大壩閘墩環(huán)氧涂層鋼絞線錨索張拉工藝研究

孟 剛，王海東

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410002）

前 言

大型水利水電樞紐工程泄水建筑物往往需采用大尺寸弧形閘門，大型弧形閘門承受的水推力很大，為改善其支承結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，確保建筑物安全運行，一般將其設(shè)計成預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。某大型水利樞紐工程泄水閘預(yù)應(yīng)力閘墩錨索布置采用輻射式平行布置方式，預(yù)應(yīng)力錨索上游錨固端位于水位變動區(qū)，為保證鋼絞線運行期的安全工作狀態(tài)，設(shè)計對預(yù)應(yīng)力錨索的耐久性提出了更高的要求，創(chuàng)新采用了單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線。由于本工程是類似大型閘壩預(yù)應(yīng)力閘墩中首次采用環(huán)氧涂層鋼絞線，錨索施工無成功經(jīng)驗可借鑒，正式施工前進行了一系列工藝試驗探索，最終取得了適用于本工程閘墩預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝，并在后續(xù)其他壩段預(yù)應(yīng)力錨索施工中成功推廣應(yīng)用。

1 工程概況

某大型水利樞紐工程是一座以防洪、航運、發(fā)電、灌溉等綜合利用的流域關(guān)鍵性工程，工程規(guī)模為Ⅰ等大（Ⅰ）型工程。左岸泄水閘壩段共布置1 個泄水高孔壩段和10 個泄水低孔壩段。泄水閘低孔采用寬頂堰，低孔分縫采用“兩孔一聯(lián)”的墩中分縫型式。泄水閘弧門推力標準值為68 100 kN。弧門推力巨大，弧門支撐體系采用預(yù)應(yīng)力錨索+鋼梁聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)，將泄水閘閘墩與弧門支鉸支座鋼梁用錨索連接，形成預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)。主錨索在閘墩立面上呈輻射狀布置，采取“上二下三”的布置方式共布設(shè)5 層，長短相間，主錨索長度27.5～32.5 m，上游錨固端設(shè)在弧門下游側(cè)閘墩內(nèi)的預(yù)留平孔內(nèi)，預(yù)留平孔沿閘墩高程方向布置5 層，直徑為1.5 m。泄洪閘底孔主錨索布置形式見圖1 所示。

圖1 泄洪閘底孔主錨索布置圖

2 鋼絞線材料選型研究

工程泄水閘預(yù)應(yīng)力錨索上游錨固端及主體部分位于上游水位變動區(qū)，為保證閘墩運行期安全，對錨索的防腐性能提出了很高的要求。原設(shè)計采用普通光面預(yù)應(yīng)力鋼絞線，因考慮以上因素影響，施工前對光面預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鍍鋅鋼絞線和環(huán)氧涂層鋼絞線三種不同防腐涂層的鋼絞線進行了比選。

通過各項性能指標的對比發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧涂層鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索更適合本工程泄水閘下游水位變動的運行工況，因此，本工程低孔閘墩預(yù)應(yīng)力錨索采用單絲環(huán)氧涂層有粘結(jié)鋼絞線，監(jiān)測錨索采用單絲環(huán)氧涂層無粘結(jié)鋼絞線，其主要技術(shù)性能指標見表1。

表1 主要技術(shù)性能指標

3 預(yù)應(yīng)力錨索工藝試驗研究

為了驗證閘墩預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計參數(shù)，完善錨索施工工藝，施工前期在低孔泄水閘進行錨索施工生產(chǎn)性試驗。該泄水閘有2 個邊墩和1 個中墩，每個邊墩布置20 束錨索，中墩布置30 束錨索，共計70 束錨索，其中19 束為監(jiān)測錨索。單束錨索設(shè)計噸位5 600 kN，永存噸位大于4 600 kN，超張拉力6 100 kN。單束錨索由36根Φ15.2 mm 1 860 MPa 級環(huán)氧涂層鋼絞線組成，錨索長度30～35.4 m。

