護(hù)套鋼絞線拉索在錨碇工程中的應(yīng)用研究

蘇強(qiáng)

(柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545006)

1 引言

大跨徑懸索橋錨碇錨固系統(tǒng)經(jīng)歷了型鋼、不可更換式預(yù)應(yīng)力、可更換式預(yù)應(yīng)力等多個發(fā)展階段，目前中國主要使用兩種錨固系統(tǒng)：型鋼錨固系統(tǒng)與預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)。

早期懸索橋大都采用集中傳力式型鋼錨固系統(tǒng)，其基本特點(diǎn)是：系統(tǒng)主要由后背梁和鋼拉桿組成，鋼拉桿前端伸出前錨面與主纜索股進(jìn)行連接，需設(shè)置較強(qiáng)的支承構(gòu)造。該系統(tǒng)傳力路徑為：通過鋼拉桿將主纜索股拉力傳遞至后背梁，然后通過后背梁將所受拉力傳遞至整個錨體混凝土。由于整個錨碇架澆筑在錨塊混凝土內(nèi)，因此后期維護(hù)工作量較小。葛文璇等以南京四橋錨碇工程為背景，介紹了一種采用鋼筋混凝土榫的錨固系統(tǒng)，該錨固系統(tǒng)是對傳統(tǒng)的集中傳力式型鋼錨固系統(tǒng)的一種改進(jìn)。其主要創(chuàng)新在錨固鋼板后部設(shè)置榫剪力鍵，榫剪力鍵將索股上的力逐次相對均勻地傳入錨體混凝土中，是一種分布傳力式型鋼錨固系統(tǒng)，錨固更為可靠，施工相對方便。但不管是集中傳力式型鋼錨固系統(tǒng)還是采用了榫剪力鍵的分布傳力式錨固系統(tǒng)，都存在用鋼量大、定位用支架消耗量大、制作安裝和施工精度要求高的缺點(diǎn)。

隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的不斷發(fā)展完善，預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)逐步替代型鋼錨固系統(tǒng)成為最常用的形式。當(dāng)前中國最常用的錨碇預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)有灌漿黏結(jié)式錨固系統(tǒng)和多股成品索式錨固系統(tǒng)。灌漿黏結(jié)式錨固系統(tǒng)是在預(yù)埋孔道內(nèi)灌注水泥基漿料對預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行防護(hù)，錨固系統(tǒng)不可更換、難以監(jiān)測，但具有施工要求相對簡單、技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)點(diǎn)。多股成品索式錨固系統(tǒng)具有錨固可靠、耐久性好、施工簡便、全生命周期成本低、可更換等優(yōu)點(diǎn)，但具有結(jié)構(gòu)尺寸相對較大、初建成本較高等缺點(diǎn)。梅剛等介紹了多股成品索式錨固系統(tǒng)在虎門二橋中的設(shè)計(jì)，吳明遠(yuǎn)等及蘇強(qiáng)等都介紹了多股成品索式錨固系統(tǒng)的研究情況。

隨著中國西部交通建設(shè)的推進(jìn)，越來越多的懸索橋錨碇工程正在設(shè)計(jì)與建造。一些錨碇工程提出了新的要求：工程初建成本要求較低，錨固系統(tǒng)尺寸要求較小，但同時也要求錨固系統(tǒng)可監(jiān)測可更換、耐久性好等。當(dāng)前常用的灌漿黏結(jié)式錨固系統(tǒng)和多股成品索式錨固系統(tǒng)都不能完全滿足這些新的要求，因此工程設(shè)計(jì)人員不斷研究，開發(fā)出了一種新型的錨固系統(tǒng)——護(hù)套鋼絞線拉索式錨固系統(tǒng)。

2 護(hù)套鋼絞線拉索式錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

2.1 護(hù)套鋼絞線技術(shù)

