王本慶

(中鐵十五局集團有限公司,河南洛陽 471000)

1 體外預應力混凝土結構施工特點

作為后張預應力混凝土的一個重要分支的體外預應力混凝土結構,是指預應力筋位于梁體截面外并通過錨具及轉向塊對結構施加預應力的一種結構體系。與傳統(tǒng)的將預應力筋布置于混凝土截面內的后張無粘結預應力混凝土結構相比,體外預應力混凝土結構的主要優(yōu)點有[1]:

(1)無需在混凝土內設置預應力管道,可使腹板厚度減薄從而減輕結構自重,并且梁體混凝土灌注無管道阻礙,混凝土澆筑質量易保證,從而可提高結構的耐久性;

(2)可方便地檢測預應力體外索的應力狀態(tài)和防護效果,并且可進行體外索二次更換;

(3)無制孔、壓漿等工序,結合逐跨施工法及懸臂施工法,施工速度快,綜合效益好;

(4)簡化了曲線預應力筋,預應力體外索與梁體接觸更少,預應力傳輸更為簡單,并且減少了摩阻損失;

(5)體外預應力索用于既有橋梁加固,可明顯地提高結構的承載能力和改善結構的受力性能,并且施工時對交通干擾較小,施工快捷,工期短。

正是由于體外預應力具有的上述諸多優(yōu)點,國際結構混凝土協(xié)會前主席、著名橋梁工程師 Virlogeux在《預應力混凝土橋梁的新趨勢》一文中指出[2]:“預應力混凝土橋梁發(fā)展的一個主要趨勢是逐漸增加采用體外預應力。”預應力體外索在橋梁工程中的運用主要分為兩大類別,一是預應力體外索在新建橋梁中應用,另外就是預應力體外索對既有橋梁的加固。近幾十年來,國內外學者對體外預應力體系做了詳細的研究,并研究出一套較為實用的預應力體外索施工工藝,本文將重點介紹橋梁工程中預應力體外索的施工技術,體外索二次更換技術以及體外索的防護技術等體外預應力關鍵技術。

2 預應力體外索施工技術

2.1 施工工藝流程

預應力體外索采用的防護系統(tǒng)不同,其具體施工流程略有差異。下面以最常見的采用套管注環(huán)氧樹脂漿防護法的預應力體外索施工為例,其具體工藝流程為:

施工機具準備※轉向器安裝※橡膠封堵固定轉向器※轉向器與外套管間灌漿※預應力體外索穿索※張拉預應力體外索※索體與轉向器間填充橡膠※錨頭區(qū)預埋管內注環(huán)氧樹脂漿※防松裝置安裝※防腐裝置安裝。

2.2 轉向裝置施工

體外預應力索的轉向裝置是一種特殊構件,除錨固構件外,轉向塊是體外預應力索在跨內唯一與梁體有聯(lián)系的構件,承擔著體外索的轉向任務,是體外預應力混凝土結構中最重要、最關鍵的結構構造之一。轉向裝置設在箱梁里面,有橫隔板式、肋板式、轉向塊式 3種形式[3]。以最常采用的轉向塊式轉向裝置為例,轉向塊布置在箱梁腹板和底板相交的位置,通過特別設計的鋼筋與箱梁頂板、底板連成整體。張拉體外索時,轉向塊與腹板和底板相連的部分會產生較大的剪力和應力集中,局部應力比較大,因此轉向塊的施工質量須引起高度重視。

對于節(jié)段梁采用在預制場預制后運輸至現(xiàn)場拼裝的情況,轉向塊預制質量控制較容易。預制時通過特制的鍍鋅無縫鋼管轉向器(偏位管)預留成型孔,預埋轉向器安裝時應嚴格根據(jù)設計圖紙位置,清理轉向器與外套管之間的雜物,處理完畢后,制作適宜的橡膠條,并用橡膠條把轉向器和外套管之間的兩端空隙塞滿,同時調節(jié)轉向器位置,確保其與設計曲線位置相符,再向轉向器與外套管之間灌漿。灌漿時水泥漿應從最低點的壓漿孔壓入,由最高點的排氣孔排氣和余漿冒出。壓漿要緩慢均勻地進行,不得中斷。壓漿后要從檢查孔抽查壓漿的密實情況,如不密實,應及時處理和糾正。

