體外預(yù)應(yīng)力錨索轉(zhuǎn)換支撐體系施工技術(shù)

王 立

（中鐵七局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

1 背景

四川渠縣渠江二橋在渠縣縣城東西方向橫跨渠江，為飛燕式鋼管混凝土系桿拱橋，主橋設(shè)置16束柔性系桿，每束系桿由37根鋼絞線組成，為本橋主要受力結(jié)構(gòu)。邊拱及系桿支撐施工采用水中支架法施工，在完成邊拱肋施工后，渠江洪災(zāi)引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致邊拱臨時支架退出工作。為完成邊拱上結(jié)構(gòu)施工，便于主橋系桿安裝和張拉，采用體外預(yù)應(yīng)力錨索方法代替臨時支架順利完成邊拱上結(jié)構(gòu)施工。

2 技術(shù)的先進(jìn)性

首次把體外預(yù)應(yīng)力錨索運用于大跨度飛燕式系桿拱橋系桿支撐體系轉(zhuǎn)換；體外預(yù)應(yīng)力錨索有效長度達(dá)356m，在同類體外預(yù)應(yīng)力體系中處于領(lǐng)先水平；體外預(yù)應(yīng)力錨索逐根頂緊，整束錨索分級懸浮對稱張拉，錨索退索采用連續(xù)到頂逐根卸載；體外預(yù)應(yīng)力錨索張拉期間設(shè)置兩道防松夾片，張拉完成設(shè)置防震壓板，從而減小風(fēng)振等對夾片的不利影響，保證錨索有效拉力；體外預(yù)應(yīng)力錨索索力可據(jù)實調(diào)整且調(diào)節(jié)范圍大，安全儲備高；不需搭設(shè)邊拱臨時支架或?qū)σ延信R時支架進(jìn)行加固，且體外預(yù)應(yīng)力錨索可回收使用，工效高。

3 體外預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計與施工

3.1 體外預(yù)應(yīng)力錨索轉(zhuǎn)換支撐體系施工原理及流程

3.1.1 體外預(yù)應(yīng)力錨索轉(zhuǎn)換支撐體系原理

對于飛燕式系桿拱橋，系桿為全橋主要受力構(gòu)件，其提供的貫穿主橋的水平張拉力其作用之一為平衡拱結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)的水平推力，作用之二為通過張拉力使邊拱結(jié)構(gòu)具備豎向承載能力。位于邊拱段的系桿在邊拱結(jié)構(gòu)上有專屬系桿支撐及轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)（即拱上立柱）。支架受洪災(zāi)損毀后，在邊拱結(jié)構(gòu)施工完畢系桿未安裝張拉前，邊拱結(jié)構(gòu)無法繼續(xù)承擔(dān)系桿轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的荷載。為此，需臨時施工貫穿主橋的體外預(yù)應(yīng)力錨索，使其模擬系桿作用，便于施工邊拱上永久系桿的支撐及轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，完成后安裝張拉系桿，完成預(yù)應(yīng)力錨索與永久系桿支撐體系轉(zhuǎn)換并最終拆除預(yù)應(yīng)力錨索。

3.1.2 體外預(yù)應(yīng)力錨索轉(zhuǎn)換支撐體系施工流程

安裝及張拉體外預(yù)應(yīng)力錨索→施工系桿支撐及轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)（拱上立柱）→安裝永久系桿→預(yù)應(yīng)力錨索與系桿支撐體系轉(zhuǎn)換→卸載并拆除體外預(yù)應(yīng)力錨索，如圖1所示。

圖1 體外預(yù)應(yīng)力錨索轉(zhuǎn)換支撐體系施工步驟圖

3.2 工藝流程

體外預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝流程如圖2所示。

圖2 體外預(yù)應(yīng)力錨索施工流程圖

3.3 體外預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計

3.3.1 總體設(shè)計思路

鋼錨箱必須有合適的支撐點，保證錨索預(yù)應(yīng)力有效傳遞；支撐點必須有足夠強(qiáng)度、剛度，能承受錨箱傳遞荷載；錨索必須獨立于結(jié)構(gòu)之外，索體盡量采用直線形式，避免空間曲線以及與主體結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突；鋼錨箱必須有足夠的強(qiáng)度、剛度[1]；錨索應(yīng)選用技術(shù)成熟的產(chǎn)品或易加工產(chǎn)品，錨板、夾片等盡量利用永久系桿配套產(chǎn)品；錨索應(yīng)考慮施工周期和防腐要求。

