现场加工车间通过挤压机对其进行预应力张拉并锁定存储，在箱梁需要释放竖向预应力时对其存储的预应力予以释放，从而将预应力传递到混凝土中，并按照设计要求水灰比利用专用注浆泵对中空管进行灌浆封口。现场工艺性试验流程如下：

（1）尺寸丈量、编号。丈量中空管实际长度，对钢管进行尺寸标注和编号。

（2）组装。按照反力棒、中空管对应的匹配尺寸，将反力棒塞入中空管内至尾端齐平。

（3）张拉、锁定、存储预应力。将专用顶棒塞入需张拉的中空管的工作内螺母；将中空管头部穿过挤压机支架孔洞装入挤压机支架，工作螺母全部进入支架后，夹紧支架夹板，向外拉中空管，使工作外螺母与支架夹板密贴；调整中空管与挤压机油缸直线度，使两者尽量同心同轴；控制液压站给予挤压机液压力至要求存储的预应力值、稳定力值，拨转专用六角扳手锁紧工作内螺母存储预应力。

（4）安装。将张拉完成的中空管吊装到安装位置附近的箱梁上，按照设计图纸逐个对应安装中空管，调整外露尺寸或高度，并通过钢筋焊接底部垫板固定中空管。

（5）拆卸。待箱梁混凝土达到设计强度后，逆时针旋转专用扭力扳手，松动工作内螺母，用电动扳手反方向快速取出工作内螺母、垫块；用专用扭力扳手配套套筒对工作外螺母进行松动、拆除。

（6）抽芯。用专用抽芯夹具对反力棒进行夹持抽取；将工作内螺母、垫块、工作外螺母及反力棒整齐码放，及时吊装到指定区域，做好防雨措施，以便于返厂修复，重复使用。

（7）灌浆。将注浆管插入中空管底部，稍留缝隙，根据内部灌浆压力慢慢抽出注浆管，浆液溢出填满所有空洞至桥面平齐。

2.2 工艺特性总结

经此次自平衡预应力中空管现场工艺性试验，对选用的施工工艺、施工设备、施工人员操作手法和技术结合现场情况进行了全面验证。现场监理、技术人员、项目部技术人员、施工人员在产品试验过程中进行了旁站、操作，对产品结构、机理及施工中的操作细节和常见问题处理有了一定的经验，经过双方沟通均认为此次试验能够充分证明产品的可操作性，正常施工过程中能节省后张工艺时间，高效提高桥面作业时间。

基于本试验研究成果，可以得到以下试验结论与建议：

（1）整套张拉、锁定、安装、拆卸、取芯、注浆流程较为方便可行，能够满足实际现场施工要求。通过本次工艺试验，可整理出相关施工指南用于规范施工。

（2）经过现场工艺性试验，通过超张拉8%，可以实现预应力值锁定工作。

（3）产品装配必须严格按照规程安装，否则会影响到后续的张拉和安装工序正常进行。组装之前建议对个别部件进行目测外观检查，观察是否有损伤、毛边，如果有，应及时进行调换、处理，尤其是螺纹齿牙。

（4）张拉锁定工序是最为重要的环节，必须严格按照施工工艺标准进行，避免发生危险事故。张拉过程必须注意调整好反力棒与挤压机油缸的同轴度，既可避免张拉过程中的危险，转动扳手又比较省力。为了安全起见，张拉过程中，中空管末端不能够站人。

（5）中空管需要按照设计图纸逐个对应安装，并通过钢筋焊接底部垫板加以固定。注意不能焊接在中空管、螺母等位置。

（6）工序间歇期间做好相应部件的防锈措施。

（7）拆卸、抽芯工艺仍需进一步完善其专用工具，以更突出产品的结构优势及其便捷性。

（8）拆卸的部件统一存放，回收利用，并尽快返厂处理。

3 自平衡预应力中空管产品性能试验

3.1 试验目的与内容

根据自平衡预应力中空管的施工工艺，将预应力中空管埋入混凝土前，需要通过对中空管内的反力棒施加压力从而使中空管受拉，达到储存预应力的目的。所以首先要对产品在出厂前的预应力储存效果进行试验评估。储存效果的评估主要包括几个方面，一是反力棒反向压力后，中空管的张拉效果评估，取决于反力棒与中空管间的相互作用效果以及锁定装置是否有效；二是张拉完毕一段时间内预应力储存效果评估，取决于产品材料的松弛情况与锁定装置的长期有效性。分析评估通过在张拉工序全过程对产品的应力检测来进行。

产品的应力检测内容包括3个方面：张拉过程的应力变化；张拉完毕自锚固后的应力变化；锚固完毕后放置几天后的应力变化。

3.2 试验方案[3]

由于主要是通过端部位置对预应力中空管进行张拉，所以应力测点主要布置在其两侧端部位置。两侧端部位置的应力测量主要是针对张拉过程以及锚固后的应力变化，测量时间较短，可用应变片进行测量。锚固完毕放置3～5 d后需要对产品的应变损失进行测量，而应变片在长时间放置后数据不稳定，需要使用应变传感器进行测量，所以在中间位置布置一个传感器测点。

根据前期的分析结果以及产品的特性，应力测点及传感器的布置情况如图3所示。

图3 应力测点及传感器的布置（单位：mm）

3.3 试验结果

根据试验分析结果，自平衡预应力中空管在张拉阶段完毕后，能够保证其平均应力基本满足超张拉力下的理论值。

张拉完毕后，预应力中空管应力分布不均，结合现场试验情况来看，产品的弯曲会对应力分布产生一定的影响。弯曲产生的原因有两点：一是材料本身处理问题，本身预应力中空管即存在一定的弯曲；二是张拉时采用的是两点支撑，建议当杆件较长时，采用多点支撑，且保证支点保持在一个水平面为佳。

产品锁定时，由于扭紧螺母时对预应力中空管的收紧效果，其张拉应力有些许提高；油泵完全卸载以后，锁定装置收紧压缩，产生了一定的损失量。该损失量与锚具型号有关，根据本次试验分析结果，测得的锚具压缩量分布在0.683～1.957 mm范围内，平均值为1.325 mm。建议不考虑扭紧螺母对应力提高的贡献，以1.4 mm为锚具损失计算压缩量。

产品张拉完毕放置5 d后，各杆发生了应力松弛，各杆在发生了5 d的应力松弛后能够保证应力满足设计值要求，部分杆件平均应力小于超张拉设计值，说明按原设计要求的超张拉值是能够满足施工需求的。

应力松弛随着时间的增加，其变化幅度逐渐降低，当松弛时间达到4～5 d时，应力变化曲线趋于平稳；另松弛期间，杆件振荡并不会对应力松弛产生比较明显的影响。应力松弛为4%的有效应力左右。

4 结语

（1）采用预应力中空管，可实现短束预应力工厂化、标准化，为解决目前预应力结构中短束预应力难题提供一项有效的选择。

（2）预应力中空管在本项目实桥中的施工工艺试验丰富了预应力中空管的工程实践经验，为今后预应力中空管的推广应用提供了有益的工程经验。

（3）通过自平衡预应力中空管产品性能试验，得出预应力锚具计算压缩量及相应的预应力管应力松弛率，为今后预应力中空管的工程设计提供了有效指导依据。