无粘结预应力钢棒在桥梁施工中的控制

刘晓辉

(中铁二十局集团第二工程有限公司，北京 100080)

连续梁桥具有整体性好、超载能力大、结构刚度大、安全度大等优点，且设计及施工方法均比较成熟，在受到地形、通航(车)净空等条件限制时优先采用的桥梁结构型式。因各方面原因，导致该桥型在通车后，梁体下挠和腹板裂缝，引发桥梁的寿命和安全存在严重的隐患。

从较多桥梁案例发现，竖向预应力损失与设计过程中使用的材料和施工方法有较大关系，本文通过预应力混凝土连续梁桥采用无粘结预应力钢棒作为竖向预应力体系在新建包头至银川铁路镇朔湖特大桥的应用，简单从无粘结预应力钢棒的构造和材料特性、受力计算、施工方法及优点等各方面分析，从安全性、社会和经济效益等多个角度论证无粘结预应力钢棒的应用价值，为类似桥梁施工提供借鉴。

1 工程概况

包头至银川铁路镇朔湖特大桥位于宁夏回族自治区石嘴山市大武口区，本桥为上跨石嘴山环线高速公路，跨越方式为(48+2×80+48)m 连续梁。梁体结构形式为单箱单室、直腹板、变高度箱形截面，梁体竖向预应力体系采用ø16-2 无粘结预应力钢棒，抗拉极限强度fpk=1420Mpa，弹性模量E=201GPa，单支单端张拉，钢棒两端采用PSU16-2 配套锚具。

2 无粘结预应力钢棒的构造和材料特性

2.1 构造形式

无粘结预应力钢棒构造形式由受力筋和锚固两大系统组成。受力筋为表面涂有特殊防腐润滑脂的钢棒，并包裹高密度聚乙烯树脂护套组成预应力钢棒，受力筋与护套间存在一定的间隙，使受力筋能在护套中任意滑动。无粘结预应力钢棒锚固系统由锚固螺母、锚固挡板、螺旋筋、锚垫板、锚固备母五部分组成。无粘结预应力钢棒构造见图1。

图1 无粘结预应力钢棒构造图

2.2 材料特性

无粘结预应力钢棒各组成部分的名称及规格、材质和数量见表1。

表1 各组成部分名称及规格、材质和数量表

无粘结预应力钢棒是钢棒通过冷拔调质工艺加工，机械性能良好。使用锚固回缩量仅为0.10mm 的高强度标准螺纹锚固并且锚固螺距仅为1.50mm，施工精度极高，确保了应力损失极小，保证了张拉应力与伸长量一致性高。

3 无粘结预应力钢棒受力分析

无粘结预应力钢棒受力分析主要有钢棒、锚固螺母和螺纹、锚垫板等承载力计算，及锚下混凝土局部承压强度和抗裂计算。

3.1 单根钢棒承载力计算

式中：F1-单根钢棒承载力KN；Pm-钢棒抗拉强度Mpa；Sn-钢棒公称横截面面积mm2。

3.2 螺纹承载力计算

3.2.1 螺纹应力截面积

式中：As-钢棒螺纹应力截面面积mm2；d2-外螺纹中径尺寸mm；d3-外螺纹小径的尺寸，(d1)减三角高度(H)值的1/6，即

式中：H-螺纹三角形高度mm，P-螺距mm。

由(2)～(4)计算式可得螺纹的应力截面积。因此无粘结预应力钢棒螺纹受力最小截面积为3.0。

3.2.2 螺纹承载力

式中：F2-螺纹承载力KN，Sp-保证应力Mpa。

3.3 锚固螺母承载力计算

3.3.1 锚固螺母支撑截面积

式中：S1-锚固螺母支撑截面积mm2；l-对变长度mm；d4-螺纹最大直径mm。

3.3.2 锚固螺母极限承载力

计算式中：F3-锚固螺母极限承载力KN；σ -碳素结构钢抗拉强度Mpa。

3.4 锚垫板承载力计算

3.4.1 锚垫板受力截面积

式中：S2-垫板截面积mm2；L、B-垫板长和宽尺寸mm；n-垫板孔数；d-垫板位孔直径mm。

3.4.2 极限承载力式中：F4-锚垫板极限承载力KN。

3.5 锚下混凝土抗裂和局部承压强度校核

锚下混凝土局部承压强度和抗裂性在钢棒位置的校核由公式(10)和(11)进行验算。

式中：β -局部混凝土承压强度系数，为A/Ac，A-局部承压混凝土底面积m2，Ac-局部承压面积m2；fc-轴心抗压极限强度Mpa；Kcf-承压抗裂安全系数，取1.50；Nc-压力MN。

