体外索预应力技术在空腹式拱桥中的应用

柯海鹏

（浙江富春紫光环保股份有限公司，浙江 杭州 310001）

1 工程概况

某市跨河桥梁设计全长57.744 m，与河道斜交10°，采用空腹式拱桥设计。上部结构主拱圈为1×40 m悬链线无铰拱桥，主拱计算跨径按正投影40 m计算；腹拱圈为圆弧形拱，其中河岸两侧四个腹拱为三铰拱，其余河中心侧两个腹拱为无铰拱。下部结构采用 120 cm钻孔灌注桩，钢筋混凝土承台，两承台间设有7道系梁，采用体外索预应力技术，在每道系梁内设有4束9s15.2预应力钢绞线，以抵抗上部荷载产生的水平推力。

2 确定工艺流程和张拉顺序

2.1 确定工艺流程

根据拱桥受力，进行体外索预应力钢绞线的设计布置，并结合施工工艺进行受力分析计算，确定预应力张拉分两期进行，以解决受力不平衡问题。两期张拉时间为：主拱圈及立墙底座施工完成且强度达到100%后，张拉一期55%控制应力（张拉过程注意观测支架变形）；一期张拉完成后，拆除支架，然后张拉二期45%控制应力。具体工艺流程为：检查验收承台结构及预应力孔道预埋符合设计→进行预应力钢绞线制作→预应力钢绞线安装孔道内→安装张拉设备→一期张拉→拆除支架→二期张拉→孔道灌浆→封锚混凝土施工。

2.2 确定张拉顺序

为对称均匀受力，减少张拉过程受力不平衡对结构的影响，经过受力分析，确定每期的施工张拉顺序从中间开始往外侧对称均匀进行，即按照4号系梁→3号系梁→5号系梁→6号系梁→2号系梁→1号系梁→7号系梁的顺序，进行张拉施工，见图1。

图1预应力布置示意图

3 施工准备

3.1 计划设备和材料的投入

根据项目实际及确定的张拉工艺和施工顺序，主要投入4套YCW250型张拉设备、压浆机2台、钢卷尺6只；主要材料为9S15.2钢绞线16.4T、YM15-9锚具56套、42.5强度的普通硅酸盐水泥15 t。

3.2 作业条件复核

为确保张拉施工的顺利进行，在正式张拉施工前对作业条件逐一进行复核。在设备材料检验方面：施加预应力的设备已经过校验并有记录，并经过试车检查，张拉机具与设备均正常可靠；承台和系梁的同条件养护试块经过抗压试验，强度均达到设计100%要求，其几何尺寸、外观质量、预留孔道及埋件应经检查验收合格；预应力钢绞线有出厂质量证明书及复试报告，均符合设计要求及国家标准；预应力筋的锚具、夹具有出厂合格证，按规定进行验收和组装件的静载试验均符合设计及技术规程的要求；在第二期张拉前，灌浆用的水泥有出厂合格证书和复试报告单，强度满足设计要求，灌浆用水泥浆的配合比以及封端混凝土的配合比已经试验确定。

在现场条件及人员技术准备方面：张拉场地平整、通畅，张拉的两端按照规定设置了安全防护措施；张拉施工人员已组织进行技术交底，并将预应力钢绞线的张拉吨位与相应的压力表指针读数、计算伸长值写在作业牌上，作业牌挂在明显位置处，方便在作业时观察掌握。

4 主要施工技术

4.1 检查承台和系梁混凝土结构质量

施工采用预埋波纹管方式设置钢绞线孔道，在预埋施工时，重点控制波纹管定位支架形式和间距严格按照设计要求，及在混凝土浇筑过程中，防止振捣设备直接触碰到波纹管导致波纹管损坏或移位。对结构混凝土本身浇筑质量检查验收的同时，尤其要认真检查预应力钢绞线的孔道安装质量。波纹管尺寸与位置要求正确、平顺畅通、无局部弯曲；端部的预埋钢板垂直于孔道轴线，波纹管接头处不得漏浆，灌浆孔和排气孔位置准确。

4.2 安装穿预应力钢绞线

钢绞线安装前，孔道（预埋波纹管）经清理后检查符合要求，检查方法可以用通孔器或压气、压水等方法，并应检查钢绞线的规格、尺寸、型号、总长度是否符合要求。采用YCW250型千斤顶，其预留长度设定为不少于68 cm。为此，根据设计计算，其单根钢绞线下料长度复核后为5875 cm（包括了两端各75 cm的工作长度）。钢绞线下料时需要进行切断，宜采用切断机或砂轮锯，不得采用电弧切割，最好能当天下料，当天用完。所下料要及时按照顺序编号，编号用胶带贴于材料两端，并套上穿束器。

安装钢绞线时，先把钢绞线或穿束器的引线由一端穿入孔道，在另一端穿出，然后逐渐将钢绞线拉出到另一端，注意要缓慢均匀拖拉。

4.3 安装锚具及张拉设备

锚具及张拉设备在安装前，要先将端部预埋铁板与锚具和垫板接触的焊渣、毛刺、混凝土残渣等应清除干净。再套上工作锚板，在锚板锥孔内抹上一层薄薄的黄油，然后在锥孔内装上工作夹片，千斤顶套上相应的限位板，进行定位安装，最后装上张拉千斤顶，并且与油泵相连接，注意千斤顶要和相应油压表配套使用。其中在锚板锥孔内装上工具锚夹片时，锥孔内表面和夹片表面涂上约1 mm厚的黄油润滑剂，目的是使张拉完毕后夹片能自动松开。安装锚具及张拉设备时，重点应使张拉力的作用线与孔道中心线在张拉过程中相互重合。

