无粘结预应力钢棒在斜拉桥施工中的应用

张录生

（甘肃五环公路工程有限公司，甘肃 兰州 730050）

1 工程概况

桑园子黄河大桥的桥塔采用了菱形的“双子塔”设计，南塔高152 m，北塔高133 m。根据形态和位置的不同，桥塔分为上塔柱和下塔柱。南北塔的上塔柱高度为97 m，南塔的下塔柱高度为55 m，北塔的下塔柱高度为36 m。桥塔采用了变截面双柱的结构，塔柱采用了单箱单室的箱型截面。上塔柱的顺桥向宽度为6.5 m，横桥向宽度为4.5 m。南岸下塔柱的顺桥向宽度为6.5～10 m，横桥向宽度为4.5～9 m。北岸下塔柱的顺桥向宽度为6.5～8.3 m，横桥向宽度为4.5～7 m。顺桥向的壁厚为1.2 m，横桥向的壁厚为0.7 m。整座桥上共使用了25 104束无粘结预应力钢棒，共有6种型号。锚固段预应力钢棒布置图和构造图如图1、图2所示。其中，φ16-3型号采用了单支单端张拉的方式，张拉端和锚固端都采用了M16-3型号的锚具。所使用的预应力钢棒配件包括锚垫板、锚固螺母、锚固挡板、锚固备母和螺旋筋。

图1 锚固段预应力钢筋布置图

图2 锚固段预应力钢筋构造图

2 无粘结预应力钢棒在斜拉桥主塔施工中的作用和优点

主塔结构内同时布设有钢筋和无粘结预应力钢棒，组合预应力塔使各个预应力构件能充分发挥作用，起到扬长避短的效果，降低预应力的损失，减少主塔在使用时荷载作用下的扰度，充分发挥有粘结和无粘结预应力钢棒各自的优势，补偿各自的劣势。相较于普通钢筋混凝土，无粘结预应力钢筋混凝土具备以下优点。

（1）力学性能良好。与普通钢筋混凝土相比，无粘结预应力钢筋混凝土具有多项优点。首先，它具备出色的力学性能。在受荷载时，无粘结预应力钢筋混凝土能够更好地控制挠度和裂缝，减少预应力构件的反拱度。此外，预应力筋与外护套间设有防腐油脂层，可降低张拉损失，并且在使用期间可以进行预应力钢筋的补张拉。

（2）构造简单、自重轻。无粘结预应力钢筋混凝土的构造相对简单，自重较轻。在施工过程中，无需提前预留孔洞，只需在铺设完钢筋后，按照点位快速定位安装即可。这样的施工方式有利于节约工期和降低造价。

（3）施工方便，设备要求低，速度快。无粘结预应力钢筋混凝土的施工也更加方便，设备要求较低，施工速度较快。无粘结预应力钢筋的布置灵活，施工便捷，效率高，施工时间短，同时也需要较少的施工人员和材料。由于无需大型机械，施工现场也不会占用太多空间。

（4）抗腐蚀能力强。无粘结预应力钢筋混凝土具有良好的抗腐蚀性能。涂料层的作用是隔离预应力筋和混凝土，减少摩擦损失，防止预应力筋腐蚀。涂料应具备化学稳定性和韧性，能在高温下不开裂、不变脆、不流淌，并良好粘附在钢筋上。此外，涂料层还应具备不透水、不吸湿、润滑性好、摩阻力小等特性。外包层通常由塑料带或高压聚乙烯塑料管制作而成。

（5）抗震性能良好。无粘结预应力钢筋混凝土还具有良好的抗震性能。由于无粘结预应力钢棒为后张结构，当承受较大荷载时，无粘结预应力钢棒处于受拉状态，不会像钢筋那样由受拉转为受压，从而使结构处于安全状态，并且仍然保持良好的挠度快复性能。

（6）抗疲劳性能良好。无粘结预应力钢筋混凝土还具有良好的抗疲劳性能。由于无粘结预应力钢棒与混凝土间可以相对滑移，使用阶段的应力幅度较小，因此不会出现疲劳问题。

3 无粘结预应力钢棒在斜拉桥施工中的应用

3.1 桥塔的施工

①焊接型斜拉索系统。无粘结预应力钢棒可以用于构建斜拉索系统，这种系统通常采用焊接方式连接斜拉索和桥塔。在施工过程中，首先需要在桥梁两端的主塔上焊接斜拉锚固件，然后通过钢棒将锚固件与主塔连接起来。这种斜拉索系统的优点是简单可靠，施工周期较短，适用于中小跨度的斜拉桥。②包线型斜拉索系统。包线型斜拉索系统是另一种常见的斜拉桥支撑结构，也可以使用无粘结预应力钢棒进行构建。在施工过程中，首先需要在主塔上安装包线器，然后通过钢棒将包线器与主塔连接起来，形成连续的斜拉索。这种斜拉索系统的优点是在跨度较大的斜拉桥中更为常见，可以分担主缆的受力负荷，使得整个桥梁结构更加稳定。

3.2 主缆的张拉

①使用预张拉机进行张拉操作。无粘结预应力钢棒需要在施工过程中进行张拉，以产生预应力，并使其处于预应力状态。通常使用预张拉机进行张拉操作，预张拉机通过施加力来拉紧无粘结预应力钢棒，使其产生预应力。在张拉过程中，需要控制张拉力的大小，以确保钢棒达到设计要求的预应力水平，同时考虑桥梁结构的整体稳定性。②控制张拉力和张拉变形。在主缆张拉过程中，除了控制张拉力的大小，还需要注意控制张拉变形。张拉变形是指在无粘结预应力钢棒受到张拉力时发生的长度变化。控制张拉变形的目的是使得不同位置的钢棒长度变化尽量一致，以保证主缆的均匀张拉和桥梁结构的整体稳定性。

