跨海橋梁裝配式墩身 豎向自鎖式預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)研究與應(yīng)用

程 健，宋 杰

（中鐵大橋局集團(tuán)第二工程有限公司 江蘇南京 210015）

0 引言

寧波舟山港主通道（魚山石化疏港公路）公路工程項目位于舟山群島，跨越灰鱉洋海域，南接舟山大陸連島工程，北接岱山島，主線全長27.969km，跨海橋梁長度17.355km。該項目是寧波舟山港的交通配套設(shè)施，它的建成通車將進(jìn)一步提升寧波舟山港作為世界第一大港的航運能力，為中國（浙江）自貿(mào)區(qū)、浙江舟山群島新區(qū)、舟山綠色石化基地、江海聯(lián)運服務(wù)中心等國家戰(zhàn)略實施提供重要的交通保障。項目遠(yuǎn)期通過北向大通道與上海大洋山島相連，將為舟山寧波更好地融入長三角一體化打下堅實的基礎(chǔ)，助力于長三角區(qū)域一體化的國家戰(zhàn)略。

1 工程概況

1.1 墩身結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

寧波舟山港主通道70m跨徑非通航孔橋墩身設(shè)計采用預(yù)制薄壁空心墩，數(shù)量為368座/694節(jié)。墩身采用C45海工耐久性混凝土，墩身壁厚70cm，墩高為15.157～49.672m不等，根據(jù)墩高不同分別采用整體或分節(jié)預(yù)制安裝，共分4種類型，即Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類。Ⅰ類為整體預(yù)制安裝墩身，Ⅱ、Ⅲ類分為 2節(jié)預(yù)制安裝，Ⅳ類分為3節(jié)進(jìn)行預(yù)制和安裝。墩身節(jié)段最大高度為18.7m，單節(jié)最大自重560t，見表1。

表1 墩身尺寸及分節(jié)一覽表Tab.1 List of pier dimensions and sub-sections

墩身底面為尺寸擴大的變截面“金鐘罩”，高度為5.3m；中部為矩形空心截面，高度為變化值；頂部為變寬墩帽，高度為4.5m，墩帽中部留有進(jìn)入孔。各類橋墩橫橋向尺寸均相同，縱橋向尺寸變化，見圖1。

圖1 預(yù)制薄壁空心墩身結(jié)構(gòu)Fig.1 Prefabricated thin-walled hollow pier structure

1.2 墩身節(jié)段連接構(gòu)造

分節(jié)預(yù)制安裝墩身其節(jié)段間通過涂抹環(huán)氧粘結(jié)劑、設(shè)置剪力鍵（槽）和豎向預(yù)應(yīng)力鋼束拼裝成整體，見圖2。

圖2 墩身預(yù)應(yīng)力布置Fig.2 Pier prestressing arrangement

其中Ⅱ類、Ⅲ類墩身（分2節(jié)段預(yù)制）內(nèi)部設(shè)置12束15～15.2預(yù)應(yīng)力鋼束，Ⅳ類墩身（分3節(jié)預(yù)制）在中下節(jié)墩身設(shè)置20束15～15.2預(yù)應(yīng)力鋼束，在上中節(jié)墩身接縫處張拉錨固6根，其余14根在墩頂張拉錨固。預(yù)應(yīng)力鋼束采用公稱直徑為15.2mm高強度低松弛鋼絞線fpk＝1860MPa。預(yù)應(yīng)力鋼束在節(jié)段間接縫處或墩頂進(jìn)行單端張拉錨固。

2 預(yù)應(yīng)力錨固體系對比研究

2.1 自鎖式錨固預(yù)應(yīng)力體系

自鎖式錨固預(yù)應(yīng)力體系為通長直線束，如圖3所示，由固定端（自鎖式）錨具、張拉端錨具、索體及預(yù)埋管組成，通常無連接器。自鎖式索體由鋼絞線、擠壓套、導(dǎo)向頭構(gòu)成。鋼絞線的一端由擠壓套整體擠壓錨固，另一端為自由狀態(tài)，現(xiàn)場用夾片錨固。預(yù)應(yīng)力管道采用內(nèi)徑φ160mm金屬波紋管。固定端（自鎖式）錨具構(gòu)造除了錨墊板、螺旋筋結(jié)構(gòu)外，還設(shè)置了自鎖結(jié)構(gòu)和索體保護(hù)罩，見圖4。自鎖結(jié)構(gòu)是由分開式的滑塊配合回位彈簧實現(xiàn)索體的自鎖錨固。當(dāng)索體從上往下穿入孔道到達(dá)固定端錨具時，索體導(dǎo)向頭在索體自重的作用下?lián)伍_滑塊（背部的彈簧呈被擠壓狀態(tài)），并使得整個索體的擠壓套進(jìn)入到保護(hù)罩內(nèi)，此時滑塊在回位彈簧的作用力下自動復(fù)位，形成了滑塊對索體擠壓套端面的支承錨固作用，即實現(xiàn)了固定端錨具對索體的即時錨固。錨固端底部的索體保護(hù)罩一方面提供索體穿入的空間，再者可容納墩身預(yù)制期間落入的少量混凝土或雜物。