3.6 产品主要性能指标检测值

无粘结预应力钢棒产品主要性能指标检测值见表2。

表2 无粘结预应力钢棒产品主要性能指标检测值表

根据无粘结预应力钢棒产品质量证明书和产品主要性能指标检测值，截取无粘结预应力钢棒长度1000mm，单端张拉受力取185.5KN，单端固定，套入上述计算公式分析受力为：在锚固螺母与预应力钢棒最大受力点为交接位置，钢棒受力强度最高为1068Mpa 小于屈服强度1280Mpa，受拉位移量为4.4mm，与每延米伸长量4.462mm 的差值为0.062mm，符合张拉偏差规定的要求。在承受设计荷载后无粘结预应力钢棒各组成部分均能处于安全状态，即满足使用要求。

4 无粘结预应力钢棒施工控制

4.1 张拉设备

千斤顶采用型号为YCD3500 穿心千斤顶。张拉时使用连接杆联接张拉端头丝扣，旋转锁紧手柄在施加应力阶段，锚固螺母锁紧。应校正千斤顶的系数不大于1.05，与配套油表同时标定后可使用，采用精度为0.4 级的防振型油压表。使用的千斤顶形式见图2。

图2 使用的千斤顶形式图

4.2 施工方法

4.2.1 张拉要求

4.2.1.1 梁体混凝土强度和弹性模量均应达到设计要求以上，且不小于7 天的龄期。

4.2.1.2 张拉时以“双控”控制，张拉力控制为主，伸长值校核，且差值必须控制在6%以内。对称同时进行两侧腹板张拉。

4.2.2 施工方法

安装箱梁底、外模和钢筋→组装、加固无粘结预应力钢棒固定端→安装顶面钢筋→定位、加固张拉端→验收检查→安装、加固内模→施工、养护混凝土→张拉→张拉端部封锚。其中，安装过程将固定端锚固螺母旋紧，再安装挡板和锚固备母；张拉结束后，从两支无粘结预应力钢棒端头将锚固挡板同时穿入，再将锚固挡板推至与锚固螺母外侧贴合，依次锁紧锚固备母。

4.2.3 注意事项

4.2.3.1 施工过程中需对“锚具、无粘结预应力钢棒连接、锚具、张拉、锚固挡板等安装工序验收”，全部施工完毕后对真实性和完整性逐个检查，确保按施工图要求进行施工。

4.2.3.2 无粘结预应力钢棒安装过程，需对外壁高密度聚乙烯树脂护套进行保护，确保完整性，防止钢棒与混凝土接触，对后期张拉时产生影响。

4.2.3.3 无粘结预应力钢棒安装时预留螺纹工作长度80mm(张拉端钢棒端头距锚垫板外侧)。

4.2.3.4 张拉时必须两侧腹板对称同步施工，任何人员严禁靠近张拉端，防止操作失误导致意外事故发生。

4.2.3.5 封锚时，需先对张拉槽口混凝土凿毛，将杂物清理干净，避免封锚外观较差。

5 无粘结预应力钢棒优点

5.1 无粘结预应力钢棒成型定制为在线涂油热挤塑连续方法，钢棒和护套无间隙，有较好的机械性能，延伸率可达7%以上。

5.2 无粘结预应力钢棒长度为定尺加工，张拉后无需切割，施工工艺简单、提高工效、节省成本的目标，减少了施工中质量事故风险，因此具有良好的社会效益和经济效益。

5.3 采用调质工艺进行钢棒加工，具有强度高、延性好，抗拉强度可达到1570 级，在1570 级时断后伸长率仍可达7%以上。

5.4 施工过程无需预留管道，张拉完毕即可封锚，避免振捣过程中管道损坏，造成预应力筋锈蚀和有效应力损失等质量隐患。

5.5 无粘结预应力钢棒凭借固挡板和锚固备母作为防护装置，如预应力钢棒发生意外断自身在结构受力、质量控制及可操作性方面的明显优势，可有效避免事故的发生。

5.6 无粘结预应力钢棒组成部分施工精度极高，机械性能良好，应力损失极小，伸长量与张拉应力相符性强，且为一次张拉即可满足设计要求。

结束语

本文介绍了无粘结预应力钢棒的构造形式、材料特性、受力分析、施工方法及施工优点进行简述，在新建包头至银川铁路镇朔湖特大桥预应力混凝土连续梁桥上的使用表明，其克服了传统精轧螺纹钢由于应力损失产生梁体下绕和腹板开裂的质量缺陷；规避了因预应力管道压浆不实被腐蚀的危害；使得预应力混凝土连续梁桥变形小、整体性、刚度大、抗震性好等优点等从各个方面都能保证，有比较成熟的设计和施工工艺，工期和质量的控制有效，且养护工作量小等，能在各类桥梁工程中广泛应用。