浅析波形钢腹板连续箱梁中体外索施工技术

邹通

摘 要：本文在鄄城黄河特大桥主桥施工中采用合理的施工方法，在外索施工中，采用了可调可换式成品索锚具、新型整体式千斤顶、灌注环氧砂浆、人工涂抹防腐油脂等创新材料和新工艺，在预应力张拉的施工中通过实际测量，实际数据与理论值相当接近，达到了预期的施工效果，最大程度上发挥体外预应力混凝土结构的优势，从而保证了工程质量。

关键词：主桥；施工；预应力；质量

1前言

1.1工程概述

鄄城黄河特大桥主桥上部布置为70m+11×120m+70m，共13跨波形钢腹板预应力混凝土pc连续箱梁。单幅上部箱梁为单箱单室，顶宽13.5m，底宽6.5m，墩顶根部梁高为7m，跨中梁高为3.5m。梁高按2次抛物线变化。为了提高整个结构的横向抗变形能力与抗扭刚度，每120m跨主梁除支点设有端隔强外，每标准跨跨间设有四道横隔。为承受活载，箱梁内部设置体外预应力钢束。体外预应力束索体采用采用15-19型成品索。其标准抗拉强度F=1860Mpa，延伸率≥3.5%，张拉控制应力=0.6F。

1.2锚具介绍

为了固定19束环氧喷涂无粘结钢绞线成品索，采用192套FSM.TW.C15-19体外索锚具（又称法尔胜19孔可调可换式体外索锚具）。每束系杆由19根环氧喷涂钢绞线组成，单束控制张拉力为297t。为了避免桥梁在使用工程中体外索预应力的损失而无法进行补张拉以及以后可以对索进行更换，而选用可调可换式锚具。其构造如图1。

图1

1.3体外索布置

整个体外索在波新型钢腹板连续箱梁内部设置，中跨共设8束，边跨设置4束，除边跨在锚固端设置了锚固块外，其余均在箱梁0#块顶端锚固，体外索通过设置在箱梁块段顶底板的预埋件，连接减振器，起约束承受活载作用。其布置如图2、3。

图 2

图3

1.4体外索受力特点

波形钢腹板预应力混凝土pc连续箱梁采用体内、外预应力并用的方式配置预应力束，自重、施工荷载及二期恒载等永久荷载由体内预应力承受，车辆等可变荷载由体外预应力承受。

1.5体外索优、缺点

1.5.1体外索的优点

（1）锚固构件尺寸小，自重增加少，但可有效的大幅提高承载能力。（2）简化预应力筋曲线，预应力筋仅在锚固处和转向处与结构相连，减小摩阻损失，提高预应力使用效率。（3）对原结构损伤小，不影响桥下净空。（4）预应力布置灵活，可以根据桥梁病害进行全桥加固也可以进行局部加固。（5）与混凝土无粘结，由荷载产生的应力变化分散在预应力筋全长上，应力变化值小，对结构受力有利。（6）索力根据情况可以进行调整，预应力索可以更换，便于使用期间进行维护。

1.5.2体外索的缺点

（1）体外索布置在截面外，防腐、保护相对较困难，易受外界影响。（2）锚固及转向区域容易产生应力集中，局部应力大，锚固施工要求高。（3）体外索张拉力较小，不能充分发挥体外索强度高的优点，对锚具及夹片的要求很高。

2 体外索成品索的穿索

2.1体外索展索

在箱梁6#块人洞附近顶部放置特制的展索盘，用停留在桥面的吊车将单盘索吊至展索盘内，在成品索的端头焊接便于与钢丝绳相联的“牵引头”，随着卷扬机的牵引，展索盘水平方向旋转，体外索展开如图4。

2.2体外索牵引

体外索从0#块顶部展索盘开始展索，用卷扬机沿桥面牵引，从6#块预留的顶板人洞进入箱体。施工如图5。

图4 图5

体外索进入箱体后，沿设置好的滚动装置滑行。按计位置进穿过横隔板保护套、转向器，最终到达0#块锚固位置。施工如图6。

2.3体外索保护

为防止体外索牵引时与桥面摩擦破坏HDPE保护套。采用特质的尼纶滚轮，放置于支撑架上。在6#块顶板和横隔板人洞口设置导向滑轮，使体外索沿弧形方向进入箱体内；滚轮布置如图7。

图6 图7

在0#块段～6#横隔板之间，利用挂篮施工预埋孔，采用精轧螺纹钢悬吊的形式来支撑尼纶滚轮，共设置2～3 道；滚轮支撑布置如图8。

在6#横隔板～10#横隔板之间采用可调结高度地面支撑的形式，共设置3～4 道；滚轮支撑布置如图9。

图8 图9

在10#横隔板～10#横隔板之间采用贴地的地面支撑，共设置4～6 道；。滚轮布支撑置图如下：

2.4 穿索时注意事项

（1）放盘时，体外成品索的钢带约束应随着展索而逐层解除。（2）卷扬机牵引时，用对讲机统一指挥，缓慢进行。（3）放盘完成后，在索头用卷扬机牵引，配合穿索卷扬机，以保证0#张拉端的成品索的外露长度。

