自平衡預(yù)應(yīng)力中空管工藝特性研究與分析

邱興友，夏云龍，于雪暉

（1.浙江樂清灣大橋及接線工程建設(shè)指揮部，浙江 玉環(huán) 317600；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006）

0 引言

高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋由于施工工藝簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便而在短束預(yù)應(yīng)力中得到廣泛使用，但由于其錨固過程中的錨具變形損失常常不能得到有效控制，造成一些混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力不能滿足設(shè)計(jì)要求甚至失效，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病害[1]。

浙江省樂清灣大橋及接線工程YS04標(biāo)大麥嶼疏港公路分離立交橋?yàn)?跨變截面連續(xù)混凝土箱梁橋，跨徑分布為45 m+80 m+45 m。主梁截面為混凝土箱型截面。橋面寬16.25 m，根部截面高5 m，跨中截面高2.5 m。腹板厚度為60～70 mm。全橋腹板施加豎向預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力布置采用“梅花型”布置形式。本橋全橋采用預(yù)應(yīng)力中空管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋，對(duì)腹板施加豎向預(yù)應(yīng)力[2]。腹板豎向預(yù)應(yīng)力布置截面圖見圖1。

圖1 腹板豎向預(yù)應(yīng)力布置截面圖

1 預(yù)應(yīng)力中空管工作原理

先張自平衡預(yù)應(yīng)力中空管由高強(qiáng)中空管、頭部工作螺母、尾部工作螺母組成，配套輔助反力棒、工作內(nèi)螺母、工作外螺母、壓墊。通過工作外螺母與中空管的頭部錨固螺母一側(cè)與之相連，工作內(nèi)螺母為中空，旋轉(zhuǎn)在工作外螺母內(nèi)前端，通過輔助反力棒壓墊與反力棒相貼。外置壓縮鋼棒穿過工作內(nèi)螺母中通道頂住壓墊對(duì)內(nèi)置反力棒施加一定壓力，使中空管材伸長(zhǎng)，鎖緊工作內(nèi)螺母。預(yù)應(yīng)力中空管結(jié)構(gòu)及原理圖見圖2。

圖2 預(yù)應(yīng)力中空管結(jié)構(gòu)及原理圖

主要通過對(duì)中空管內(nèi)的反力棒施加壓力從而使中空管受拉，達(dá)到儲(chǔ)存預(yù)應(yīng)力的目的，當(dāng)預(yù)應(yīng)力中空管埋入混凝土后，釋放反力棒，從而實(shí)現(xiàn)給混凝土施加預(yù)應(yīng)力。由于預(yù)應(yīng)力中空管依靠與混凝土的黏結(jié)力自錨，因此可以大大減小錨具變形損失，從而可以應(yīng)用在短預(yù)應(yīng)力束上。

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，把自平衡預(yù)應(yīng)力中空管放至需要施加的混凝土中，待混凝土固結(jié)達(dá)到一定強(qiáng)度（一般不低于混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的75%），混凝土與預(yù)應(yīng)力中空管具有一定的黏結(jié)力后，解除工作內(nèi)錨螺母，預(yù)應(yīng)力由頭尾錨固螺母將中空管的預(yù)應(yīng)力傳遞到混凝土中，實(shí)現(xiàn)先張法預(yù)應(yīng)力混凝土。施工簡(jiǎn)單方便，易控。

2 預(yù)應(yīng)力中空管實(shí)橋施工工藝特性

2.1 施工工藝

自平衡預(yù)應(yīng)力中空管在現(xiàn)場(chǎng)加工車間通過擠壓機(jī)對(duì)其進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉并鎖定存儲(chǔ)，在箱梁需要釋放豎向預(yù)應(yīng)力時(shí)對(duì)其存儲(chǔ)的預(yù)應(yīng)力予以釋放，從而將預(yù)應(yīng)力傳遞到混凝土中，并按照設(shè)計(jì)要求水灰比利用專用注漿泵對(duì)中空管進(jìn)行灌漿封口?，F(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)流程如下：

（1）尺寸丈量、編號(hào)。丈量中空管實(shí)際長(zhǎng)度，對(duì)鋼管進(jìn)行尺寸標(biāo)注和編號(hào)。

（2）組裝。按照反力棒、中空管對(duì)應(yīng)的匹配尺寸，將反力棒塞入中空管內(nèi)至尾端齊平。

（3）張拉、鎖定、存儲(chǔ)預(yù)應(yīng)力。將專用頂棒塞入需張拉的中空管的工作內(nèi)螺母；將中空管頭部穿過擠壓機(jī)支架孔洞裝入擠壓機(jī)支架，工作螺母全部進(jìn)入支架后，夾緊支架夾板，向外拉中空管，使工作外螺母與支架夾板密貼；調(diào)整中空管與擠壓機(jī)油缸直線度，使兩者盡量同心同軸；控制液壓站給予擠壓機(jī)液壓力至要求存儲(chǔ)的預(yù)應(yīng)力值、穩(wěn)定力值，撥轉(zhuǎn)專用六角扳手鎖緊工作內(nèi)螺母存儲(chǔ)預(yù)應(yīng)力。