圖3 自鎖式錨固預(yù)應(yīng)力體系Fig.3 Self-locking anchorage prestressing system

圖4 固定端（自鎖式）錨具結(jié)構(gòu)Fig.4 Fixed end（self-locking）anchorage structure

該預(yù)應(yīng)力體系結(jié)構(gòu)簡單，施工方便快捷。索體工廠化制作，豎向整體穿索，固定端即時錨固，一次性灌漿，成本較低，與常用鋼絞線體系相當(dāng)，低于預(yù)應(yīng)力粗鋼棒體系。

2.2 普通墩內(nèi)齒塊錨固預(yù)應(yīng)力體系

舟岱大橋70m跨徑非通航孔橋墩身原設(shè)計采用“底節(jié)墩內(nèi)齒塊處P錨固定端+縱向預(yù)應(yīng)力束+深埋錨張拉端”預(yù)應(yīng)力體系。豎向預(yù)應(yīng)力自上而下為直束，底部錨固端預(yù)應(yīng)力設(shè)置向墩內(nèi)小角度平順豎曲，墩內(nèi)設(shè)置混凝土齒塊，錨固端P錨擠壓固定。預(yù)應(yīng)力管道采用內(nèi)徑φ106mm塑料波紋管，見圖5。

圖5 普通墩內(nèi)齒塊錨固預(yù)應(yīng)力體系Fig.5 Tooth block anchorage prestressing system in common pier

該錨固體系具有工藝成熟、技術(shù)可靠、材料成本低的優(yōu)點。

但實際施工中發(fā)現(xiàn)存在以下不足：①齒塊處鋼筋規(guī)格型號多，鋼筋安裝與模板安裝交替施工，難以模塊化，功效極低；②齒塊處鋼筋密集，縱橫交錯，澆注混凝土?xí)r下料、振搗難度較大；③預(yù)應(yīng)力海上穿束是采用由墩頂向下逐根穿入的方法，單個II類/III類墩身穿索達(dá)12×15＝180次，IV類墩身穿索20×15＝300次，墩頂高空作業(yè)時間長，安全隱患多；④固定端P錨需在墩身內(nèi)逐根鋼絞線擠壓，墩內(nèi)作業(yè)空間狹小，錨頭質(zhì)量不易控制。

2.3 預(yù)應(yīng)力粗鋼筋錨固體系

該預(yù)應(yīng)力體系采用PSB830 φ75mm預(yù)應(yīng)力粗鋼筋進(jìn)行墩身上下節(jié)段連接，下節(jié)段墩身預(yù)制時埋入錨固端，安裝上節(jié)段時施擰粗鋼筋連接器，見圖6。

該體系目前比較成熟，安裝方便，施工質(zhì)量易保證；主要缺點是首節(jié)鋼棒須預(yù)埋，再分段接長和錨固，相對于鋼絞線，鋼棒強度較低，價格高。

2.4 “預(yù)應(yīng)力連接器+固定端二次灌漿”預(yù)應(yīng)力體系

該預(yù)應(yīng)力體系固定端采用二次灌漿錨具，需在下節(jié)段墩身預(yù)制澆筑前將下節(jié)段預(yù)應(yīng)力鋼絞線固定端擠壓錨固，并隨著固定端錨具一起預(yù)埋，鋼絞線另一端安裝預(yù)應(yīng)力連接器，張拉固定于節(jié)段頂面，上節(jié)段墩身安裝時，其孔道內(nèi)攜帶端頭已擠壓P錨的鋼絞線，與連接器進(jìn)行連接，達(dá)到接長鋼絞線的目的，待上節(jié)段墩身落放在底節(jié)墩身上部后，在上節(jié)段墩身頂面進(jìn)行張拉錨固，如圖7所示。