2.3 預應力體外索穿束

將成品索卷運抵工地指定位置的簡易放束支架上。再將成品索束的牽引頭和卷揚機鋼絲繩通過穿束器相連,用慢速卷揚機進行機械穿束。為了防止成品索束扭轉、纏絞,穿束器和卷揚機鋼絲繩相接處應能自由轉動。對于箱型梁布置預應力體外索時,可以利用箱梁內安放的慢速卷揚機進行拽拉就位。為防止成品索束外包裝纖維帶磨損,刮傷鋼絞線環(huán)氧涂層,同時減少摩擦力,在成品索束轉彎、通過轉向器和橫隔板等處加設尼綸輪進行導向。要求導向尼綸輪的間距不大于 20m,同時在地面鋪墊一定厚度的軟墊層,每隔一定距離設置支撐架,打磨轉向關口以防體外索的PE層被刮傷。穿越支架、轉向器和鋼管等鐵件時,應在鐵件處墊設橡膠板防護。

安裝成品索束時要采取有效措施防止硬物刮傷鋼絞線表面的環(huán)氧涂層。成品索束拽拉到位后進行清絲梳理,防止產生扭轉、纏絞和彎折現(xiàn)象。檢查轉向器、橫隔板穿越鋼管及轉向支架、減振支架是否有滑動、移位和變形發(fā)生。穿束前檢查各個轉向器、轉向支架、減振支架是否安裝牢固、可靠。及時檢查牽引卷揚機的機械性能和鋼絲繩的完好情況。避免使用電弧或氧割等傷及成品索束。注意區(qū)分成品索束的張拉端和錨固端,錨墊板外預留成品索束長度有所不同。

2.4 預應力體外索張拉及錨固

預應力體外索張拉之前應做好準備工作,主要包括:千斤頂校驗和確定與拉力相對應的油壓讀數(shù)、測定體外索與轉向裝置以及錨固段的摩阻力系數(shù)、計算體外索理論伸長值。千斤頂校驗和確定與拉力相對應的油壓讀數(shù)時可采用內插法計算出對應施工圖紙所給定的張拉總值的相應油壓讀數(shù)。內插法是在檢測試驗表曲線上取得相應張拉噸位相鄰兩點作為依據(jù),也可以用比例法,即選擇張拉噸位最近的一點用比例關系直接計算得出。若預應力轉向裝置和錨固器均采用的是預制構件,則體外索與之的摩阻力系數(shù)可以直接利用預制廠家提供的摩阻力系數(shù);對于現(xiàn)場澆筑的預應力轉向裝置,應進行現(xiàn)場測定試驗來準確確定摩阻力系數(shù)。

體外索的張拉應力要符合設計要求。當施工中體外索需要超張拉或計入錨圈口預應力損失時,可比設計要求提高5%,但不得超過設計規(guī)定的最大張拉控制應力,體外索的張拉應力要符合設計要求。因此必須計算體外索的理論伸長值方可控制張拉。體外索的理論伸長值可根據(jù)相關文獻提供的方法計算,但在精度要求不高的情況下,可直接根據(jù)規(guī)范按下式計算:

式中:Pp為體外索的平均張拉力,Ap為體外索的截面面積,Ep為體外索的彈性模量,θ為體外索與轉向裝置和錨固端的摩阻力系數(shù)。

上述張拉前準備工作做完后,即可進行張拉。

(1)安裝錨環(huán)和夾片。注意夾片安裝必須平齊,安裝錨環(huán)時不得因敲打等原因造成錨環(huán)外圓或錨孔的局部損傷。錨環(huán)安裝時,錨環(huán)的定位凸臺應進入錨座孔內。

(2)千斤頂定位。千斤頂采用手拉葫蘆固定在HDPE管臨時支撐上,安裝時應注意工具錨與工作錨環(huán)對正,鋼絞線在千斤頂內不得打結,工具夾片安裝平齊,千斤頂安裝應到位,直接頂住錨環(huán)。