4.4 张拉

本工程采用的低松弛钢绞线标准强度fpk=1860 MPa，Ep=1.95×105MPa，采用两端张拉方法，张拉控制应力δ=0.7×fpk=1302 MPa，每束钢绞线的张拉控制力为1640.52 kN。按照确定的两期张拉工艺进行施工。具体预应力钢绞线的张拉程序为：0→初应力→σcon（持荷2 min锚固），其中σcon为预应力钢绞线的张拉控制应力。两期张拉具体控制应力和伸长值经过计算复核。张拉采用“双控模式”，即控制“张拉应力和伸长值”。张拉应力控制在设计值的±5%内，伸长值偏差大于±6%内。如出现伸长值超过允许值，应停止张拉，查明原因采取措施后再进行。

钢绞线张拉具体控制如下：

（1）第一期张拉：0→初应力→单根钢绞线σcon=902.286 kN（持荷 2 min锚固），伸长值为14.54 cm。第一期张拉后仅为临时锚固。

（2）第二期张拉：0→单根钢绞线σ=902.286kN→单根钢绞线σcon=1640.52 kN（持荷2 min锚固），伸长值为11.86 cm（一、二期累计为26.4 cm）。

该体外索预应力钢绞线长度大于25 m，故采用两端张拉工艺，操作要点为：

预拉：将钢绞线拉出一小段长度后，检查每根钢绞线是否达到长度一致，如有不一致时，应退下楔块进行调整，然后再用力打紧楔块。

张拉及顶压：预拉调整以后方可按规定张拉程序张拉。张拉完毕，测出钢丝伸长值，若与规定符合，就可进行顶压锚塞。顶压锚塞时必须关闭大缸油路，给小缸进油，使小缸活塞猛顶锚塞。

校核：将千斤顶装入未张拉的一端进行张拉，张拉到控制应力后，猛顶锚塞。当两端都张拉顶压完毕后，应测量钢丝滑入锚栓中的内缩量是否符合要求，如果大于规定数值，必须再张拉，补回损失。

张拉施工中，对于钢丝断丝和滑脱的数量要严格控制，严禁超过构件同一截面钢丝总数的3%，且一束钢丝只允许一根。如超过上述规定，必须重新张拉，这时应把钢丝拉到原来的张拉吨位，拉松锚塞，用一根钢钎插入垫板槽口内，卡住锚塞，然后大缸回油，锚塞被拉出，取出整个锚栓。分别检查锚环是否被抽成凹槽，锚塞的细齿是否被抽平，若有这类情况，要调换锚具，重新张拉，如果锚环、锚塞仍然完好无损，则只要在顶压时加大压力顶紧锚塞。

4.5 孔道灌浆

孔道灌浆是后张法预应力工艺的重要环节，待二期预应力钢绞线张拉完后应尽早进行孔道灌浆，以减少预应为损失。灌浆前，对孔道采用压水方式清洗干净，并检查灌浆孔是否与预应力钢绞线孔道连通，否则，应事先处理。

灌浆顺序自南端向北端（即北端灌浆孔作为排气孔），灌浆应缓慢、均匀进行，不得中断。当从北端排气孔冒出浓浆后，再堵死排气孔，然后压浆至0.6 MPa，并稳定两分钟，即可堵塞灌浆孔，再关闭控制阀。每条孔道应一次灌成，中途不应停顿，否则将已压的水泥浆冲洗干净，从头开始灌浆。

水泥浆采用42.5强度的普通硅酸盐水泥，水灰比根据设计强度C40要求，经过试配确定为0.43，其3 h后泌水率1.8%，24 h后泌水全部被浆吸回。为减少水泥浆收缩，施工时掺入了0.08%的脱脂铝粉，与水泥浆均匀混合，调度控制在14～18 s之间。水泥浆自拌制至压入孔道的延续时间，视气温情况而定，一般在30 min范围内。在灌浆前和灌浆过程应经常搅动搅拌桶内的水泥浆，以防止水泥浆沉淀泌水、过快地降低流动度。注意灌浆过程中要及时制作试块（每个台班应留取不小于3组70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试件，并留置2组同条件养护试件），以验证强度和为后续施工提供强度依据。

4.6 封锚

封锚前，先用切割机割除外露钢绞线，其剩余长度保证不小于30 mm，并对封锚混凝土与老混凝土的交接面进行凿毛处理和冲洗干净，然后安装钢筋网、模板及加固，采用商品混凝土浇筑封端混凝土。由于施工期气温较高，故采用表面挂草袋洒水的方法对混凝土进行养护。

5 张拉常见质量问题的原因分析

5.1 滑丝问题

常见原因有：在张拉时锚具锥孔与夹片之间夹有杂物，钢绞线上有油污、锚垫板喇叭口内有混凝土和其它杂物；锚具的锚固效率系数小于规范要求值，钢绞线受力性能不符合设计要求，由于初应力小使钢绞线受力不均而引起钢绞线收缩变形，切割锚头钢绞线时留得太短或未采取降温措施；长束张拉因伸长量大而油顶行程小，多次张拉锚固，引起钢束变形，活着塞片、锚具的硬度不够。

5.2 断丝问题

常见原因有：钢束在孔道内部弯曲，张拉时部分受力大于钢绞线的破坏力；钢绞线本身质量有问题；油顶重复多次使用，导致张拉力不准确。

6 结 语

以体外索预应力技术用来抵抗拱桥上部荷载产生的水平推力，在桥梁工程中应用不多。采用该技术时，需要根据结构受力及施工特点，预先合理分布预应力钢绞线和分析确定工艺流程、施工张拉顺序，对于钢绞线和锚具材料质量、预留孔道和钢绞线安装、张拉应力和伸长值、孔道灌浆密实度和强度等要做重点控制，以确保施工质量。