圖7 鋼絞線連接器預(yù)應(yīng)力體系Fig.7 Steel strand connector prestressing system

該預(yù)應(yīng)力體系具有墩身節(jié)段預(yù)制時可提前穿束，在一定程度上降低了施工風(fēng)險；可取消預(yù)應(yīng)力齒塊，提高功效；占用浮吊時間可減少，節(jié)約成本；等優(yōu)點。缺點是預(yù)制墩身時預(yù)應(yīng)力須提前穿束，由于單個高墩身節(jié)段全部安裝周期較長（長達(dá)2個月以上），在海洋環(huán)境下鋼絞線防腐問題嚴(yán)峻。另外錨固端二次灌漿施工相對繁瑣，工藝和質(zhì)量不好控制，見圖8。

圖8 固定端二次灌漿錨具結(jié)構(gòu)Fig.8 Fixed-end secondary grouting anchorage structure

2.5 U型預(yù)應(yīng)力體系

U型預(yù)應(yīng)力體系是采用普通鋼絞線預(yù)應(yīng)力束將承臺與墩身各節(jié)段連接為整體，其張拉端設(shè)置在墩頂，兩端對稱張拉錨固。承臺現(xiàn)場澆筑時和墩身節(jié)段預(yù)制分別預(yù)留預(yù)應(yīng)力孔道，待墩身節(jié)段安裝后再穿入U型預(yù)應(yīng)力束，進(jìn)行張拉錨固，見圖9。

圖9 U型預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)Fig.9 U-shaped prestressing structure

該預(yù)應(yīng)力體系主要缺點是穿索困難，特別是當(dāng) U形的彎曲半徑較小或立柱較高時穿索更為困難，本項目最高墩高近50m，困難較為明顯。另外，本項目墩身底部存在一個向下擴大的“金鐘罩”構(gòu)造，墩壁豎向主筋自上而下一直延伸至墩身空腔內(nèi)部，并與承臺預(yù)埋鋼筋相連接，該墩身延伸出的預(yù)埋鋼筋對U型預(yù)應(yīng)力束管道空間有一定阻隔。該預(yù)應(yīng)力體系在本項目墩身結(jié)構(gòu)中的適應(yīng)性不好。

3 自鎖式預(yù)應(yīng)力試驗研究

自鎖式錨固預(yù)應(yīng)力體系應(yīng)用于舟岱大橋70m跨徑非通航孔橋的薄壁空心高墩身優(yōu)勢十分明顯，但該預(yù)應(yīng)力體系在跨海橋梁墩身結(jié)構(gòu)中應(yīng)用尚屬首次，為了更深入了解該預(yù)應(yīng)力體系的施工工藝細(xì)節(jié)，并驗證錨固可靠性，通過制作預(yù)制塊進(jìn)行穿束、錨固試驗。 試驗以單束15孔自鎖式錨具預(yù)應(yīng)力體系制作鋼筋混凝土試件，共制作3件，其截面尺寸均為0.8m× 0.8m，長度為3m。該試件采用木模水平制作，在混凝土澆筑前把固定端自鎖式錨具、預(yù)應(yīng)力管道、張拉端錨具均埋設(shè)到位，一次性澆筑并養(yǎng)護(hù)。在試件強度合格后，利用起吊設(shè)備將其翻轉(zhuǎn)豎直，試驗人員將索體自上而下穿入預(yù)應(yīng)力孔道，見圖10。

圖10 豎向自鎖預(yù)應(yīng)力穿束試驗Fig.10 Vertical self-locking prestressing tendon perforation test

利用混凝土試件及張拉設(shè)備，參照規(guī)范GB/T 14370—2015《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》對自鎖式錨具進(jìn)行靜載試驗，以檢驗其錨固性能，見 圖11。

圖11 自鎖預(yù)應(yīng)力靜載試驗Fig.11 Self-locking prestressing static load test

經(jīng)過試驗驗證：索體可順利穿入孔道，索體前端導(dǎo)向頭可頂開自鎖滑塊，索體擠壓套完全穿過自鎖滑塊后，滑塊可順利回位實現(xiàn)自鎖。靜載試驗結(jié)果表明，3組試件自鎖式錨具的錨固效率系數(shù)≥95%，預(yù)應(yīng)力筋受力長度的總伸長率≥2.0%，各項指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

