橋墩拼裝工法用新型預應力錨固體系的開發與應用

蘇 強 ，吳東明

（柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西 柳州 545006）

0 引言

隨著城市化建設的逐步推進，城市高架、輕軌的施工任務越來越多，在這些基礎設施建設中，預制拼裝將成為最主要的施工方法，其中既有預制箱梁的上部結構拼裝，還有預制立柱、預制蓋梁、預制基臺等下部結構的拼裝。為承載需要，在很多情況下這些橋梁下部結構都設計有豎向的預應力錨固體系。國內外針對橋墩預制拼裝中預應力錨固體系進行了較多研究，文獻[1] 介紹了預應力節段預制橋墩基于性能的抗震設計方法4個方面系統梳理和總結了各國學者開展的相關研究，并指出了當前研究存在的問題和未來的發展方面，其中研究表明，預應力筋能提供更好的自復位能力，橋墩震后殘余變形很少。文獻[2] 介紹了節段拼裝橋墩的應用、接縫分類及其力學性能、試驗研究和理論研究方面的情況。文獻[3] 介紹了無黏結預應力耗能鋼筋預制節段拼裝橋墩抗震性能研究，研究了預應力度、軸壓比、普通鋼筋和預應力筋配筋率等參數對墩柱抗震性能的影響。

目前國內外預制橋墩中的預應力錨固體系常用這幾種體系：二次灌漿預應力錨固體系、U形預應力錨固體系、鋼棒預應力錨固體系。

二次灌漿預應力錨固體系主要特點是在固定端采用二次灌漿錨具，見圖1，張拉端為常規夾片式錨具。施工時在現澆的承臺內預埋錨墊板和波紋管，鋼絞線不預埋。當立柱和承臺拼裝后再從上往下穿入端部帶有擠壓頭的鋼絞線，鋼絞線穿入后在底部先進行第一次灌漿把鋼絞線粘結錨固住，待固定端中的漿體強度達到要求后在立柱頂端進行張拉錨固，最后進行二次灌漿注滿整個孔道，該施工工藝類似于文獻[4] [5] 中所述的一種類似地錨的錨索。二次灌漿預應力錨固體系主要缺點是索體結構較復雜，穿索后需二次灌漿，二次灌漿工藝不好控制。

圖1 二次灌漿錨具

U形預應力錨固體系主要特點是在預制的構件中預埋錨下構件和管道，其中U形部份位于承臺內，兩豎直管道和錨下構件預埋于立柱內，見圖2。當立柱和承臺拼裝后再穿入鋼絞線，穿入后在兩端進行張拉錨固，最后從下往上灌漿。U形預應力錨固體系主要缺點是穿鋼絞線困難，特別是當U形的彎曲半徑R較小或立柱較高時穿索更為困難，且需兩端張拉錨固。

圖2 U形預應力錨固體系

鋼棒預應力錨固體系的主要特點是采用高強鋼棒作為預應力筋，如1999年美國的Sarah L.Billington提出了適用于非抗震設防區的中小跨徑橋梁的預制節段拼裝下部結構體系，見圖3。我國對于橋墩的預制裝配技術的應用以前主要集中在跨海或跨江大橋中，如杭州灣大橋、東海大橋、上海長江大橋、金塘大橋、港珠澳大橋等特大橋，其中港珠澳大橋的橋墩設計了鋼棒預應力錨固體系。鋼棒預應力錨固體系主要缺點是鋼棒須預埋和分段接長和錨固，相對鋼絞線，鋼棒強度較低，成本高。

圖3 中小跨預制橋墩體系構造示意圖

鑒于目前的預制橋墩中豎向預應力錨固體系結構復雜，施工工藝繁鎖，周期長，成本高的缺陷，為適應城市高架、輕軌建設的需求，特別是滿足橋墩預制拼裝施工工藝的要求，迫切需要開發一種質量易保證、結構簡單、施工方便快捷、成本較低的豎向預應力錨固體系。要求結構簡單：只包括張拉端錨具、固定端錨具、索體和孔道，不含連接器。要求施工方便快捷：預應力筋無需預埋，預應力穿束、張拉錨固方便，無需二次灌漿。

1 新型預應力錨固體系結構設計

為達到開發目的，經研究提出一種新型預應力錨固體系。本新型預應力由張拉端錨具、固定端錨具、錨索及預埋管或預留孔道組成，不設置中間連接器，見圖4。張拉端錨具設于立柱上端，其結構與常規張拉端錨具相同，由夾片、錨板、錨墊板及螺旋筋組成。固定端錨具設于承臺內，其結構與常規固定端錨具不同，除錨墊板、螺旋筋外，還包括自鎖結構、保護罩等組成，出廠前組裝成一整體，見圖5。錨索由鋼絞線束、錨固套、導向頭等組成，出廠前組裝成一整體，見圖6。