護(hù)套鋼絞線拉索技術(shù)成熟，已在斜拉橋上得到廣泛應(yīng)用。國外大部分斜拉橋工程都是采用護(hù)套鋼絞線拉索，中國斜拉橋工程有的采用護(hù)套鋼絞線拉索，有的采用護(hù)套鋼絲拉索。楊吉新等和萬義輝通過全面對比分析兩種拉索的優(yōu)缺點(diǎn)后認(rèn)為鋼絞線拉索更優(yōu)，是斜拉橋的首選；羅維等重點(diǎn)從風(fēng)載性能與風(fēng)雨振性能兩方面分析比較鋼絞線拉索與鋼絲拉索，認(rèn)為緊湊型鋼絞線拉索在大跨度斜拉橋中將超越鋼絲拉索。基于鋼絞線拉索良好的特性，研究如何把鋼絞線拉索應(yīng)用于錨固系統(tǒng)已成為錨碇工程設(shè)計(jì)人員首要考慮的問題之一。

2.2 錨固系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)研究，提出了如圖1所示的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。該錨固系統(tǒng)由索股錨固連接構(gòu)造和預(yù)應(yīng)力錨固構(gòu)造組成。索股錨固連接構(gòu)造由拉桿組件、連接平板及連接筒組成；預(yù)應(yīng)力錨固構(gòu)造由管道、護(hù)套鋼絞線及錨具、錨頭防護(hù)帽等組成。與現(xiàn)有常用的預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)相比，不同之處在于該錨固系統(tǒng)采用護(hù)套鋼絞線為預(yù)應(yīng)力束，兩端采用夾片式錨具，錨具全密封設(shè)計(jì)，且管道內(nèi)不再灌漿砂漿或油脂的防腐材料，但預(yù)埋管道端部設(shè)置預(yù)留通風(fēng)管，在橋梁運(yùn)營階段可通過此管道安裝監(jiān)測元件，測試管道的空氣溫度，當(dāng)濕度大于設(shè)計(jì)值時，可采取通入干空氣方式進(jìn)行管道內(nèi)除濕，以提高錨固預(yù)應(yīng)力鋼絞線的耐久性。

圖1 單索股用護(hù)套鋼絞線拉索錨固單元

2.3 關(guān)鍵內(nèi)容設(shè)計(jì)研究

鋼絞線拉索應(yīng)用于斜拉橋技術(shù)已較成熟，但如要應(yīng)用于錨碇工程，因錨碇工況與斜拉橋工況不相同，需要考慮的因素也會有所不同,設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵內(nèi)容也不同。

(1) 錨碇用鋼絞線拉索錨固性能研究

鋼絞線斜拉索的設(shè)計(jì)荷載一般為0.45Fptk，其疲勞性能要求較高。GB/T 30826《斜拉橋鋼絞線拉索技術(shù)條件》中要求錨具組件滿足應(yīng)力上限為0.45fptk、應(yīng)力幅度為200 MPa、循環(huán)次數(shù)為200萬次的疲勞試驗(yàn)要求。而錨碇用鋼絞線拉索的設(shè)計(jì)荷載、應(yīng)力上限、應(yīng)力幅等要求更接近體內(nèi)索，錨碇工程設(shè)計(jì)要求所施加的有效預(yù)應(yīng)力大于主纜索股設(shè)計(jì)荷載的1.2倍，以保證錨混凝土體一直處于受壓狀態(tài)，盡可能防止錨混凝土體出現(xiàn)裂縫。為保證鋼絞線拉索能更好地滿足錨碇工程需要，對錨具組件的錨固單元進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