3.1 工藝流程及操作要點

3.1.1 錨夾具、錨墊板材料要求

錨夾具由生產(chǎn)廠家按照錨索噸位要求配套提供。錨具滿足《水電水利工程預(yù)應(yīng)力錨索施工規(guī)范》DL/T 5083-2010 附錄B 的要求，其錨固性能需滿足：錨具效率系數(shù)不小于0.95，實測極限拉力時的總應(yīng)變不小于2.0%，且夾片未出現(xiàn)肉眼可見的裂紋或破碎。

張拉端錨墊板及保護罩采用熱鍍鋅防腐，噴鋅防腐層最小局部厚度不小于160 μm；面層采用環(huán)氧清漆+丙烯酸聚氨酯涂層防護，封閉底漆為環(huán)氧清漆，干膜厚度為20 μm，中間層為環(huán)氧云鐵兩道，干膜厚度為100 μm，面漆為自清潔丙烯酸聚氨脂一道，干膜厚度為100 μm。防腐油脂的技術(shù)指標滿足《無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋用防腐潤滑油脂》的要求。

3.1.2 施工工藝流程

閘墩錨索安裝及張拉施工工藝流程：搭設(shè)編束平臺—→鋼鉸線下料—→鋼絞線編束—→安裝張拉端及固定端錨墊板—→安裝測力計—→在錨束端部安裝工作錨夾具—→塔機吊裝錨索穿入閘墩預(yù)埋管道內(nèi)—→安裝錨固端錨具—→單根鋼絞線預(yù)緊張拉—→安裝限位板—→安裝整體張拉千斤頂—→安裝工具錨板—→分級整體張拉—→注漿防護—→切除超長部分鋼鉸線—→安裝防松夾板及防護罩。

3.1.3 錨索的組裝與安裝

錨索組裝前對鋼絞線進行檢查、下料，外觀存在死彎、明顯刻痕、松絲散絲、涂層不連續(xù)等缺陷的鋼絞線截去不用，對目視可見的涂層損傷按照修補材料生產(chǎn)廠家的指導(dǎo)書進行修補，不得使用局部銹蝕嚴重的鋼絞線。

鋼絞線下料使用切割機切割，下料長度按照“兩錨固點間凈距+鋼墊板厚度+工作錨板厚度+限位板厚度+千斤頂工作長度+工具錨板高度+測力計長度（如有）+1 m”的長度進行截斷。各根鋼絞線按照錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計采用隔離架集束，同時將一根耐油橡膠注漿軟管編入索體并保持通暢。組裝時要注意保護鋼絞線環(huán)氧涂層不被破壞，鋼絞線轉(zhuǎn)運采用人工抬運，不得在地上拖運。施工現(xiàn)場待安裝的錨索，按序號順直存放在距離地面20 cm 以上的承索架（臺）上，并采取必要的防雨、防污染措施。

錨索孔道鋼管預(yù)埋完成后，及時采用通孔器進行孔道檢查、疏通，穿索前再次進行檢查清理。經(jīng)檢驗合格的錨索，利用安裝在壩后的大型門機，在人工輔助下，使用鋼絲繩和特制錨索夾具整體提吊錨索。錨索入孔前在先入管道一端捆栓1 根安全拉繩，供閘墩預(yù)留孔內(nèi)的人員拉拽錨索至管道口，緩慢下入管道內(nèi)，待錨索夾具抵達下端錨墊板時，調(diào)整兩端長度，使之滿足工作要求。然后拆除錨索夾具，并調(diào)整工作錨具，使之居中于錨墊板內(nèi)孔。

3.1.4 錨索張拉施工

錨索張拉在閘墩混凝土達到設(shè)計強度后進行，錨索測力計和千斤頂油泵壓力表按規(guī)定進行校驗和率定，繪制張拉應(yīng)力-壓力表（測力計）的關(guān)系曲線，用于通過油壓表控制張拉力，指導(dǎo)張拉施工。