根據(jù)實際情況，本橋體外預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)置于主橋范圍內(nèi)，貫穿邊拱及主拱，有效長度356m，張拉錨固端設(shè)置于邊拱端頭。主橋上下游拱肋各設(shè)置2束，每束由32根帶PE護(hù)套環(huán)氧噴涂無粘結(jié)低松弛鋼絞線組成，fpk=1860MPa。錨索不設(shè)平豎曲線，其總體布置如圖3所示。

圖3 預(yù)應(yīng)力錨索總體布置設(shè)計圖

3.3.2 鋼錨箱設(shè)計

鋼錨箱作為主要受力構(gòu)件，其作用為將錨索傳遞的力平均分配到邊拱端頭，使拱結(jié)構(gòu)具備一定預(yù)壓力。鋼錨箱采用Q345B型鋼板制作，內(nèi)設(shè)置加勁隔板，布置于邊拱端頭并用地錨螺栓緊固[2]。

3.4 鋼錨箱制安

3.4.1 錨箱制作

鋼錨箱在工廠下料、鏜孔，現(xiàn)場二氧化碳保護(hù)焊接制作，焊縫等級必須達(dá)到一級，錨索在現(xiàn)場下料，每一步都要在鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的規(guī)范要求內(nèi)嚴(yán)格操作，確保施工質(zhì)量[3]。

3.4.2 錨箱裝配

按圖紙和工藝要求劃線、裝配，劃線必須以中心軸線為基準(zhǔn)，每個部件裝配時要認(rèn)真核實相關(guān)尺寸后方準(zhǔn)點焊鉚接。完成部件裝配，必須處理干凈焊疤、弧坑，認(rèn)真進(jìn)行自檢并填寫原始記錄，辦理工序交接卡，經(jīng)質(zhì)檢員確認(rèn)后方可進(jìn)入下一道焊接工序。

3.4.3 錨箱焊接

錨箱采用二氧化碳保護(hù)焊接，必須達(dá)到一級焊縫，焊接完畢后必須去掉焊渣、焊瘤，進(jìn)行無損探傷。

3.5 錨索安裝及張拉

3.5.1 牽引卷揚機(jī)及循環(huán)牽引鋼絲繩布置

本橋錨索鋼絞線采用逐根牽引并初張方式安裝。為保證結(jié)構(gòu)受力對稱，錨索安裝嚴(yán)格按照上、下游拱肋對稱，單側(cè)拱肋上錨箱左右對稱方式進(jìn)行。安裝順序如圖4所示。

圖4 單個錨箱上錨索鋼絞線安裝順序

3.5.2 錨索穿過錨墊板、錨箱并牽引到位

利用牽引系統(tǒng)由卷揚機(jī)和牽引鋼絲繩帶動鋼絞線由主橋一端向另一段牽引，用葫蘆配合將鋼絞線牽出另一端錨箱和錨墊板。

3.5.3 錨索初張拉

錨索穿到位后，用YDCS160型單根張拉千斤頂按單端張拉方式逐根初張拉錨索鋼絞線，每根鋼絞線張力按2t控制，目的是使其有一定初張力后能保持自身錨固效果，防止因風(fēng)振或者其他振動導(dǎo)致工作夾片彈出致使鋼絞線滑脫[4]。

3.5.4 錨索分級張拉

3.5.4.1 張拉控制條件

以張拉力控制為主，變形控制為輔。

3.5.4.2 總體張拉順序及分級

采用單端張拉方式，上下游拱肋同時進(jìn)行，先對所有錨索再次預(yù)緊至100t/束，再分6級張拉，分級及拉力數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 錨索張拉分級及拉力數(shù)據(jù)

3.5.4.3 張拉變形觀測控制條件

張拉過程中，隨時觀測邊拱端頭與T構(gòu)上所設(shè)觀測點位的絕對距離變化和相對距離增大值，不能超過設(shè)計計算值±10%[5]。

3.5.4.4 張拉過程應(yīng)力應(yīng)變測定與結(jié)構(gòu)變形觀測

為消除鋼錨箱鋼板與邊拱間空隙，減小錨索鋼絞線自由垂度，減小監(jiān)控誤差，預(yù)緊程序中，先按照每束錨索終值拉力250t的40%的張拉力控制，即按照100t/束來控制，完成后，對邊拱、主拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變和張拉力進(jìn)行量測，并分析數(shù)據(jù)確認(rèn)無誤后再同步啟動4臺頂繼續(xù)張拉。如此循環(huán)，每張拉一級，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力及應(yīng)變測定，確定結(jié)構(gòu)安全且未超過設(shè)計和監(jiān)控理論值后，再循環(huán)進(jìn)行張拉作業(yè)[6]。