圖4 新型預應力錨固體系

圖5 固定端錨具結構

圖6 錨索結構

從結構上看，本新型錨固體系與常規錨固體系不同之處在于固定端錨具及索體，主要特點是設計了具有滑塊復位結構的固定端錨具和設計了具有錐面導向的索體錨頭。此結構能實現對穿入索體的即時錨固（自鎖）：當錨索頭從上往下穿入孔道到達固定端錨具時，導向頭在索體自重的作用下撐開滑塊并使得整個錨固套進入到保護罩內，當錨固套全部進入到保護罩內時，滑塊自動復位，形成了滑塊對錨頭端面的支承錨固作用，即實現了固定端錨具對錨索的即時錨固。本新型錨固體系具有即時錨固功能使得整個施工流程方便快捷：不需要先預埋錨索，不需要在固定端先灌漿錨固，不需要等待漿體強度達到要求才可以張拉鋼絞線。

2 新型預應力錨固體系試驗研究

為驗證新型預應力錨固體系的錨固性能和安裝工藝性能，進行了常用規格錨固體系模擬工程的工藝靜載試驗研究，試驗參照GB/T14370《預應力筋用錨具、夾具和連接器》的要求進行。主要試驗步聚如下：

（1）制作混凝土試件：把除錨索外的固定端錨具、張拉端錨具預埋件和管道在模板中安裝定位，澆筑混凝土并養護到設計強度，見圖7。

圖7自鎖式豎向預應力混凝土試件（單位：mm)

（2）錨索穿束：當混凝土強度達到設計強度后進行，把錨索（含導向頭、錨固套、鋼絞線束）從張拉端穿進混凝土試件的預埋管內，直至導向頭和錨固套穿過固定端錨具的自鎖結構進入保護罩內，見圖8。

圖8 錨索穿束

（3）靜載試驗：錨索穿入后，張拉端依次安裝墊板、測力傳感器、千斤頂、工作錨具。按GB/T14370《預應力筋用錨具、夾具和連接器》的要求進行靜載試驗，見圖9。試驗后拉出錨索，檢查失效情況。

圖9 靜載試驗示意圖

經工藝靜載試驗研究表明：錨具安裝方便，錨索穿束順利，并能順利實現自鎖，錨具錨固性能可靠，各項指標達到標準要求：錨具效率系數ηA≥0.95，總應變 εapu≥2.0%，見表 1。

3 新型預應力錨固體系施工工藝設計

經研究該新型預應力錨固體系的主要施工流程設計為：預埋件埋設—立柱和基臺拼裝—索體穿束—錨具安裝與張拉—灌漿與封錨。相對二次灌漿預應力錨固體系、U形預應力錨固體系、鋼棒預應力錨固體系，該施工方便快捷：預應力筋無需預埋，預應力穿束、張拉錨固方便，無需二次灌漿。

步驟一：預埋件埋設

把固定端錨具整體安裝在承臺中，預埋管插入錨墊板止口并焊接密實，預埋管伸出承臺端面；把進漿管與錨固端錨墊板及保護罩連接，保證連接處牢固密封，進漿管引出構件外面，見圖10。當其它鋼筋全部安裝就位后澆筑混凝土。

表1 工藝靜載試驗結果

圖10 固定端錨具預埋

把張拉端錨墊板、螺旋筋安裝在立柱頂面，預埋管插入錨墊板止口并焊接密實，立柱下端預拼裝槽口，見圖11。當其它鋼筋全部安裝就位后澆筑混凝土。

圖11 張拉端錨具預埋

步聚二：立柱和承臺拼裝

預制立柱運至現場后，按要求把立柱和承臺拼裝。拼裝前檢查各構件中的預埋管位置是否準確，是否有過大變形，內孔需清理干凈。

步驟三：穿入錨索

穿索前確認索號是否正確，索體去除外包裝后，吊裝起索體，使索體錨頭向下，依次從上往下穿入立柱和承臺，錨頭在固定端實現自鎖。

步驟四：錨具安裝和張拉

方法與常規錨具相同，在立柱頂部安裝工作錨板和工作夾片，再安裝張拉工具和設備。按控制張拉力張拉和錨固，張拉按雙控原則。

步驟五：灌漿與封錨

由下往上灌漿，灌漿后在上端的凹槽內用漿體封錨。

4 工程應用

為了解該新型預應力錨固體系的實際工程應用效果，在上海市軌道交通5號線南延伸工程和成都三環擴能提升改造工程羊犀立交工程中設計了部份預制橋墩來試用，設計采用ZSM15-15型自鎖式錨固體系，每個立柱中設4束預應力索。整個施工應用過程快捷方便，并已順利完成，達到了設計和施工要求。圖12為預制立柱現場起吊將與基臺拼裝，圖13為在立柱頂部對已穿好的錨索進行張拉錨固。

圖12 預制立柱起吊

圖13 在立柱頂部張拉錨索

5 結論

通過對基于橋墩拼裝工法開發的、具有即時錨固功能的預應力錨固體系的研究背景、結構設計、試驗研究、施工工藝研究和工程應用等方面闡述，表明該新型預應力錨固體系結構設計巧妙、簡單，錨固性能可靠，施工工藝簡單，質量易保證，成本較低，能很好滿足了橋墩預制拼裝工法的需要，促進了我國橋墩預制拼裝工法的發展，值得在類似工程中推廣應用。