护套钢绞线拉索在锚碇工程中的应用研究

2022-01-12苏强

中外公路 2021年6期

苏强

(柳州欧维姆机械股份有限公司，广西柳州 545006)

1 引言

大跨径悬索桥锚碇锚固系统经历了型钢、不可更换式预应力、可更换式预应力等多个发展阶段，目前中国主要使用两种锚固系统：型钢锚固系统与预应力锚固系统。

早期悬索桥大都采用集中传力式型钢锚固系统，其基本特点是：系统主要由后背梁和钢拉杆组成，钢拉杆前端伸出前锚面与主缆索股进行连接，需设置较强的支承构造。该系统传力路径为：通过钢拉杆将主缆索股拉力传递至后背梁，然后通过后背梁将所受拉力传递至整个锚体混凝土。由于整个锚碇架浇筑在锚块混凝土内，因此后期维护工作量较小。葛文璇等以南京四桥锚碇工程为背景，介绍了一种采用钢筋混凝土榫的锚固系统，该锚固系统是对传统的集中传力式型钢锚固系统的一种改进。其主要创新在锚固钢板后部设置榫剪力键，榫剪力键将索股上的力逐次相对均匀地传入锚体混凝土中，是一种分布传力式型钢锚固系统，锚固更为可靠，施工相对方便。但不管是集中传力式型钢锚固系统还是采用了榫剪力键的分布传力式锚固系统，都存在用钢量大、定位用支架消耗量大、制作安装和施工精度要求高的缺点。

随着预应力技术的不断发展完善，预应力锚固系统逐步替代型钢锚固系统成为最常用的形式。当前中国最常用的锚碇预应力锚固系统有灌浆黏结式锚固系统和多股成品索式锚固系统。灌浆黏结式锚固系统是在预埋孔道内灌注水泥基浆料对预应力筋进行防护，锚固系统不可更换、难以监测，但具有施工要求相对简单、技术成熟、成本低等优点。多股成品索式锚固系统具有锚固可靠、耐久性好、施工简便、全生命周期成本低、可更换等优点，但具有结构尺寸相对较大、初建成本较高等缺点。梅刚等介绍了多股成品索式锚固系统在虎门二桥中的设计，吴明远等及苏强等都介绍了多股成品索式锚固系统的研究情况。

随着中国西部交通建设的推进，越来越多的悬索桥锚碇工程正在设计与建造。一些锚碇工程提出了新的要求：工程初建成本要求较低，锚固系统尺寸要求较小，但同时也要求锚固系统可监测可更换、耐久性好等。当前常用的灌浆黏结式锚固系统和多股成品索式锚固系统都不能完全满足这些新的要求，因此工程设计人员不断研究，开发出了一种新型的锚固系统——护套钢绞线拉索式锚固系统。

2 护套钢绞线拉索式锚固系统的设计研究

2.1 护套钢绞线技术

护套钢绞线拉索技术成熟，已在斜拉桥上得到广泛应用。国外大部分斜拉桥工程都是采用护套钢绞线拉索，中国斜拉桥工程有的采用护套钢绞线拉索，有的采用护套钢丝拉索。杨吉新等和万义辉通过全面对比分析两种拉索的优缺点后认为钢绞线拉索更优，是斜拉桥的首选；罗维等重点从风载性能与风雨振性能两方面分析比较钢绞线拉索与钢丝拉索，认为紧凑型钢绞线拉索在大跨度斜拉桥中将超越钢丝拉索。基于钢绞线拉索良好的特性，研究如何把钢绞线拉索应用于锚固系统已成为锚碇工程设计人员首要考虑的问题之一。

2.2 锚固系统总体结构设计

经研究，提出了如图1所示的总体结构设计方案。该锚固系统由索股锚固连接构造和预应力锚固构造组成。索股锚固连接构造由拉杆组件、连接平板及连接筒组成；预应力锚固构造由管道、护套钢绞线及锚具、锚头防护帽等组成。与现有常用的预应力锚固系统相比，不同之处在于该锚固系统采用护套钢绞线为预应力束，两端采用夹片式锚具，锚具全密封设计，且管道内不再灌浆砂浆或油脂的防腐材料，但预埋管道端部设置预留通风管，在桥梁运营阶段可通过此管道安装监测元件，测试管道的空气温度，当湿度大于设计值时，可采取通入干空气方式进行管道内除湿，以提高锚固预应力钢绞线的耐久性。

图1 单索股用护套钢绞线拉索锚固单元

2.3 关键内容设计研究

钢绞线拉索应用于斜拉桥技术已较成熟，但如要应用于锚碇工程，因锚碇工况与斜拉桥工况不相同，需要考虑的因素也会有所不同,设计研究的关键内容也不同。

(1) 锚碇用钢绞线拉索锚固性能研究

钢绞线斜拉索的设计荷载一般为0.45Fptk，其疲劳性能要求较高。GB/T 30826《斜拉桥钢绞线拉索技术条件》中要求锚具组件满足应力上限为0.45fptk、应力幅度为200 MPa、循环次数为200万次的疲劳试验要求。而锚碇用钢绞线拉索的设计荷载、应力上限、应力幅等要求更接近体内索，锚碇工程设计要求所施加的有效预应力大于主缆索股设计荷载的1.2倍，以保证锚混凝土体一直处于受压状态，尽可能防止锚混凝土体出现裂缝。为保证钢绞线拉索能更好地满足锚碇工程需要，对锚具组件的锚固单元进行了改进设计。