3.6 錨索鎖定

本橋體外預(yù)應(yīng)力錨索拉至設(shè)計終值1000t后，現(xiàn)場數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)吻合較好，達(dá)到設(shè)計文件要求，即停止張拉，鎖定錨索鋼絞線。

完成錨索鋼絞線鎖定后，為防止風(fēng)振和意外撞擊等造成鋼絞線夾片松弛，設(shè)置專用鋼絞線夾片防振壓板，使夾片與錨板始終結(jié)合緊密。此外，因錨索長，在錨索端頭、1/4及跨中位置設(shè)置簡易錨索索箍，即將鋼絞線用膠皮包裹緊密，膠皮外用鐵絲綁扎，以防止索體零散，減小風(fēng)振等影響，保持每根鋼絞線受力均勻。在有混凝土結(jié)構(gòu)支撐條件的地方設(shè)置錨索整合支架，以保持錨索安裝布置合理，線型整齊，防止索體相互纏繞。

3.7 系桿轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)施工

完成體外預(yù)應(yīng)力錨索施工，按照設(shè)計文件施工系桿轉(zhuǎn)向混凝土結(jié)構(gòu)、安裝系桿。

3.8 體外預(yù)應(yīng)力錨索與系桿受力支撐體系轉(zhuǎn)換

完成系桿安裝后，進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力錨索與系桿受力轉(zhuǎn)換，將所有預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換至永久系桿上，預(yù)應(yīng)力錨索退出工作并拆除。

3.8.1 系桿張拉與體外預(yù)應(yīng)力錨索施工流程

系桿分4次逐級張拉，張拉示意圖如圖5、圖6所示。

圖6 退索分級流程圖

每束臨時系桿退索分四次進(jìn)行，第1次退索索體編號32～25，第2次24～17，第3次16～9，第4次8～1。

3.8.2 索力轉(zhuǎn)換操作步驟

體外預(yù)應(yīng)力錨索退索與系桿安裝是個受力逐級轉(zhuǎn)換的過程，施工按照分級退索多級張拉及平衡對稱的原則進(jìn)行，退索時每個鋼錨箱上兩束錨索鋼絞線只能相差1根，操作步驟如表2所示。

表2 索力轉(zhuǎn)換操作步驟表

3.8.3 退索設(shè)備

退索采用YDCS160型單根張拉千斤頂及配套支撐架、套油泵等。

3.8.4 退索施工

先將支撐架安裝到工作錨板上，然后將加工的單孔錨墊板和千斤頂逐一裝入鋼絞線，并裝上相應(yīng)工具夾片

啟動油泵，緩慢送油，讓千斤頂活塞伸出一段長度，打緊千斤頂活塞端工具錨板上夾片。再次緩慢啟動油泵，使鋼絞線有輕微伸長，直至鋼絞線工作錨板上工作夾片松動后，停止送油，人工配合掏出工作錨板上夾片，并確保退索過程中夾片始終不與工作錨板接觸。緩慢回油，開始退索，期間人工配合確保千斤頂非活塞端工具夾片始終處于非受力的松弛狀態(tài)。當(dāng)千斤頂活塞快退到行程時，打緊千斤頂非活塞端工具夾片，鎖緊鋼絞線后再緩慢回油，使活塞端工具夾片松弛并由人工將錨板及夾片向活塞伸長方向移動。再次送油，讓活塞伸長接近最大行程并頂緊活塞端工具錨板及夾片，使鋼絞線有輕微伸長，直至非活塞端工具夾片松弛。緩慢回油，繼續(xù)退索，期間保持非活塞端夾片松弛。

如此循環(huán)，直至錨索鋼絞線完全卸載。完成索力卸載后在錨索鋼絞線拆除前，用工作夾片鎖緊鋼絞線。

3.8.5 錨索拆除

完成索力轉(zhuǎn)換后，分批拆除已經(jīng)卸載的錨索鋼絞線，并根據(jù)實際退索情況東西岸上下游雙端對稱補(bǔ)張拉內(nèi)側(cè)永久XG2（例如拆除的索損失50T，就補(bǔ)拉50T），直至拆除所有錨索，并將內(nèi)側(cè)系桿XG2補(bǔ)拉至200T[7]。

