三向预应力在南水北调跨渠桥梁中的应用

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  【摘 要】 南水北调跨渠桥梁韩庄桥工程上部构造采用三向预应力变截面连续箱梁,取得了良好的使用效果。该文介绍了三向预应力变截面连续箱梁的设计构思、结构设计及其施工方案。
  【关键词】 桥梁;箱梁;预应力;施工
  【中图分类号】 TU757.5 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123(2012)01-030-02
  1 工程概况
  南水北调跨渠桥梁韩庄桥工程位于河北省满城县东于河村东保涞公路上,第3孔跨南水北调总干渠,与其夹角为150.19°,设计汽车荷载等级为:公路—1级,设计时速为100km/h,大桥为预应力砼连续梁桥,跨径为(40+60+90+60+40)m,单幅桥宽净11.25+2×0.5m防撞护栏,中间空1.0m,全宽25.5m。本桥斜交正做,错孔布置,桥梁全长为296.5m。
   韩庄桥上部构造采用三向预应力变截面连续箱梁,由上下行分离的两个单箱单室箱型截面组成,箱梁顶板宽为12.25m,底板宽为6m,两侧翼板悬臂为3.125m。预应力钢绞线标准强度为1860MPa,弹性模量Ey=1.95×105MPa,纵向预应力钢束分为顶板束、底板束、腹板下弯束及中跨合拢束四种,采用OVM系列群锚锚具(OVM12Φs15.2、OVM15Φs15.2、OVM19Φs15.2)、圆塔形锚垫板(M15E)及其配套的螺旋筋;横向预应力钢束采用BM15-3扁锚体系,采用一端单根张拉方式;竖向预应力采用YGM锚具,采用ΦL25、ΦL32高强精轧螺纹粗钢筋,其抗拉强度标准值为785MPa;预应力管道采用预埋塑料波纹管成孔,采用OVM真空辅助灌浆体系。
  2 箱梁三向预应力施工
   三向预应力施工按先纵向后横向再竖向的顺序进行。
  2.1 预应力筋及其管道的安装。所有预应力管道的位置必须按照预应力钢束设计图采用“井”字型定位架进行精确定位,定位架与箱梁纵横向钢筋点焊连接。波纹管应具有足够的刚度和密水性,接头处严防漏浆和卷口。
  2.1.1 纵向预应力:纵向预应力管道采用真空压浆用塑料波纹管,用定位钢筋网格固定在普通钢筋上,其位置以校正好的模板为参照物控制。
   施工要点为:①波纹管接长采用接头管,长度30cm。②波纹管穿过端模通过在端模上打孔来实现,为了保证在两梁段间的顺接,在端模孔处另加长度30cm接头管,两梁段间各留15cm。接头管与波纹管的接缝处用胶布缠裹严密,以防漏浆。③锚垫板通过螺栓定位于端模,注意其平面与孔道切线垂直。其角度以木楔调整。锚垫板与波纹管的衔接处缝隙要塞严密以防漏浆。④在纵向波纹管内穿一根φ6钢筋,φ6钢筋随纵向波纹管的接长而接长,并露出波纹管端部,φ6钢筋的作用是:在穿长束时作为牵引绳,便于穿钢绞线。⑤波纹管孔道定位钢筋每50cm布置一道,在起弯点及曲线部位适当加密。
  2.1.2 横向预应力:横向预应力钢绞线及波纹管在纵向预应力管道安装完毕后安装,横向预应力筋张拉端和锚固端做到交错布置,横向预应力钢绞线采用先穿后安的方法。顶板钢筋骨架做到牢固、不变形,以保证横向预应力定位网格的准确定位。
  2.1.3 竖向预应力:竖向预应力钢筋用切割机切割,预应力钢筋要垂直预先安装。当竖向预应力筋锚固端与墩身钢筋位置发生矛盾时,应保证锚垫板和锚下螺旋筋的位置准确而调整墩身钢筋位置。
   竖向预应力筋的安装要点:①在绑扎底板钢筋时,用∮8定位钢筋将底部钢垫板焊接固定在底面钢筋上。②在腹板钢筋绑完后,将波纹管、螺旋筋套入下垫板内。③在顶板顶面将上垫板直接固定在顶板钢筋上,此时,形成孔道。④从上端穿入预应力筋,底部旋紧螺母,上部螺母最后旋入。为保证其轴线位置,可在焊接垫板时,先用沿轴线通焊的一根辅助钢筋作为坐标轴,以控制安装精度。⑤先焊垫板最后穿预应力粗钢筋的目的是为了避免垫板与钢筋同时焊接定位时产生预应力粗钢筋过电造成张拉时断筋现象,因为竖向预应力钢筋断筋是无法更换的。
  2.1.4 预应力孔道施工精度要求:在所有的预应力孔道施工中,可能会发生相互抵触现象,如纵向预应力筋在顶板的张拉槽口处与顶板横向预应力筋、竖向预应力筋之间或者顶板横向预应力筋与竖向预应力筋之间位置相互矛盾,这时应体现如下优先原则:
  首先保证纵向预应力束的位置准确,其次是竖向预应力筋位置,最后为横向预应力束。若三者位置发生抵触,应首先调整顶板横向预应力束的坐标,若仍不能满足要求,则适当改变竖向预应力筋的长度及位置,但应保证竖向预应力筋的移动是在其轴线上进行的。孔道位置的调整以最小为原则。
  若三者互不干扰,控制其安装偏差±5mm。
  需要注意:在普通钢筋焊接施工中,应对已成形的波纹管采取保护措施,防止焊渣烧穿,可在焊接作业面周围的波纹管上铺卷防火布。