(2) 锚碇用钢绞线拉索密封性能研究

钢绞线斜拉索的密封性能对保证其耐久性至关重要。GB/T 30826《斜拉桥钢绞线拉索技术条件》中要求锚具组件满足机械和热老化交替作用下的水密性试验要求，为保证锚具组件的密封性能，常规钢绞线斜拉索锚具需进行细致的、复杂的密封结构设计,如图2所示。在工作锚具前端，设计有密封筒、密封装置、调节顶杆和防护填料，防护填料充满密封筒，通过调节顶杆可以调节密封装置与护套钢绞线之间的密封间隙(护套钢绞线在穿索、张拉时调大密封间隙以方便施工，当要灌注防护填料时调小密封间隙以防渗漏)。在工作锚具后端，用防护帽和防护填料密封。闫云友等介绍了OVM250钢绞线拉索锚具的动态水密性试验研究，证明了OVM钢绞线拉索锚具有可靠的密封性能。但这种锚具当前主要存在以下问题：① 可调节间隙的密封装置结构复杂，密封筒外径尺寸较大，成本较高；② 防护填料多采用半固态的油性蜡，油性蜡在拉索动载作用下密封性能下降。

图2 常规钢绞线斜拉索锚具密封结构

然而在锚碇工程中，因护套钢绞线安装在锚室的密封孔道内，其所处环境远好于钢绞线斜拉索所处的环境，且所受的动载较小，对密封装置的要求低于钢绞线斜拉索。最后综合锚碇用钢绞线拉索的各方面要求，对锚具密封结构进行简化改进，如图3所示。

图3 锚碇用钢绞线拉索锚具密封结构

主要改进的地方有：① 简化密封装置设计，同时取消调节顶杆等可调式结构。改进后显著减少了密封筒的外径尺寸，成本得到降低；② 改进防护填料，改用膏状的非硫化不干性防腐密封胶替代油性蜡。欧维姆公司专门针对桥梁拉索的防护要求和持点，研制出了性能更优的拉索填充防腐材料——OVM非硫化不干性防腐密封胶，该密封胶具有良好的柔软性、密封性、耐热性、黏附性、耐老化性，可灌注、可涂抹。其性能指标如表1所示，与其他常用防腐材料对比如表2所示。

表1 OVM非硫化不干性防腐密封胶性能指标

表2 OVM非硫化不干性防腐密封胶与其他防腐材料对比

(3) 锚碇用钢绞线拉索穿索工艺研究

锚固系统主要施工流程为：安装预埋件—(浇筑锚体)—安装连接器—穿索—张拉—安装防护罩—锚头灌注—安装拉杆。其中最关键的是穿索工序，穿索时要保证孔道内各根护套钢绞线顺直不打绞。

① 钢绞线下料：穿索前进行钢绞线下料，下料长度需计算确定，计算两端要剥除PE外护套的长度，剥除PE后清洗钢绞线表面的油脂；为方便后期可能的换索需要，在后锚端的钢绞线端头切除6根边丝约100 mm,剩余的中心丝镦头。

② 钢绞线穿索：先把前锚具临时安放在连接器上方，把后锚具临时安放在后锚垫板端面下方。从前锚面，按工作锚板上的孔位顺序将各根钢绞线(有镦头一端向下)依次穿入前工作锚板、密封装置相应孔口、连接器内孔、预埋管，直至钢绞线露出后锚面，在后锚面钢绞线穿入后锚具的密封装置和后工作锚板，其中确保每根钢绞线穿入的前后工作锚位孔位要一一对应，在前锚面用工作夹片临时锚固钢绞线。

③ 调整钢绞线位置：全部钢绞线穿入前、后端锚具后，把前、后锚具分别推至连接器端面、后锚垫板端面就位，之后调整各钢绞线的位置，保证前后锚面的钢绞线PE外护套割口都位于密封装置设计的位置内和保证后锚面钢绞线的外露长度。钢绞线调好位置后，在后工作锚板装上工作夹片夹持钢绞线。

3 护套钢绞线拉索式锚固系统的试验研究

3.1 锚固系统锚具组件静载试验

因设计了新的锚固单元，进行了锚具组件的静载性能研究。试验按GB/T 14370《预应力筋用锚具、夹具和连接器》的规定进行，按依托工程要求选取单索股锚用15-18锚具组件和双索股锚用15-36锚具组件各3组试样进行了静载试验，结果满足标准要求，如表3所示。

表3 锚具组件静载试验结果

3.2 锚固系统锚具组件疲劳试验

锚碇用拉索的疲劳性能不同于斜拉索，更类似于体内索，因此按GB/T 14370《预应力筋用锚具、夹具和连接器》要求进行疲劳试验研究。按依托工程要求选取单索股锚用15-18锚具组件和双索股锚用15-36锚具组件各3组试样，按上限应力65%fptk、应力幅度80 MPa、循环次数200万次进行了疲劳试验，试验后样品完好，锚具不失效，没有发生断丝或滑丝，满足标准要求，如表4所示。