在同一閘墩上（或鋼梁一端）錨索張拉次序采用對稱、跳束、分級同步張拉的方法，先中間、后兩側(cè)，逐步擴散，對稱均衡進行。張拉采用以張拉力控制為主、伸長值校核的雙控操作方法。當(dāng)錨索張拉實測伸長值超出理論計算伸長值±6%時，應(yīng)停機檢查，待查明原因并采取相應(yīng)措施后，方可恢復(fù)張拉。

錨索張拉完畢后48 h 內(nèi)，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失超過設(shè)計張拉力的10%時，必須進行補償張拉。錨索張拉鎖定后夾片錯牙不應(yīng)大于2 mm，否則退錨重新進行張拉。

3.2 試驗過程中出現(xiàn)的問題及原因分析

3.2.1 試驗過程中出現(xiàn)的問題

試驗索張拉過程中監(jiān)測和測量結(jié)果反映出多個問題，主要如下：

1）伸長值超標，存在偏大和偏小兩種情況。

2）鎖定后回縮值超標。

3）應(yīng)力損失偏大。

4）夾片錯牙超過2 mm 占比達5%。

5）多束錨索出現(xiàn)滑絲現(xiàn)象，其中2 束夾片滑脫。

3.2.2 問題產(chǎn)生的原因

聯(lián)合材料供應(yīng)商對問題產(chǎn)生的原因進行了研究分析，主要如下：

1）本工程采用的單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線，是將常規(guī)普通無粘結(jié)鋼絞線拆絲后，對每根鋼絲噴涂環(huán)氧涂層，環(huán)氧粉末經(jīng)靜電或其他方法均勻涂覆在鋼絞線的各鋼絲表面，并熔融結(jié)合固化后形成的膜狀物，厚度不小于0.13 mm，然后再繞絲制成，在水利水電工程中應(yīng)用較少，缺乏類似工程施工經(jīng)驗。

2）在張拉工藝上，本工程前期設(shè)計要求和施工準備均是按無涂層鋼絞線進行的，鋼絞線進場前改為環(huán)氧涂層鋼絞線后，技術(shù)要求及錨夾具未作相應(yīng)的配套調(diào)整。

3）檢測報告顯示，由于環(huán)氧涂層的影響，與普通鋼絞線相比，環(huán)氧涂層鋼絞線直徑更大，采用常規(guī)無涂層鋼絞線的工作錨、工具錨及限位板孔，由于鋼絞線與孔之間的環(huán)狀間歇相對較小，夾片后退空間受限，張拉時錨孔或夾片刮擦鋼絞線表面涂層，極易造成刮傷鋼絞線涂層，脫落的涂層填充了夾片絲牙。由于涂層不均勻填塞在夾片絲牙和周邊縫隙中（見圖2），錨固回縮時夾片與鋼絞線及錨孔壁摩擦受力不均衡，容易引起夾片與鋼絞線咬合不緊，進而引發(fā)一系列問題，如夾片錯牙、伸長值及回縮值超標、鋼絞線滑絲等。

圖2 刮傷涂層的鋼絞線

3.3 改進措施

由于環(huán)氧涂層鋼絞線在水利水電工程閘墩大噸位預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)及張拉缺乏成熟可靠的施工工藝。針對生產(chǎn)性試驗中出現(xiàn)的問題，組織了多家預(yù)應(yīng)力錨夾具生產(chǎn)廠家，對包括錨夾具的改進、張拉工藝的改進、錨固系統(tǒng)長期運行的安全可靠性研究等，并開展現(xiàn)場張拉工藝對比試驗。

1）調(diào)整工作錨板與夾片的尺寸，設(shè)計了新型的適合鋼絞線的錨夾具系統(tǒng)。原方案采用的工作夾片不能滿足錨固要求，需要將工作夾片長度進行調(diào)整，工作錨板錐孔相應(yīng)改變；并加厚了工作錨板；在錨索兩端工作錨板與錨墊板之間增設(shè)密封板，在錨索孔道回填灌漿前向密封板凹槽灌注聚氨酯密封膠進行密封。