(2) 錨碇用鋼絞線拉索密封性能研究

鋼絞線斜拉索的密封性能對保證其耐久性至關(guān)重要。GB/T 30826《斜拉橋鋼絞線拉索技術(shù)條件》中要求錨具組件滿足機(jī)械和熱老化交替作用下的水密性試驗(yàn)要求，為保證錨具組件的密封性能，常規(guī)鋼絞線斜拉索錨具需進(jìn)行細(xì)致的、復(fù)雜的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如圖2所示。在工作錨具前端，設(shè)計(jì)有密封筒、密封裝置、調(diào)節(jié)頂桿和防護(hù)填料，防護(hù)填料充滿密封筒，通過調(diào)節(jié)頂桿可以調(diào)節(jié)密封裝置與護(hù)套鋼絞線之間的密封間隙(護(hù)套鋼絞線在穿索、張拉時調(diào)大密封間隙以方便施工，當(dāng)要灌注防護(hù)填料時調(diào)小密封間隙以防滲漏)。在工作錨具后端，用防護(hù)帽和防護(hù)填料密封。閆云友等介紹了OVM250鋼絞線拉索錨具的動態(tài)水密性試驗(yàn)研究，證明了OVM鋼絞線拉索錨具有可靠的密封性能。但這種錨具當(dāng)前主要存在以下問題：① 可調(diào)節(jié)間隙的密封裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密封筒外徑尺寸較大，成本較高；② 防護(hù)填料多采用半固態(tài)的油性蠟，油性蠟在拉索動載作用下密封性能下降。

圖2 常規(guī)鋼絞線斜拉索錨具密封結(jié)構(gòu)

然而在錨碇工程中，因護(hù)套鋼絞線安裝在錨室的密封孔道內(nèi)，其所處環(huán)境遠(yuǎn)好于鋼絞線斜拉索所處的環(huán)境，且所受的動載較小，對密封裝置的要求低于鋼絞線斜拉索。最后綜合錨碇用鋼絞線拉索的各方面要求，對錨具密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化改進(jìn)，如圖3所示。

圖3 錨碇用鋼絞線拉索錨具密封結(jié)構(gòu)

主要改進(jìn)的地方有：① 簡化密封裝置設(shè)計(jì)，同時取消調(diào)節(jié)頂桿等可調(diào)式結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后顯著減少了密封筒的外徑尺寸，成本得到降低；② 改進(jìn)防護(hù)填料，改用膏狀的非硫化不干性防腐密封膠替代油性蠟。歐維姆公司專門針對橋梁拉索的防護(hù)要求和持點(diǎn)，研制出了性能更優(yōu)的拉索填充防腐材料——OVM非硫化不干性防腐密封膠，該密封膠具有良好的柔軟性、密封性、耐熱性、黏附性、耐老化性，可灌注、可涂抹。其性能指標(biāo)如表1所示，與其他常用防腐材料對比如表2所示。

表1 OVM非硫化不干性防腐密封膠性能指標(biāo)

表2 OVM非硫化不干性防腐密封膠與其他防腐材料對比

(3) 錨碇用鋼絞線拉索穿索工藝研究

錨固系統(tǒng)主要施工流程為：安裝預(yù)埋件—(澆筑錨體)—安裝連接器—穿索—張拉—安裝防護(hù)罩—錨頭灌注—安裝拉桿。其中最關(guān)鍵的是穿索工序，穿索時要保證孔道內(nèi)各根護(hù)套鋼絞線順直不打絞。

① 鋼絞線下料：穿索前進(jìn)行鋼絞線下料，下料長度需計(jì)算確定，計(jì)算兩端要剝除PE外護(hù)套的長度，剝除PE后清洗鋼絞線表面的油脂；為方便后期可能的換索需要，在后錨端的鋼絞線端頭切除6根邊絲約100 mm,剩余的中心絲鐓頭。

② 鋼絞線穿索：先把前錨具臨時安放在連接器上方，把后錨具臨時安放在后錨墊板端面下方。從前錨面，按工作錨板上的孔位順序?qū)⒏鞲摻g線(有鐓頭一端向下)依次穿入前工作錨板、密封裝置相應(yīng)孔口、連接器內(nèi)孔、預(yù)埋管，直至鋼絞線露出后錨面，在后錨面鋼絞線穿入后錨具的密封裝置和后工作錨板，其中確保每根鋼絞線穿入的前后工作錨位孔位要一一對應(yīng)，在前錨面用工作夾片臨時錨固鋼絞線。

③ 調(diào)整鋼絞線位置：全部鋼絞線穿入前、后端錨具后，把前、后錨具分別推至連接器端面、后錨墊板端面就位，之后調(diào)整各鋼絞線的位置，保證前后錨面的鋼絞線PE外護(hù)套割口都位于密封裝置設(shè)計(jì)的位置內(nèi)和保證后錨面鋼絞線的外露長度。鋼絞線調(diào)好位置后，在后工作錨板裝上工作夾片夾持鋼絞線。