4 墩身自鎖預(yù)應(yīng)力施工流程及控制要點

自鎖式預(yù)應(yīng)力體系各組件在工廠內(nèi)加工成型，進(jìn)行嚴(yán)格的產(chǎn)品檢驗，質(zhì)量合格的產(chǎn)品供墩身施工使用。預(yù)應(yīng)力自鎖式錨固端、張拉端及管道在墩身節(jié)段澆筑前預(yù)埋，墩身節(jié)段養(yǎng)護(hù)成型并強度合格后海運至現(xiàn)場對應(yīng)墩位，利用起重船配合專用吊具進(jìn)行節(jié)段吊裝，分節(jié)預(yù)制的墩身上節(jié)段落放后，利用小型浮吊吊起自鎖預(yù)應(yīng)力索體，自上而下穿入預(yù)埋孔道內(nèi)，索體在自重作用下順著孔道下落至錨固端，此時多數(shù)預(yù)應(yīng)力索體前端導(dǎo)向頭位于錨固端滑塊上方，無法一次性穿入到錨具內(nèi)。再利用浮吊提升索體約50cm高度，瞬間解除約束，索體導(dǎo)向頭沖擊自鎖滑塊，滑塊彈開，索體擠壓套進(jìn)入錨具下方的保護(hù)罩，待索體擠壓套完全通過滑塊后，滑塊在彈簧的作用下復(fù)位，即完成穿束自鎖，后續(xù)再進(jìn)行張拉錨固施工。

自鎖式預(yù)應(yīng)力體系由于構(gòu)造特殊，在施工中尤需注意防范，杜絕違規(guī)操作，否則可能導(dǎo)致索體無法順利穿入，錨固端無法形成自鎖等情況。因此在墩身節(jié)段預(yù)制安裝過程中要注意以下幾點：

①預(yù)應(yīng)力體系使用前檢查，固定端自鎖式錨具、金屬波紋管質(zhì)量的好壞直接影響預(yù)應(yīng)力穿束、張拉能否正常進(jìn)行，預(yù)埋前每套自鎖式錨具均進(jìn)行穿束試驗（試驗固定端自鎖結(jié)構(gòu)的擴開和收縮性能），波紋管檢驗其尺寸及表觀是否有開裂、漏洞、不規(guī)則褶皺，不合格產(chǎn)品禁止使用，見圖12；

圖12 錨固端自鎖有效性檢查Fig.12 Anchor self-locking effectiveness check

②預(yù)應(yīng)力管道預(yù)埋時需精確定位，嚴(yán)格控制其順直度，并進(jìn)行可靠的固定（尤其要注意節(jié)段交接面的固定），要防止?jié)仓炷習(xí)r發(fā)生移位，墩身節(jié)段預(yù)制成型后要檢查波紋管的順直情況，若不滿足要求必須在節(jié)段架設(shè)前完成處理；

③自鎖預(yù)應(yīng)力錨固端及預(yù)應(yīng)力管道安裝后要立即對孔道頂部及壓漿口進(jìn)行臨時密封，直至穿束前再打開密封，防止施工過程中混凝土或其他雜物落入孔道，進(jìn)而影響穿束；

④墩身上下節(jié)段間對位安裝精度要嚴(yán)格控制，防止錯位，確保索體穿束順利；

⑤索體穿入孔道后，在預(yù)應(yīng)力張拉前須預(yù)緊鋼束，并利用內(nèi)窺鏡逐孔檢查鋼束錨固端是否在固定端錨具內(nèi)鎖死（3個滑塊是否均復(fù)位），方可進(jìn)入后續(xù)張拉作業(yè)，見圖13。

圖13 內(nèi)窺鏡探查錨固端是否鎖緊Fig.13 Endoscopic inspection of the anchorage end for locking

5 結(jié)語

寧波舟山港主通道舟岱大橋70m跨徑非通航孔橋墩身率先大規(guī)模運用裝配式墩身豎向自鎖式預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)。該技術(shù)優(yōu)化了墩身內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，提高了墩身預(yù)制和安裝施工質(zhì)量，實現(xiàn)了最大限度采用工廠化、裝配化施工，減少海上作業(yè)工序、作業(yè)人數(shù)、作業(yè)時間，提高墩身預(yù)制、安裝施工工效、節(jié)省工期。自2019年5月起，裝配式墩身開始應(yīng)用自鎖式預(yù)應(yīng)力體系，至2020年9月，共計完成198座墩身的分節(jié)預(yù)制和安裝，且墩身施工質(zhì)量可控，為裝配式橋梁建設(shè)積累了經(jīng)驗，可為后續(xù)同類橋梁施工提供參考。