（4）安裝。將張拉完成的中空管吊裝到安裝位置附近的箱梁上，按照設(shè)計(jì)圖紙逐個(gè)對(duì)應(yīng)安裝中空管，調(diào)整外露尺寸或高度，并通過鋼筋焊接底部墊板固定中空管。

（5）拆卸。待箱梁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)專用扭力扳手，松動(dòng)工作內(nèi)螺母，用電動(dòng)扳手反方向快速取出工作內(nèi)螺母、墊塊；用專用扭力扳手配套套筒對(duì)工作外螺母進(jìn)行松動(dòng)、拆除。

（6）抽芯。用專用抽芯夾具對(duì)反力棒進(jìn)行夾持抽?。粚⒐ぷ鲀?nèi)螺母、墊塊、工作外螺母及反力棒整齊碼放，及時(shí)吊裝到指定區(qū)域，做好防雨措施，以便于返廠修復(fù)，重復(fù)使用。

（7）灌漿。將注漿管插入中空管底部，稍留縫隙，根據(jù)內(nèi)部灌漿壓力慢慢抽出注漿管，漿液溢出填滿所有空洞至橋面平齊。

2.2 工藝特性總結(jié)

經(jīng)此次自平衡預(yù)應(yīng)力中空管現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)，對(duì)選用的施工工藝、施工設(shè)備、施工人員操作手法和技術(shù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行了全面驗(yàn)證。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理、技術(shù)人員、項(xiàng)目部技術(shù)人員、施工人員在產(chǎn)品試驗(yàn)過程中進(jìn)行了旁站、操作，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、機(jī)理及施工中的操作細(xì)節(jié)和常見問題處理有了一定的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過雙方溝通均認(rèn)為此次試驗(yàn)?zāi)軌虺浞肿C明產(chǎn)品的可操作性，正常施工過程中能節(jié)省后張工藝時(shí)間，高效提高橋面作業(yè)時(shí)間。

基于本試驗(yàn)研究成果，可以得到以下試驗(yàn)結(jié)論與建議：

（1）整套張拉、鎖定、安裝、拆卸、取芯、注漿流程較為方便可行，能夠滿足實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工要求。通過本次工藝試驗(yàn)，可整理出相關(guān)施工指南用于規(guī)范施工。

（2）經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)，通過超張拉8%，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力值鎖定工作。

（3）產(chǎn)品裝配必須嚴(yán)格按照規(guī)程安裝，否則會(huì)影響到后續(xù)的張拉和安裝工序正常進(jìn)行。組裝之前建議對(duì)個(gè)別部件進(jìn)行目測(cè)外觀檢查，觀察是否有損傷、毛邊，如果有，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)換、處理，尤其是螺紋齒牙。

（4）張拉鎖定工序是最為重要的環(huán)節(jié)，必須嚴(yán)格按照施工工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，避免發(fā)生危險(xiǎn)事故。張拉過程必須注意調(diào)整好反力棒與擠壓機(jī)油缸的同軸度，既可避免張拉過程中的危險(xiǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)扳手又比較省力。為了安全起見，張拉過程中，中空管末端不能夠站人。

（5）中空管需要按照設(shè)計(jì)圖紙逐個(gè)對(duì)應(yīng)安裝，并通過鋼筋焊接底部墊板加以固定。注意不能焊接在中空管、螺母等位置。

（6）工序間歇期間做好相應(yīng)部件的防銹措施。

（7）拆卸、抽芯工藝仍需進(jìn)一步完善其專用工具，以更突出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)及其便捷性。

（8）拆卸的部件統(tǒng)一存放，回收利用，并盡快返廠處理。

3 自平衡預(yù)應(yīng)力中空管產(chǎn)品性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容

根據(jù)自平衡預(yù)應(yīng)力中空管的施工工藝，將預(yù)應(yīng)力中空管埋入混凝土前，需要通過對(duì)中空管內(nèi)的反力棒施加壓力從而使中空管受拉，達(dá)到儲(chǔ)存預(yù)應(yīng)力的目的。所以首先要對(duì)產(chǎn)品在出廠前的預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)存效果進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估。儲(chǔ)存效果的評(píng)估主要包括幾個(gè)方面，一是反力棒反向壓力后，中空管的張拉效果評(píng)估，取決于反力棒與中空管間的相互作用效果以及鎖定裝置是否有效；二是張拉完畢一段時(shí)間內(nèi)預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)存效果評(píng)估，取決于產(chǎn)品材料的松弛情況與鎖定裝置的長(zhǎng)期有效性。分析評(píng)估通過在張拉工序全過程對(duì)產(chǎn)品的應(yīng)力檢測(cè)來進(jìn)行。

