低回缩竖向锚固系统在刚构桥中的应用

周新珍

(中铁十五局集团第五工程有限公司,河南洛阳 471002)

低回缩竖向锚固系统在刚构桥中的应用

周新珍

(中铁十五局集团第五工程有限公司,河南洛阳 471002)

结合溆怀高速公路第六合同段沅水大桥连续刚构梁体竖向预应力的施工,对“二次张拉低回缩钢绞线竖向预应力锚固系统”的工作原理、设计原则、系统构造做了详细介绍,同时对二次张拉低回缩锚固系统的施工步骤进行了简单说明,对类似工程有一定参考价值。

二次张拉 低回缩 锚固系统

1 工程概况

溆怀高速公路第六合同段沅水大桥2#～8#墩上部结构为58m+4×100m+58m双肢连续刚构悬臂浇筑箱梁。梁体为单箱单室箱形截面，箱梁顶板宽度12.75m，底板宽6.75m，箱梁中线处(0#块高度)根部梁高6.0m，跨中梁高3.0m，箱梁高度与底板厚度均按二次抛物线变化。箱梁腹板厚度70～45cm。悬浇变截面连续箱梁采用横、竖、纵三向预应力，每一腹板按照纵向间距50cm，设置两根竖向预应力，竖向预应力钢束下部为固定端，上部为张拉端。

2 用低回缩竖向锚固系统方案的确定

2.1 精轧螺纹钢筋竖向预应力典型病害

预应力混凝土梁式桥(包括连续梁桥、刚构连续和连续刚构组合体系)以其结构刚度好、行车平顺、造价相对较低、养护简单等一系列优点，但通过对竖向预应力用“精轧螺纹钢YGM锚固体系”分析研究得知，该结构形式存在以下几种致命缺陷。

(1)精轧螺纹钢强度较低，预应力张拉时延伸绝对值很小(特别是短束仅几毫米)，但在同样放张回缩值情况下，预应力损失比例就很大，短束预应力损失更可怕(一些桥梁的竖向有效预应力与竖向预应力张拉控制应力相比损失甚至达到60%[1])。

(2)虽然桥规中规定带螺母的YGM精轧螺纹钢锚具回缩值不大于1mm，但实际检测表明：放张时，钢筋的回缩损失：钢筋上螺纹与螺母的间隙及变形为2mm左右，另外螺母与垫板的接触面与钢筋轴线成45°夹角造成实际损失4mm左右[2]，其实际回缩损失大大超出规范要求。

(3)在工程实际施工过程中，精轧螺纹钢筋被拉断的现象时有发生，甚至有发生极端的张拉施工完至大桥通车前有30多根精轧螺纹钢筋断裂冲破桥面铺装层致使精轧锚具突出桥面(也有桥梁通车后发生的极个别力筋断裂事故)。竖向精轧螺纹钢筋一旦断裂，后果是无法补救的，危害很大[2]。

(4)精轧螺纹钢筋YGM锚固体系由于其力筋是刚性索，在施工时对锚固螺母、预应力粗钢筋及垫板三者的安装精度要求相当高，否则会造成放张时锚固螺母拧不到位，这是该结构的永存应力极难保持稳定易发生随机变化的一个重要原因。

(5)精轧螺纹钢筋YGM锚固体系，虽然应用已有二十多年，但缺少完整的施工验收规程，加之结构本身的原因，张拉施工后技术管理和监理人员无法监测判断施工是否符合(或达到)设计要求。设计、施工、监理各环节管理人员对预应力施工质量心中无底，十分不放心。

(6)竖向预应力普遍存在由于压浆不通或压浆很难起到黏结握裹作用的质量问题，通过对国内外对预应力混凝土桥的调查表明，管道压浆不密实几乎成了工程的通病，而且后患无穷[2]。

2.2 箱梁桥腹板裂缝病害

箱梁桥腹板裂缝病害主要是因竖向预应力不足以克服主拉应力而导致腹板混凝土开裂。一是因施工未达到设计要求而致使竖向永存应力通常小于主拉应力，二是施工的不规范或出现的偏差，无论是施工方、监理方、设计方以及业主都无法监测到竖向预应力施工质量，最后产生可预见的风险—腹板开裂。

通过腹板应力场试验、腹板抗剪极限荷载试验和实桥测试表明：“二次张拉低回缩钢绞线竖向预应力锚固系统”(简称“低回缩竖向锚固系统”)能大幅度减小中短束预应力筋的放张损失，大幅度提高竖向预应力效率和结构的抗剪安全度，且竖向实际永存应力能稳定达到设计要求，避免腹板开裂。

2.3 方案的确定

鉴于以上原因，沅水大桥连续刚构梁体竖向预应力施工时决定采用“低回缩竖向锚固体系”，彻底创新竖向预应力锚固结构，充分发挥高强度低松弛钢绞线力筋的优势，利用其柔性索、高延伸量、张拉控制应力低(不易发生塑性变形)的优点，用钢绞线力筋二次张拉(传统钢绞线夹片锚是不允许二次张拉的)克服夹片锚固回缩损失大的问题，同时，实现竖向预应力张拉施工后方便量化检测张拉施工质量，根除竖向预应力孔道压浆质量不好的通病。