(3)張拉。本橋采用單端張拉法。共有 6個張拉行程,張拉程序為:初始狀態(tài)※設計應力的 15%※設計應力的30%※設計應力的 45%※設計應力的 60%※設計應力的75%※設計應力的 100%※持荷2m in,每個行程都必須記錄千斤頂壓力及活塞外露量,計算延伸量并與設計值做比較。

(4)夾片自動錨固。當千斤頂行程已滿或達到所需張拉力,給千斤頂回油,把所有鋼絞線整齊地錨固在錨具內;千斤頂?shù)幕钊祷卦?若仍需張拉,推緊自動工具錨,繼續(xù)張拉,直至達到所需的張拉力為止。

3 預應力體外索更換技術

體外預應力梁橋也會受到徐變、收縮和力筋松弛等因素的影響,隨著時間增長,結構不斷劣化。此外,預應力體外索因長期暴露在空氣中易受損壞。因此,在橋梁設計時,就應當充分考慮后期可能進行的補張、修復或更換,以提高結構使用性能,延長其使用壽命。無論是預應力體外索的重新張拉還是更換,在施工前都要對原預應力體外索進行檢查,并進行詳盡工程分析和設計。預應力體外索再張拉可以通過千斤頂張拉來實現(xiàn),也可用機械的方法,如調整可調式螺栓和螺旋楔塊實現(xiàn),此時應力值可通過力筋伸長量推算求得,也可在預應力筋上安裝應力或應變測量儀器測讀應力值。再張拉時應避免應力值過大導致構件產生過大的反彎度。

預應力體外索的更換可通過以下步驟完成[4]。

(1)為了保證結構在更換索時的安全,通常在進行修復操作以前,在梁或板處設置支撐柱或者采取其他可靠的臨時轉換措施卸除結構承受的部分荷載。

(2)去除體外預應力筋的保護層。如果體外預應力筋有混凝土保護層覆蓋,則先用射水將體外預應力筋的混凝土保護層除去。

(3)放松預應力筋。如果錨具為可放松錨具,則可以通過調整錨具來放松預應力筋;如果錨具是不可放松類型,可以通過對鋼絞線進行加熱使其延伸從而釋放出存儲能量;單根鋼絲可用鋼絲切割機每次一根逐次截斷;通過縮短兩端錨具間的距離來放松預應力筋,如鑿除梁端一小段混凝土,使兩錨具間距離縮短,從而使預應力筋應力得以釋放。

(4)安裝新的預應力體外索并張拉。對于體外無粘結預應力結構,可進行單索或整索更換。體外預應力筋的更換應逐根進行,即每撤走一根力筋,就立即安裝并張拉新的一根。如果預應力體外索在套管里且套管無需更換,則放松一根既有的預應力筋,并接上一根新的預應力筋,隨著舊的一根抽出,新的一根預應力筋就被全部拉入就位,然后張拉預應力筋至設計預應力值。如果外套管需更換,則拆除外套管及舊體外預應力筋,然后安裝新的預應力體外索并張拉。對于無套管體外預應力筋,其更換即是拆除舊預應力體外索、安裝新的預應力體外索并張拉。

4 預應力體外索防護技術

預應力系統(tǒng)是體外預應力結構的主要受力構件,需要對其預應力體外索、錨具和轉向裝置進行防護。這里主要介紹國外對于預應力體外索通常采用的下面幾種防護措施[5]、[6]。

(1)無套管成品索束表面防護法。即在裸露的預應力體外索上鍍鋅和涂環(huán)氧樹脂。鍍鋅技術實際上是一種犧牲陽極的陰極保護法,在腐蝕介質中,鋅原子失去電子變?yōu)殛栯x子而發(fā)生腐蝕,從而使作為陰極的鋼索受到保護。這種方法造價較低,結構簡單,運營時索的更換及內力調整都比較簡便。但是這種方法會降低預應力體外索的材料強度,產生的氫氣會引起氫脆現(xiàn)象。而且鍍鋅本身沒有防護容易被刮落,同時對環(huán)境也造成一定的污染,因此該技術運用受到了很大的限制。涂環(huán)氧樹脂技術實際上是在預應力鋼絞線或鋼絲表層或里層噴涂環(huán)氧層,這種方法對預應力鋼絞線或鋼絲的本身強度沒有影響。環(huán)氧樹脂層可以防止陽極和陰極反應,比鍍鋅技術防護能力更強,同時使用期間的索力調整或更換索都比較方便,因此該技術在干燥、周圍無腐蝕氣體地區(qū)應用廣泛。