3 護(hù)套鋼絞線拉索式錨固系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

3.1 錨固系統(tǒng)錨具組件靜載試驗(yàn)

因設(shè)計(jì)了新的錨固單元，進(jìn)行了錨具組件的靜載性能研究。試驗(yàn)按GB/T 14370《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》的規(guī)定進(jìn)行，按依托工程要求選取單索股錨用15-18錨具組件和雙索股錨用15-36錨具組件各3組試樣進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如表3所示。

表3 錨具組件靜載試驗(yàn)結(jié)果

3.2 錨固系統(tǒng)錨具組件疲勞試驗(yàn)

錨碇用拉索的疲勞性能不同于斜拉索，更類似于體內(nèi)索，因此按GB/T 14370《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》要求進(jìn)行疲勞試驗(yàn)研究。按依托工程要求選取單索股錨用15-18錨具組件和雙索股錨用15-36錨具組件各3組試樣，按上限應(yīng)力65%fptk、應(yīng)力幅度80 MPa、循環(huán)次數(shù)200萬次進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)后樣品完好，錨具不失效，沒有發(fā)生斷絲或滑絲，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如表4所示。

表4 錨具組件疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3.3 錨固系統(tǒng)護(hù)套鋼絞線穿束、張拉和更換試驗(yàn)

為驗(yàn)證新型錨碇錨固系統(tǒng)關(guān)鍵施工工藝的可行性，按施工方案在試驗(yàn)室進(jìn)行了穿束、張拉和換索試驗(yàn)。經(jīng)分析計(jì)算并結(jié)合多年灌油無黏結(jié)式錨碇錨固體系和多股成品索式錨碇錨固體系的換索試驗(yàn)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)得知，實(shí)際工程中前后錨面上相鄰的錨固構(gòu)件間距較大，換索操作空間足夠。試驗(yàn)主要過程如下：

步驟1：選用結(jié)構(gòu)尺寸較大的雙索股用15-36錨具為試驗(yàn)對象，在試驗(yàn)臺座兩端安裝錨具(含密封裝置)，按施工方案要求進(jìn)行各根鋼絞線的穿束并用千斤頂加載至上限應(yīng)力65%fptk后錨固鋼絞線。

步驟2：用單根張拉千斤頂放張任一根需更換鋼絞線，取出已放張的兩端夾片。

步驟3：用連接器把新鋼絞線與已放張的舊鋼絞線相連。

步驟4：從一端抽出舊鋼絞線，同時新鋼絞線進(jìn)入兩端錨具。

步驟5：新鋼絞線兩端裝上夾片，用單根張拉千斤頂重新張拉錨固新鋼絞線。

試驗(yàn)過程及結(jié)果表明：整個施工工藝過程可行、順利，無異常情況，試驗(yàn)過程中各樣件完好。

3.4 錨固系統(tǒng)錨具組件水密性試驗(yàn)

參照J(rèn)T/T 771《無黏結(jié)鋼絞線斜拉索技術(shù)條件》并結(jié)合實(shí)際工況，對錨碇用鋼絞線拉索進(jìn)行靜態(tài)水密性試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：拉索在3 m高水壓下，試驗(yàn)后通過目測，沒有發(fā)現(xiàn)有水進(jìn)入錨具內(nèi)部，試驗(yàn)合格。

4 工程應(yīng)用與結(jié)論

護(hù)套鋼絞線拉索式錨固系統(tǒng)已在湖北棋盤洲大橋錨碇中成功應(yīng)用，棋盤洲大橋錨碇工程共使用84套單索股錨固單元和160套雙索股錨固單元，滿足了工程設(shè)計(jì)和施工要求。

試驗(yàn)與應(yīng)用表明：所研發(fā)的護(hù)套鋼絞線拉索式錨固系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)尺寸較小、錨固可靠、耐久性較好、初建成本較低、可監(jiān)測可更換等優(yōu)點(diǎn)，可為今后錨碇工程應(yīng)用提供借鑒。