4 紧固装置的选用

4.1 紧固装置的功能与选择标准

紧固装置用于连接无粘结预应力钢棒和桥梁结构的其他部分，起到固定和传递力的作用。紧固装置的选择要考虑到预应力钢棒的直径、长度、预应力水平以及桥梁结构的设计要求等因素。合适的紧固装置可以确保预应力钢棒的稳定性和持久性，同时提供足够的连接强度。

4.2 模拟实例

举例介绍一个常见的紧固装置——锚拱。锚拱是一种用于将无粘结预应力钢棒与桥梁主体连接的紧固装置。在施工过程中，首先需要在桥梁主体上预留锚拱孔洞，然后将无粘结预应力钢棒穿过锚拱，并通过预张拉机进行张拉，最后将锚拱紧固在桥梁主体上。

5 无粘结预应力钢棒在工程应用施工工艺优化

本项目桥塔锚固段预应力钢筋采用φ16-3（3根一束）无粘结预应力钢棒，根据长度分为N1-N6六种型号，抗拉强度标准值f[pk]=1 420 MPa，锚下张拉控制应力为0.65f[pk]=923 MPa（即每根张拉力185.5 kN），每米理论伸长量4.591 mm。无粘结预应力钢棒采用单支单端张拉，张拉端与锚固端均采用M16-3锚具。

（1）钢筋安装。桥塔劲性骨架定位——主筋安装——箍筋安装——勾筋安装。

（2）钢棒安装。固定张拉端锚垫板——钢棒张拉端螺母安装（螺母旋钮至6.5 cm处与保护皮贴紧）——钢棒从张拉端穿束——锚固端锚垫板、螺母安装——检查张拉端螺母是否与锚垫板贴紧，套丝头保护套。

（3）锚盒安装。采用阻燃挤塑板，槽口内不填充黑心棉，挤塑板根据钢筋位置开槽，与模板贴合紧密，防止漏浆。槽口深度为12.5 cm，槽口处主筋往里挪，保证锚垫板在主筋外侧。

（4）预应力张拉。①混凝土强度达到设计强度的90%，弹性模量达到混凝土28 d弹性模量的90%时，方可张拉预应力；②每节段塔柱预应力钢棒采用对称张拉，每组钢棒对称张拉（先中间后两边）；③预应力钢棒张拉应采用“双控”控制，以张拉力控制为主，伸长值校核。张拉时采用 0～100 %σcon 的张拉方法，张拉后持荷3 min，张拉后预应力钢棒的实测伸长量与理论伸长量误差范围在±6%以内。

张拉参数计算：

以N1预应力钢棒为例，单根长565.5 cm，张拉参数计算如下：

单根张拉力f=185.5 kN，假定对应千斤顶和油泵的校准方程为：Y=0.187 4x-0.186 3；

10 %σcon=18.55 kN，即x=18.55 kN，Y=3.29 MPa，张拉完记录伸长量为L1；

20 %σcon=37.1 N，即x=37.1 kN，Y=6.77 MPa，张拉完记录伸长量为L2；

100 %σcon=185.5 N，即x=185.5 kN，Y=34.58 MPa，张拉完记录伸长量为L3；

伸长量校核：{（L3-L1）+（L2-L1）}-5.655×4.591≤±6%

（5）封锚。预应力张拉完毕后，槽口采用C50细石子微膨胀混凝土封锚，且封锚时槽口坡面要凿毛，清洗干净，并增设防裂钢筋网，确保封锚质量。

6 工艺创新亮点

桑园子黄河大桥项目采用一种泡沫锚盒，用来解决后张法预应力施工中锚盒制作过程复杂、安装定位难度高、后期封锚质量差等缺点。这种泡沫预埋锚盒，其特征在于：包括容纳锚具的凹槽和阻挡混凝土的隔离层，凹槽平面形状与锚具形状相对应，凹槽深度大于等于锚具厚度，分隔层为聚苯乙烯泡沫。凹槽形状可根据锚具形状加工而成，可为圆形、方形等不特定形状，且加工后的凹槽平面尺寸大于锚具小于锚垫板，凹槽表面平整能与锚垫板紧贴，凹槽深度大于等于锚具厚度，能将锚具完全包容在凹槽内。阻挡混凝土的隔离层为除去凹槽的其余部分均属于隔离层，隔离层材料为聚苯乙烯泡沫等具有一定强度、硬度、隔离保温能力的泡沫制品。

7 工期和经济效益

①锚盒制作简单。在施工现场，仅需对泡沫板简单切割钻孔就能制作出锚盒。

②锚盒安装高效。制作出的锚盒质量轻便，仅需扎丝绑扎就能实现稳固安装。③锚盒拆除便捷。混凝浇筑后仅需用手工刀或钢筋头等简单工具便可将锚盒拆除干净。④有效提高槽口封堵质量。锚盒拆除后，槽口整齐，封堵后表面平整、美观。⑤工期短。相较于精轧螺纹钢和钢绞线，无粘结预应力钢棒施工工序简单，安装张拉快速便捷，有效缓解工期压力。

8 结束语

随着桥梁建设的发展，无粘结预应力钢棒能够有效提高后张法预应力施工效率和施工质量，制作简单、安装高效、拆除方便，对工程进度和工程质量的提高效果明显。降低了施工过程中材料、设备成本，大大提高了施工质量，节约施工工期，形成新工艺、新材料的成熟应用技术，具有广泛的推广前景。