(2)套管加填充材料防護法。此法是在索的外面加套管,待張拉完預應力筋后,在套管內壓注灌漿材料。套管常用鋼管和高密度聚乙烯管,灌漿材料常用水泥漿或黃油、石蠟等軟材料。但該方法在確認灌漿是否密實,檢查預應力筋是否受損相當困難。近幾年,日本研發(fā)了一種由乙烯類共聚物材料制成的透明套管代替鋼管或聚乙烯管,方便了填充材料是否密實的檢查,當發(fā)現(xiàn)灌漿不密實時可在空洞附近打孔補充灌漿。

(3)后粘結技術防護法。涂環(huán)氧樹脂技術具有很好的防腐能力,但是環(huán)氧樹脂本身保護不夠使其無法在惡劣環(huán)境使用。上世紀 90年代初期,日本采用了一種所謂的后粘結技術的防護方法,該方法采用聚乙烯護管,內注環(huán)氧樹脂,具有更好的防護能力。預先設定環(huán)氧樹脂的硬化時間,使預應力張拉能在環(huán)氧樹脂硬化之前完成,環(huán)氧樹脂在硬化前具有很好的粘性,待到預應力張拉后能很好地與預應力筋結為整體。該技術具有以下有點:環(huán)氧樹脂在工廠內注入,可保證其能完全填滿聚乙烯管;無需現(xiàn)場穿束及壓漿工序,可減少施工作業(yè);護套和環(huán)氧樹脂形成雙層防腐保護。

(4)采用單股無粘結鋼絞線或鋼絲束防護法,這種方法是直接用工廠生產的單股無粘結預應力筋作預應力體外索,將鋼絞線擠入 PE套管內并充入油脂從而形成整體。它自身具有防護系統(tǒng),可以不用管道而單獨使用,也可以外面加套管,并充入灌漿材料構成具有多重防護功能的防護系統(tǒng)。無粘結鋼絞線直接在工廠生產,不僅能提高質量,而且也提高鋼絞線在運輸、存儲、安裝過程的耐腐蝕性。

5 結束語

體外預應力技術作為預應力混凝土結構和預應力新型組合結構的重要技術之一,已經(jīng)在國內外橋梁工程中得到廣泛的運用。本文重點介紹了國內外較為先進的預應力體外索關鍵技術,主要包括預應力體外索的施工技術,預應力體外索的二次更換技術以及國內外常用的預應力體外索的防護技術?，F(xiàn)有的施工技術以及體外索的防護技術仍然有待完善,建議國內學者應不僅僅對體外預應力結構的受力特性,新型結構等方面研究,同時對預應力體外索的施工技術進行更為詳細的研究,為推廣體外預應力結構打下堅實的基礎。

[1]熊學玉.體外預應力結構設計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

[2]魯平印,汪晶,杜進生.體外預應力混凝土橋梁的發(fā)展歷程[J].公路,2008(9):229-231

[3]賀志啟,張宇峰,劉釗.體外預應力梁橋的技術發(fā)展與若干關鍵問題[J].現(xiàn)代交通技術.2007(5):46-50

[4]熊學玉,吳學淑,汪克來,等.體外預應力索的破壞及其修復與更換[J].自然災害學報,2006,15(2):132-137

[5]Hiroshi Mutsuyoshi,EakaratW itchukreangkrai.Recent techniques of pre-stressed concrete bridges in Japan[C]∥Proceedings of the Ninth National Convention on Civil Engineering(NCCE9).Thailand,2004

[6]王延臣.體外預應力混凝土結構體外索的系統(tǒng)防護[J].河北交通科技,2006,3(4):48-51