3 低回缩竖向锚固系统的工作原理及构造

3.1 低回缩竖向锚固系统的工作原理

P锚与钢绞线通过挤压固定连接后，由压板压紧固定在固定端垫板上，钢绞线穿过固定端的垫板、固定端螺旋筋、约束圈、波纹管、张拉端垫板、张拉端螺旋筋等后连同固定端的进浆钢管(进浆钢管一端伸进波纹管内，另一端与进浆塑料管连接，并将塑料管引出混凝土外)一起预埋在梁体的混凝土内，在浇筑混凝土后，固定端的垫板、张拉端垫板及混凝土一起构成承力架构。安装的张拉端低回缩锚具，第一次先张拉钢绞线至设计控制张拉力，并持荷2min后，放张锚固；第二次再将张拉端低回缩锚具的锚杯连同力筋进行整体张拉并至设计张拉力，锚杯下端面会离开垫板5～13mm，再次持荷2min，并向垫板侧拧扭支承螺母，以消除锚杯与垫板之间的间隙。达到克服第一次张拉产生的锚具放张回缩的目的，以便降低竖向预应力损失，且提高预应力筋效率的目的。

3.2 低回缩竖向锚固系统构造

低回缩竖向锚固系统是由固定端垫板、P锚、约束圈、压板、压板螺杆组件、固定端螺旋筋、进浆钢管、钢绞线、波纹管、张拉端垫板、张拉端螺旋筋及张拉端低回缩二次张拉锚具等共同组成的。如图1所示。

3.2.1 低回缩竖向锚固系统张拉端构造

张拉端“低回缩锚具”是由锚杯、夹片、支承螺母、垫板、螺旋筋等组成的，其构造如图2所示。

锚杯圆台(或圆柱)内设置有夹片座套，外周应有螺纹，螺纹牙距应在2～4mm之间，支承螺母的螺纹应与锚杯螺纹一致，且为间隙配合。同时还要满足锚杯高度h1≥h2+28(mm)。

图1 低回缩竖向锚固系统构造示意图

图2 张拉端构造示意图

图3 固定端构造示意图

图4 槽口护罩和固定塞安装示意图

图5 第一次张拉安装示意图

图6 第二次张拉安装示意图

图7 锚杯与支承螺母相对位置示意图

垫板材料最好为HT200铸铁，但铸件不允许有砂、气孔等缺陷。支承锚杯的垫板平面要采用机械加工，且应在垫板平面设置排气(或压浆)孔，并和压浆孔道相通，另外孔道应有足够的截面积，以保证浆液的畅通，在孔口应设置螺纹与排气(或压浆)管道相连，垫板内孔的直径要与波纹管外径相匹配。

3.2.2 低回缩竖向锚固系统固定端构造

固定端的“P型锚具系统”由压板、压板连接螺杆、挤压套、弹簧、垫板、螺旋筋、进浆钢管、约束圈等共同组成，其构造如图3所示。

“弹簧”最好采用三角弹簧，其热处理硬度应≥63HRC。“挤压套”宜采用优质的合金结构钢，其热处理硬度应为6～20HRC。

垫板的采用宜为Q235钢板，厚度宜≥18mm。穿钢绞线孔直径宜取φ(1.05～1.15)。

压板与压板连接杆组件应将P锚压紧在固定端垫板上且无明显变形。

4 低回缩竖向锚固系统的施工

4.1 低回缩竖向锚固系统

钢绞线、波纹管等的施工应按设计图和《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50-2011)的要求执行。

4.2 混凝土浇筑

混凝土浇筑前检查预应力筋、锚具和管道的安装是否符合要求。浇筑混凝土施工时，应特别注意不能让振动棒振打波纹管及固定端垫板、锚具，确保不漏浆、不错位；浇筑混凝土后，在其终凝2～5h内，及时拆除张拉端槽口穴模。在拆出张拉端槽口的穴模后，及时在原穴模位置安装槽口护罩和固定塞(如图4所示)，防止杂物进(掉)入穴孔内影响锚具安装、张拉、压浆工序质量。槽口护罩和固定塞按要求的型式和尺寸加工、安装，也可根据施工实际选用其他构造型式的护罩[3]。

4.3 施加预应力

4.3.1 工艺要求

第一次施加预应力的机具、设备准备工作均按《桥涵施工技术规范》执行。第二次张拉应在第一次张拉放张后2～16h内进行，放张时应采用专用千斤顶与张拉连接装置。对预应力筋的锚固，应在张拉控制应力处于稳定状态下进行，锚固阶段张拉端的内缩量应符合第一次张拉锚固回缩量≤6mm、第二次张拉锚固回缩量≤1mm的规定[4]。

4.3.2 应力控制

第一次张拉控制应力应按设计的张拉控制应力超张5%，且张拉控制应力值不应大于0.8fpk。第二次张拉控制应力按σcon进行控制。第二次张拉初应力宜采用现场试验测试平均值的方法来确定，将力筋张拉至力筋锚杯下端面离开垫板平面之时的张拉应力值即为初应力值。