錨索拆除與錨索安裝為互逆過程，不再贅述。

4 施工監(jiān)控

4.1 有限元模型建立

在體外預(yù)應(yīng)力錨索張拉期間，為保證結(jié)構(gòu)安全， 利用有限元模型對西邊拱進(jìn)行受力分析。對已施工的邊拱、T構(gòu)等結(jié)構(gòu)建立MIDAS模型，將體外預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)緊力按等效荷載施加在結(jié)構(gòu)上，即在每一邊拱上施加500t。分兩種施工工況分析，第1種工況為分七級張拉錨索，第2種工況為在邊拱上澆筑永久系桿轉(zhuǎn)向塊、1#立柱、2#立柱和6#立柱。

4.2 實測點位布設(shè)

為準(zhǔn)確采集T構(gòu)和邊拱位移，分別在2#墩處和T構(gòu)與邊拱伸縮縫處設(shè)置百分表。為采集西邊拱的應(yīng)力，在西邊拱各控制截面（拱數(shù)據(jù)腳底板、邊拱跨中底板、拱頂?shù)装澹┎贾脩?yīng)變片。

4.3 監(jiān)控觀測結(jié)論

4.3.1 位移觀測結(jié)果

理論分析結(jié)果為：兩種工況下西邊拱頂端位移總偏移量為6.398mm（向河心方向），T構(gòu)端部的位移總偏移量為5.826mm（向河心方向）。通過監(jiān)控數(shù)據(jù)采集可知，西邊拱頂端位移總偏移量為5.31mm（向河心方向），T構(gòu)端部的位移總偏移量為5.59mm。

4.3.2 應(yīng)力檢測結(jié)果

通過理論分析可知，兩種工況下拱腳底板應(yīng)力減少2.3MPa，跨中底板應(yīng)力減少3.001MPa，拱頂?shù)装鍛?yīng)力增加0.355MPa；通過監(jiān)控數(shù)據(jù)采集可知，上游拱腳底板應(yīng)力減少1.53MPa，下游拱腳底板應(yīng)力減少1.66MPa，上游跨中底板應(yīng)力減少2.03MPa，下游跨中底板應(yīng)力減少1.91MPa，上游拱頂?shù)装鍛?yīng)力增加0.21MPa，下游拱頂?shù)装鍛?yīng)力增加0.23MPa。測量結(jié)果能夠反映在體外預(yù)應(yīng)力錨索、轉(zhuǎn)向塊及立柱結(jié)構(gòu)的施工過程中應(yīng)力的變化情況。

經(jīng)過上述分析，體外預(yù)應(yīng)力錨索完成張拉后結(jié)構(gòu)是安全的。利用同樣的辦法對體外預(yù)應(yīng)力錨索轉(zhuǎn)換支撐體系監(jiān)控數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行分析，體系轉(zhuǎn)換的過程中結(jié)構(gòu)是安全的。

5 結(jié)語

本橋體外預(yù)應(yīng)力錨索有效長度達(dá)356m，創(chuàng)造了國內(nèi)拱橋體外預(yù)應(yīng)力錨索施工長度記錄。根據(jù)工程實體情況，在借鑒本橋體外預(yù)應(yīng)力錨索施工方法的前提下，施工所采用的錨索長度還可以加大。本橋體外預(yù)應(yīng)力錨索逐根頂緊，整束分級懸浮對稱張拉以及連續(xù)到頂逐根卸載退索的施工方法是本橋?qū)嶋H工況下最科學(xué)的張拉及退索方式，但仍有改進(jìn)空間。本橋體外預(yù)應(yīng)力錨索施工中，在穿索時必須設(shè)置錨索臨時支撐托架，在張拉過程中必須設(shè)置錨索整合支架以保證錨索布置有序，張拉到位。

[1]路橋集團(tuán)第一公路工程局.JTJ 041-2000 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2000.

[2]中交第一公路勘察設(shè)計院.JTG/T J23-2008 公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2008.

[3]北京鋼鐵設(shè)計研究總院，等.GB 50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[4]黑龍江省公路橋梁建設(shè)總公司.JTJ 076-95 公路施工安全技術(shù)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5]中國有色金屬工業(yè)協(xié)會.GB50026-2007 工程測量規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2008.

[6]天津市第一預(yù)應(yīng)力鋼絲有限公司，等.GBT5224-2003 預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[7]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ/T279-2012 建筑結(jié)構(gòu)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.