3体外成品索的张拉

3.1张拉机具的选择

设计上边跨每根体外索的有效长度70.494m，中跨每根每根体外索的有效长度124.891m。共有1860MPa体外成品索192根，设计控制张拉力为297t，理论伸长量边跨为40.78cm，中跨为71.6 cm。根据张拉千斤顶必须大于控制张拉吨位的原则，实际选择了四台400t千斤顶对边跨4根、中跨8根体外索进行单向、对称张拉。

3.2张拉方法的选择及基本原理

由于体外索为环氧喷涂钢绞线组成，且较长，理论伸长量大。为防止反复张拉使夹片失效，采用YD2000-200-20 穿心式整体顶压千斤顶进行张拉施工。其工作原理是：在在千斤顶与锚板间设顶压器。由于顶压器的作用，在张拉过程中，工作夹片不至于退出锚孔，在回油倒顶时，工作夹片不会咬住钢绞线，在张拉到位后，使顶压器受力，壓紧夹片，随后千斤顶回油放张，使工作夹片锚固钢绞线。在两端对称两束体外成品索采用两台千斤顶同时进行对称张拉，要求张拉时以油压上升一致为原则，用对讲机及时报数控制，每张拉一个行程要停下来，较核总伸长值，张拉如图10。

图10

3.3張拉前准备工作

本桥在全桥合拢后，开始安装体外预应力成品索，同时安FSM.TW.C15-19体外索锚具，并作好以下工作：（1）严格检查体外预应力成品索两端的剥皮长度，边跨剥皮长度控制230cm，中跨控制在250cm，确保PE护套伸入密封筒内200～400mm。（2）检查体外索转向器预埋套管是否在设计位置，及时调整。（3）张拉千斤顶与压力表必须校验好，而且千斤顶校验时一定要配套；（4）清除锚垫板上的水泥浆，先将锚圈套上钢束，使之平整地落在锚垫板的槽内，装好工作夹片，并用特质工具装平夹片。（5）安装各部件的顺序：顶压器→千斤顶→工具锚。

3.4安装时注意事项

（1）安装工作锚板时应当让其完全进入锚垫板上的凹槽，以免张拉时工作锚板产生移动。（2）安装顶压器时应当注意不要顶得太紧，以免张拉时工作夹片不能自由滑出工作锚板上的孔道，而导致工作夹片和张拉出的钢绞线产生摩擦，使两者都受损。但又不能顶的太松，否则，工作夹片容易完全滑出工作锚板上的孔道，而导致张拉完成后不能完全压紧工作夹片；夹片不能夹紧钢绞线将导致滑索；（3）千斤顶在安装时一定要安装正确，有行程的一端应朝外，无行程的一端应当顶住顶压器，安装前工具锚板时最好让油缸有一定的2cm～3cm的行程，考虑到千斤顶较重一定要保证其前后与钢绞线在同一条轴线上；（4）后工具夹片安装时在其表面一定要涂上退锚灵，以便回油时工具夹片能顺利退出，同时要检查工具夹片是否裂横或丝口受损现象，如有应当及时更换；否则在张拉过程中容易发生事故；（5）由于在普通张拉方法的基础上增加了顶压器，张拉设备的组合长度较大，因此，各设备之间保证同一轴线相当重要。否则，容易导致各设备偏心受压而产生不良后果。

3.5张拉方法

在两端对称两束体外成品索采用四台千斤顶同时进行对称张拉，要求张拉时以油压上升一致为原则，用对讲机及时报数控制，每张拉一个行程要停下来，较核总伸长值。由于张拉控制力相当大，所以张拉时要求每一级之间的间隔尽量小些，并逐级加载，这样容易控制和在张拉过程中及时发现问题，同时，对桥的均匀受力也相当有利。张拉控制程序为0→15%δcon→30%δcon→40%δcon→50%δcon→80%δcon→100%δcon（持荷2分钟）→锚固。最后一次张拉完毕后，在工作锚板上给夹片安装防松装置，并切割多余钢绞线，以外露约30cm为准（外露的30cm作为以后换索接长用）。

3.6张拉顺序

张拉分三阶段，第一阶段：将全部体外成品索安装就位，开始调索，可将成品索张拉至设计张拉力的10%，作为成品索的初始调整拉力；第二阶段：调索完毕后，开始正式张拉，逐级对称将边跨四束、中跨八束成品索张拉至设计张拉力。第三阶段：顶压器施加20～30Mpa的力，顶紧夹片，千斤顶回油，结束张拉。2、每次张拉顺序：为了使桥梁在张拉过程中受力均匀、平衡，张拉时遵循对称、平衡的原则。每次张拉都同时张拉两根体外成品索。其先后次序如下：（1）先对称张拉最下游和最上游的两根索，即1#和8#索；（2）再对称张拉与最下游和最上游的两根索相隔的两根索，即3#和6#索；（3）然后对称张拉次下游和中间的两根索，即2#和4#索；（4）最后张拉剩余的两索，即5#和7#索。（5）对于边跨的4根索，张拉顺序为先1#和4#索，后2#和3#索。