预应力筋采用应力控制方法进行张拉，并以伸长值进行校核。第一次张拉的实际伸长值与理论伸长值之差须控制在±6%以内，第二次张拉的实际伸长值与理论伸长值之差须控制在±10%内；否则，应暂停张拉，在查明原因和采取措施后，继续进行张拉。为确保永存预应力的稳定性，在第二次张拉放张后实际伸长值与理论伸长值之间误差应控制在+10%～-15%内，否则要重新进行张拉，并使之达到要求。

竖向预应力筋理论伸长值△L可分别按下列公式计算：

第一次张拉理论伸长值△LⅠ(mm)按下式计算：△LⅠ= PⅠPL/ AprEP

第一次张拉实际伸长值△L总Ⅰ(mm)按下式计算：△L总Ⅰ=△L1+△L2

第二次张拉理论伸长值△LⅡ(mm)按下式计算：△LⅡ(mm)=(PⅡP-PⅠPS)L/ApyEP

第二次张拉实际伸长值：△LⅡ总=△LⅠPS

4.3.3 张拉

(1)第一次张拉。第一次张拉时，千斤顶、限位板与锚具的安装如图5所示。在安装锚具时锚杯应与垫板接触，支承螺母和垫板应有一定间隙，且在第一次张拉时支承螺母不受力。张拉程序为：0→初应力→1.05σcon(持荷2min)→锚固

对第一次张拉的实际伸长值进行测量：

a、在张拉至0.1σcon时测量千斤顶活塞杆的外伸值△La和工具夹片的外露高度。

b、在张拉至1.05σcon时测量千斤顶活塞杆的外伸值△Lb和工具夹片的外露高度。

c、按下式计算第一次张拉实测的伸长值：△L总Ⅰ=△Lb-△La+△L2-△Le

d、将实测的伸长值与理论伸长值进行比较，其误差应在±6%之内。否则，须暂停张拉，待查明原因后方可继续进行张拉施工。

(2)第二次张拉。用砂轮切割机先将锚杯外露30～40mm之间的钢绞线切去，再按图6所示对连接套、支架、拉杆、千斤顶进行安装。支架架在张拉平面上，要确保张拉轴线与垫板面的垂直。张拉程序为：0→σⅠPS→σcon(持荷2min)→旋紧支承螺母→锚固

对第二次张拉的实际伸长值进行测量：

a、在张拉至σⅠPS(0.5σcon)时测量千斤顶活塞杆的外伸值△Lc。

b、在张拉至σcon时测量千斤顶活塞杆的外伸值△Ld。

c、按公式L总Ⅱ=△Ld-△Lc计算出实测的第二次张拉伸长值。

d、将实测的伸长值与理论伸长值进行比较，其误差应在±10%之内。否则，须暂停张拉，待查明原因后方可继续进行张拉施工。

e、拆移张拉千斤顶及张拉连接系统，测量锚杯与支承螺母相对位置差值△LH(如图7所示)。

f、校验第二次张拉放张后的伸长值：测量锚杯高度H1→测量支承螺母高度H2→按△L放Ⅱ=△LH-(H1-H2)+1计算二次张拉放张后实际伸长值。

将计算得出的第二次张拉放张后的实际伸长值△L放Ⅱ与第二次张拉理论伸长值△LⅡ进行比较，误差应在+10%～-15%之间。否则，须暂停张拉，待查明原因和采取纠正措施后，方可继续进行第二次张拉施工。

4.4 孔道压浆

孔道压浆应按《桥涵施工技术规范》的要求施工。

4.5 封锚

孔道压浆后，应及时对张拉端锚具进行封锚。

5 结语

用二次张拉低回缩钢绞线竖向预应力锚固系统替代精轧螺纹钢筋锚固体系(以15-3G替代φ32精轧钢筋为例)能大幅提高实际竖向预应力水平(单束实际永存预应力由300多千牛提高到520千牛以上)，预应力钢材用量减少50%，可十分方便监测到已施工预应力束的施工质量，确保竖向永存应力不会发生随机变化而非常稳定、可靠。彻底解决了孔道压浆不通(孔道无浆)、压浆不密实及压浆很难起到粘结握裹作用的问题，实现了孔道压浆密实、饱满。

[1]中国公路学会桥梁和结构工程分会编.2006年全国桥梁学术会议论文集[C].北京:人民交通出版社,2006:87-90.

[2]朱汉华,陈孟冲,袁迎捷.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝分析与防治[M].北京:人民交通出版社,2006:25-32.

[3]中交第一公路工程局有限公司.JTG/T F50-2011公路桥涵施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,2011:49-62.

[4]湖南省高速公路管理局,湖南联智桥隧技术有限公司.湖南省高速公路桥梁预应力精细化施工指南,2010年11月:10-18.

For the example of Xuhuai Expressway Contract No.6 Yuanshui Bridge with continuous rigid frame structure beam, which is constructed with vertical prestressed concrete, the article has detailedly expressed the working principles, designing principles, and the system structures of secondary stretching low retracting steel wire vertical prestressed anchorage system, it has also simply explained the construction sequences of the anchorage system and has certain references for the similar project.

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