產(chǎn)品的應(yīng)力檢測(cè)內(nèi)容包括3個(gè)方面：張拉過程的應(yīng)力變化；張拉完畢自錨固后的應(yīng)力變化；錨固完畢后放置幾天后的應(yīng)力變化。

3.2 試驗(yàn)方案[3]

由于主要是通過端部位置對(duì)預(yù)應(yīng)力中空管進(jìn)行張拉，所以應(yīng)力測(cè)點(diǎn)主要布置在其兩側(cè)端部位置。兩側(cè)端部位置的應(yīng)力測(cè)量主要是針對(duì)張拉過程以及錨固后的應(yīng)力變化，測(cè)量時(shí)間較短，可用應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量。錨固完畢放置3～5 d后需要對(duì)產(chǎn)品的應(yīng)變損失進(jìn)行測(cè)量，而應(yīng)變片在長(zhǎng)時(shí)間放置后數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，需要使用應(yīng)變傳感器進(jìn)行測(cè)量，所以在中間位置布置一個(gè)傳感器測(cè)點(diǎn)。

根據(jù)前期的分析結(jié)果以及產(chǎn)品的特性，應(yīng)力測(cè)點(diǎn)及傳感器的布置情況如圖3所示。

圖3 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)及傳感器的布置（單位：mm）

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果，自平衡預(yù)應(yīng)力中空管在張拉階段完畢后，能夠保證其平均應(yīng)力基本滿足超張拉力下的理論值。

張拉完畢后，預(yù)應(yīng)力中空管應(yīng)力分布不均，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況來看，產(chǎn)品的彎曲會(huì)對(duì)應(yīng)力分布產(chǎn)生一定的影響。彎曲產(chǎn)生的原因有兩點(diǎn)：一是材料本身處理問題，本身預(yù)應(yīng)力中空管即存在一定的彎曲；二是張拉時(shí)采用的是兩點(diǎn)支撐，建議當(dāng)桿件較長(zhǎng)時(shí)，采用多點(diǎn)支撐，且保證支點(diǎn)保持在一個(gè)水平面為佳。

產(chǎn)品鎖定時(shí)，由于扭緊螺母時(shí)對(duì)預(yù)應(yīng)力中空管的收緊效果，其張拉應(yīng)力有些許提高；油泵完全卸載以后，鎖定裝置收緊壓縮，產(chǎn)生了一定的損失量。該損失量與錨具型號(hào)有關(guān)，根據(jù)本次試驗(yàn)分析結(jié)果，測(cè)得的錨具壓縮量分布在0.683～1.957 mm范圍內(nèi)，平均值為1.325 mm。建議不考慮扭緊螺母對(duì)應(yīng)力提高的貢獻(xiàn)，以1.4 mm為錨具損失計(jì)算壓縮量。

產(chǎn)品張拉完畢放置5 d后，各桿發(fā)生了應(yīng)力松弛，各桿在發(fā)生了5 d的應(yīng)力松弛后能夠保證應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)值要求，部分桿件平均應(yīng)力小于超張拉設(shè)計(jì)值，說明按原設(shè)計(jì)要求的超張拉值是能夠滿足施工需求的。

應(yīng)力松弛隨著時(shí)間的增加，其變化幅度逐漸降低，當(dāng)松弛時(shí)間達(dá)到4～5 d時(shí)，應(yīng)力變化曲線趨于平穩(wěn)；另松弛期間，桿件振蕩并不會(huì)對(duì)應(yīng)力松弛產(chǎn)生比較明顯的影響。應(yīng)力松弛為4%的有效應(yīng)力左右。

4 結(jié)語

（1）采用預(yù)應(yīng)力中空管，可實(shí)現(xiàn)短束預(yù)應(yīng)力工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化，為解決目前預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中短束預(yù)應(yīng)力難題提供一項(xiàng)有效的選擇。

（2）預(yù)應(yīng)力中空管在本項(xiàng)目實(shí)橋中的施工工藝試驗(yàn)豐富了預(yù)應(yīng)力中空管的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為今后預(yù)應(yīng)力中空管的推廣應(yīng)用提供了有益的工程經(jīng)驗(yàn)。

（3）通過自平衡預(yù)應(yīng)力中空管產(chǎn)品性能試驗(yàn)，得出預(yù)應(yīng)力錨具計(jì)算壓縮量及相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力管應(yīng)力松弛率，為今后預(yù)應(yīng)力中空管的工程設(shè)計(jì)提供了有效指導(dǎo)依據(jù)。