2）對原張拉工藝進行了調(diào)整并進行了工藝試驗，采用懸浮預(yù)緊張拉工藝，即在千斤頂以上采用兩套工具錨板、夾片及限位板，兩套工具錨板之間增設(shè)懸浮支撐裝置。采用兩套工具錨板及增設(shè)懸浮支撐裝置是為了在回油倒頂時，工作夾片不會咬住鋼絞線，始終處于懸浮狀態(tài)，減少預(yù)緊張拉過程中工作夾片對鋼絞線涂層的損傷，保證張拉過程中環(huán)氧涂層的完好無損，避免夾片絲牙刮掉過多的涂層，防止工作夾片多次夾持受力受損。

3）增加頂壓裝置，即在工作錨板與千斤頂之間增設(shè)頂壓器，在錨索整體張拉達到設(shè)計張拉力之后、并在卸壓前，先對夾片施加頂壓力，使夾片預(yù)先和鋼絞線咬合，減少卸壓時鋼絞線預(yù)應(yīng)力的損失、控制回縮值及防止夾片錯牙。

4）試驗在錨固端使用P 型錨具的方法，解決錨固端鋼絞線鎖定滑絲等問題。但由于P 型錨具需在預(yù)留平洞中加工，空間受限，作業(yè)條件差，后來錨固端仍采取錨具及夾片進行鎖定，同時對施工工藝進行了優(yōu)化調(diào)整，即在錨固端增加夾片防松裝置，張拉過程中調(diào)節(jié)控制防松壓板的螺栓，使張并拉端的夾片持續(xù)跟進鋼絞線的回縮，可防止錨固段夾片回縮不均勻，避免了錨固鋼絞線的滑絲，同時對錨固洞內(nèi)操作人員的安全起到保護作用。

5）嚴格控制錨固材料、張拉設(shè)備的同心度。由于在普通張拉方法的基礎(chǔ)上增加了懸浮張拉和頂壓裝置，張拉設(shè)備的組合長度較大，因此，各設(shè)備之間保證同心十分重要，否則，容易導(dǎo)致各設(shè)備偏心受力而產(chǎn)生不良后果。

4 后續(xù)施工效果

通過以上措施的處理，同時加強現(xiàn)場管理，對試驗壩段存在問題的錨索全部進行了處理，后期700 余束錨索張拉施工均未出現(xiàn)回縮值超標、夾片錯牙、鋼絞線滑絲等施工異常情況，錨索張拉的各項控制參數(shù)及張拉噸位均滿足設(shè)計要求，施工質(zhì)量良好。

5 結(jié) 語

1）根據(jù)水利水電工程閘墩預(yù)應(yīng)力錨索的運行工況及施工特點，經(jīng)試驗及工程實踐研究表明，環(huán)氧涂層鋼絞線不能簡單采用常規(guī)光面鋼絞線錨夾具，應(yīng)使用與之相匹配的錨夾具系統(tǒng)，張拉前應(yīng)對張拉工藝進行試驗驗證；結(jié)合施工工期、現(xiàn)場施工條件、錨夾具防腐等因素，在錨固端采用單根防松頂壓裝置、張拉端采用懸浮預(yù)緊、整體張拉，配合頂壓裝置的施工工藝，適合環(huán)氧涂層鋼絞線錨索張拉要求。

2）環(huán)氧涂層鋼絞線以其優(yōu)異的防腐性能，目前已廣泛應(yīng)用于橋梁工程中，但還未在水利水電工程中推廣應(yīng)用，許多水利水電工程預(yù)應(yīng)力閘墩具有與橋梁工程相似的運行工況，因此在水利水電預(yù)應(yīng)力閘墩工程中引進環(huán)氧涂層鋼絞線材料，對于提高結(jié)構(gòu)使用壽命、降低維護成本具有積極作用。