对于全桥的张拉顺序为先左幅后右幅，单幅的顺序为：第1、2、3跨→第13、12、11跨→第10、9、8跨→第4、5、6跨→第7跨。

3.7张拉时注意事项

（1）现场由专人统一指挥，禁止非工作人员进入施工现场，现场技术员必须掌握好初张拉、各级张拉吨位、控制张拉吨位及相应的油压表读数，以及相对应的钢绞线伸长量。操作手必须清楚钢束的张拉顺序，严格按事先定好的顺序进行；（2）张拉时采用张拉应力和钢束伸长量“双控”，以应力控制为主，钢束的伸长量为校核，实际伸长量与理论伸长值之差控制在6%以内，超出范围应停止张拉，待查明原因并调整后方可继续张拉；（3）两端同时张拉至控制应力后，持荷2分钟，使预应力钢绞线在锚固前便完成部分徐变，以减少钢束锚固后的应力损失；（4）每一阶段张拉应控制整个桥的变形观测，如发现问题应马上停止张拉，并及时采取措施。

4体外成品索保护

（1）防松装置安装，根据保护罩的安装长度，预留钢绞线长度30cm，用手提吵轮锯平整地切除锚头两端的多余钢绞线，禁止采用气割和电弧切割。张拉完成后，当及时安装放松装置。安装时要注意所对应的衬套和压簧是否顶紧了工作夹片，同时，放松压板应当通过螺钉与工作锚板连接成一个整体。（2）体外索密封筒灌环氧砂浆，为了有效的隔绝空气保护已经去除了PE的钢绞线，张拉施工完成后，在体外索密封筒灌环氧砂浆。环氧树脂：固化剂：砂的重量配比为4：1：6。环氧砂浆组配后，搅拌充分后方能灌注，由于为冬季施工，防止固化速度太慢，采取煤气炉对环氧树脂适当间接加温。压浆时，从最低点的压浆孔压入，由最高点的排气孔排气。压浆缓慢、均匀的进行，不得中断。当排气孔冒出与进浆孔相同浓度的环氧浆体时，停止灌浆，保持1min压力后，用木塞封堵锚板上的灌浆孔和出浆孔。压浆后从检查孔抽查压浆的密实情况，如有不实，及时处理和纠正。（3）防腐装置的安装在锚具表面、夹片后断面、每根钢绞线表面均匀涂抹防腐油脂后，安装保护罩。（4）减震装置的安装，防松装置及防腐装置安装完成后，敲出箱梁顶、底板预埋钢板表面的砼，上紧减震夹片中间螺母，在上紧两侧的长螺杆螺母，焊接长螺杆于预埋钢板上，完成体外索减震装置的安装。在安装时严格控制长螺杆的高度，注意对体外索PE的保护。

5与普通预应力张拉区别

（1）锚具、所需张拉机具不同，体外索锚具是在常用锚具四件套（螺旋筋、锚垫板、工作锚板、夹片）的基础上增设了密封筒、螺母、支撑筒、以及与工作锚板配套的压紧装置（又称防松装置）和保护罩。本工程采用的张拉方法除和普通张拉法一样都有：千斤顶、工具锚板、工具夹片外，增加了顶压器。（2）工作夹片锚固的方式不同，普通张拉法当张拉完成需要锚固时，工作夹片是通过自锚的形式进行，即当回油时，工作夹片随着钢绞线的回缩而进入工作锚板孔洞从而达到锚固。这样钢绞线回缩必然造成应力的损失较大。整体式千斤顶张拉工作夹片是通过顶压器进行预压紧，虽然回油过程中钢绞线也有会微量的回缩导致应力损失，但其损失已经相当小。

6 结语

在鄄城黄河特大桥主桥体外索施工中，采用了可调可换式成品索锚具、新型整体式千斤顶、灌注环氧砂浆、人工涂抹防腐油脂等创新材料和新工艺，由于正确的掌握了该锚具的性能特点和注意了施工中的使用方法、并选择了适合预应力张拉的施工方法，通过实际测量，实际数据与理论值相当接近，达到了预期的施工效果，最大程度上发挥体外预应力混凝土结构的优势，从而保证了工程质量。

参考文献：

[1] 交通部.公路桥涵设计通用规范（JTGD60—2004）[S].北京：人民交通出版社 ，2004.

[2] 交通部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62—2004）[S]. 北京：人民交通社，2004.