索塔U形環向預應力施工控制

□文/周恒武 陳 鈞

斜拉橋索塔錨固區是斜拉橋的關鍵部位，可靠與否直接關系到大橋的安全度。由于斜拉索索力較大、錨固點相對集中，致使索塔錨固區應力集中、分布復雜。目前國內有少量斜拉橋索塔錨固區采用大噸位、小半徑U形預應力束，以確保錨固區具有足夠的水平承載能力和抗裂安全度，但在施工過程中出現了一些問題。主要體現在伸長量超標嚴重，而且都是正誤差，一般都在20%～40%，遠超過規范允許值±6%并且有斷絲現象。天津南倉斜拉橋索塔錨固區也采用了U形預應力束，如何控制張拉伸長量，建立符合斜拉橋上塔柱環向預應力質量控制標準是保證預應力質量關鍵。

工程概況

南倉斜拉橋的主塔采用雙倒“Y”型空間索塔，雙塔連體。索塔包括下、中、上塔柱，塔的總高度為109 m，其中上塔柱高為40 m。上塔柱為非對稱六邊形空心薄壁結構，斷面尺寸為7.5 m（順橋向）×4.5 m（橫橋向），壁厚為1.2 m（橫橋向）和0.6 m（順橋向）；在上塔柱外側設有深0.3 m、寬1.4 m的裝飾凹槽。上塔柱在斜拉索錨固區塔壁內配置采用雙U形扣合的環向預應力束混凝土結構。為平衡斜拉索水平分布，沿塔柱高度配置了38對76束（單塔）φ15～19 mmU型預應力鋼絞線束，錨下控制應力為1 395 MPa。見圖1。

圖1 U型預應力束平面布置

U形環向預應力施工技術特點和形成機理

（1）大噸位、小半徑預應力群錨體系鋼絞線不均勻性。索塔采用U形環向預應力普遍具有半徑小、噸位大、單束鋼絞線數量多、線路短等特點。在群錨體系中，由于環向的影響，必然造成外側鋼絞線比內側鋼絞線有效長度長并且差值與長度比一般達到5%～8%，在張拉過程中實際張拉伸長量基本一致，必然造成了受力不均勻性，考慮到鋼絞線在張拉過程中重分配等因素影響，實際應力的不均勻性在3%～6%之間。

（2）實際伸長量大于理論伸長量并且伸長量離散性較大。U形環向預應力在千斤頂張拉力作用下，產生很大的徑向壓應力，使得鋼絞線之間更為密實，同時鋼絞線束擠壓塑料波紋管使整束發生徑向位移，產生非彈性變形，該變形在變形超限中占據了大部分并且由于施工因素影響，該變形離散性大，造成整個鋼束伸長量變形離散性大。一般來說，U形環向預應力束主要由3部分組成，第1部分是規范中的彈性伸長值；第2部分是受力不均勻產生的附加彈性伸長量；第3部分是在徑向壓力作用下塑料波紋管的內波紋發生壓縮變形所產生的幾何變形。第2、3部分是環向預應力與普通預應力最大區別，只有控制這兩部分的伸長量離散性，才能使建立的伸長量在實際操作中具有現實意義。

施工控制

南倉大橋索塔錨固區是大噸位、小半徑環向預應力體系，采用了塑料波紋管制孔后穿鋼束的施工方法。為了保障設計安全，對施工過程進行分析，從理論伸長量的確認、伸長量離散性控制、張拉施工工藝進行了工藝試驗研究。試驗研究采用了1∶1的模型，模擬一節上塔柱（約5 m高）并采用了單根張拉和整體張拉的工藝進行試驗對比。采用3種張拉工藝：（1）單根穿束張拉；（2）單根穿束整體張拉；（3）單根穿束預緊整體張拉。

試驗中，工藝（1）鋼絞線伸長量的離散性相當大，實測伸長量在-1%～+43%之間并且前面張拉的伸長量較小，后張拉的伸長量都偏差較大，無規律可循，施工中無法建立有效控制措施來確認預應力的質量。工藝（2）在張拉錨固中發現有斷絲現象；工藝（3）伸長量較理論彈性值提高了35%。工藝（1）由于前幾根鋼絞線張拉不會出現附加彈性變形及徑向的幾何變形，隨著后期應力的逐漸增大，環向內側波紋管出現變形發生徑向位移導致后期伸長量變化大，同時降低了已經張拉鋼絞線的應力。工藝（2）單根穿束完成后整體張拉，鋼絞線在管道內分布情況無法掌握，可能會發生扭轉，再加上管道內外鋼絞線應力差等因素易導致局部鋼絞線應力偏大。最終確定了工藝（3）作為重點研究對象。

伸長值由3部分組成，分別計算彈性理論伸長值、幾何變形和徑向壓力下應力重分布的非彈性變形。經計算鋼束伸長量在63 mm，與設計值基本吻合；通過現場實際情況，徑向變形在5～6 mm，取5 mm，U形環向預應力束的幾何變形為3.14×5=15.7（mm）；管道中鋼絞線在張拉力作用不斷密實，排列重組，鋼絞線受力不均產生附加伸長量，根據經驗一般隨鋼絞線數量的多少而變化，通常在0～15 mm，本處取10 mm。

因此，本橋確立的理論伸長量為63+15.7+10=88.7（mm），與彈性理論值63 mm相比，提高了將近41%。

施工過程中，采取以應力控制為主，伸長量控制為輔的原則控制伸長量的離散性。

（1）張拉穿束工藝采取單根穿束預緊保證鋼絞線不會出現打絞現象，穿束完后進行放松，恢復自然狀態后進行整體張拉，保證在預張拉壓力下孔內鋼絞線不斷密實并進行排列重組，降低因鋼絞線排列重組發生徑向位移的不同導致不均勻伸長量的離散性。整體張拉采用多級張拉，持荷的張拉過程。張拉過程分別采用20%、40%、60%、85%和 100%級進行張拉控制，每級分別持荷不少于1 min，使孔內鋼絞線有充分時效進行重分布因徑向位移不同產生的應力。

（2）為防止預應力索小半徑處混凝土發生變形，沿彎道徑向設置較粗的防崩裂鋼筋，同時也有利于波紋管的徑向定位。本橋環向位置處布設φ25 mm防崩鋼筋以提高抗裂性能并加強環向內側混凝土的振搗質量。

（3）波紋管及錨具的精確定位，尤其是錨具的安裝角度，需要非常準確，否則易出現夾斷鋼絞線現象。

結論及建議

（1）天津南倉斜拉橋索塔152束U形預應力束施工實際伸長量均在83～97 mm，與控制值88.7 mm相比誤差控制在-6%～10%之間，證明了天津南倉斜拉橋大噸位、小半徑環向預應力施工質量的控制及伸長量離散性控制是成功的。

（2）考慮到大噸位、小半徑預應力群錨體系鋼絞線不均勻性，建議錨下張拉控制應力宜在0.65～0.7σ控之間，而不要采用常規規范的0.75σ控。

[1]周孟波，文武松，雷昌龍.大噸位錨固區混凝土抗裂性及承壓能力研究[J].橋梁建設,1999，（4）：13-17.

[2]JTJ 041-2000,公路橋涵施工技術規范[S].

[3]張望喜，易偉建，陳建陽，等.武漢軍山長江公路大橋索塔錨固區帶錨塊足尺節段模型試驗研究[J].中南公路工程，2001，26（4）：33-35.