  2.2 预应力张拉及锚固。
  2.2.1 张拉顺序:梁体预应力筋张拉分为纵向钢绞线、横向钢绞线和竖向高强精轧螺纹钢筋三向预应力。
   对同一梁段而言,张拉顺序为先纵向预应力,然后横向、竖向预应力。为保证受力均匀性,在施工完n+2号梁段后,再张拉n号梁段的横向、竖向预应力。
  2.2.2 合拢段张拉顺序:合拢段砼强度达到设计要求的张拉强度后,开始进行合拢段预应力钢筋张拉,张拉顺序:先张拉纵向预应力束,然后张拉横向预应力束和竖向预应力钢筋;对于纵向预应力束,先张拉长束而后张拉短束,合拢束补拉到设计吨位,横向对称进行,采用两端张拉。
   预应力张拉设备使用与锚具相配套的千斤顶及油泵,使用前应先进行标定,确保张拉质量。张拉时做到对称、平衡。
  2.2.3 纵向预应力:纵向预应力采用YCW系列穿心式千斤顶张拉,张拉顺序为先腹板束,后顶板束,左右对称张拉。
   纵向钢束张拉时两段应保持同步。
   纵向钢绞线束在横向断面上应对称张拉,同时每根钢束应两端对称张拉。
  纵向钢绞线张拉程序如下:初张拉(张拉力P0为0.2倍设计张拉力P)→持荷3分钟→量测延伸量L1→张拉至设计吨位P→持荷3分钟→量测延伸量L2→顶楔回油→量测延伸量L3。
  2.2.3.1 安装工作锚:安装前用机油或柴油等将锚环和楔片逐个清洗干净,其表面不残留铁屑、泥砂、油垢等,然后将钢绞线平行地逐个穿入锚环,注意钢绞线不交叉和穿乱,先安装中心或内圈锚环孔的楔片,然后安装外圈锚环孔楔片,最后用套管或小锤适当用力将楔片敲入锚环孔,注意楔片间缝隙要均匀,其端头要在同一平面上,否则要将之取下重新安装。
  2.2.3.2 安装顶压器:先检查锚环是否有外伤或卷边,若有则用锉刀将之修复,然后安装顶压器,注意钢绞线平行穿入顶压器各孔。
  2.2.3.3 安装千斤顶于孔道中线对位,注意不要接混大、小油缸油管。
  2.2.3.4 按第一步安装工具锚,为使工具锚卸脱方便,在工具锚环与楔片之间缠垫塑料布并涂少量黄油等润滑剂,对于短束还可安装2个工具锚环。
  2.2.3.5 初张拉:在张拉工作开始之前应分别从两端采用千斤顶对钢束进行松动张拉,以确保钢绞线在管道内平行顺直且滑动自由。采用与钢绞线颜色反差较大的颜料在钢绞线上标注出一个平面,在任何步骤下量测引伸量均应量测该平面距锚垫板之间的距离,不得以油缸伸长值代替引伸量。仔细检查千斤顶、油路等安接正确无误后,开动油泵进入初张拉,注意要有2~3人扶正千斤顶使工作锚环准确进入锚垫板的限位槽内,待油表读数达到初张拉应力P0时持荷3分钟,测量该平面(在钢绞线上标记的平面)至锚垫板之间的距离L1和工具锚楔片外露量△1。
  2.2.3.6 张拉:进一步检查千斤顶和油路,然后两端千斤顶同时加载,每5MPa 互相通报一次油压表读数,使两端油压表读数在张拉过程中随时保持一致,直到两端达到张拉应力P,持荷3分钟,测量该平面(在钢绞线上标记的平面)至锚垫板之间的距离L2和楔片外露量△2,这时钢绞线实际伸长值为△L=(L2-L1)—(△1—△2),检查实际伸长值与理论伸长值之差是否符合规范要求的±6%范围内,然后开始顶锚。
  2.2.3.7 顶锚、卸载:先顶一端(甲方向),另一端(乙方向)持荷等待, 初始送油速度要慢于张拉时的进油速度,待油压表指针达1~3MPa时,再恢复正常的送油速度,直到顶锚应力,持荷1分钟左右后,先后使顶压器、千斤顶卸载至零,测量楔片外露量△3,计算出钢绞线回缩量△2-△3,乙方向补至张拉应力(如甲方的回缩量偏大,则乙方向要多补0.5~1.5Mpa)后开始顶锚,操作与甲端相同,最后只记录乙方向的回缩量值。每一梁段要张拉多束钢绞线,为使预加在梁体内的应力均匀,甲、乙两个方向要交替先顶锚。
  2.2.3.8 回程、退楔:两端顶锚完成后,大缸同时回程到底,然后用小锤轻轻敲打工具锚环,取下楔片,并逐个检查是否有损坏的,无损坏的楔片安装在下一束的工作锚环内。最后依次取下锚环,拆除千斤顶、顶压器。
  2.2.3.9 割断多余钢绞线,以砂轮锯切割为宜,钢绞线外露锚环达3~5厘米即可。
  2.2.3.10 对于较长的钢绞线束:由于其伸长值远大于两千斤顶大缸额定张拉行程,所以必须进行倒顶张拉。倒顶张拉第一次张拉的初张拉应力为0.2σ,第一次张拉的终张拉应力为σ/m+1(m为倒顶次数,σ为设计张拉应力),依此类推,倒顶张拉的第n次张拉的初张拉应力为(n-1)σ/(m+1),终张拉应力为nσ/(m+1),(n=2,3,4……m+1),倒顶张拉只在最后一次张拉后顶锚,前几次不得顶锚,将倒顶张拉的几次张拉伸长值累加即为该束钢绞线的实际伸长值。倒顶张拉过程中要严格控制千斤顶的大缸行程,不得使其超过额定张拉行程。
   钢绞线张拉的质量要求:顶锚后量侧两端伸长量之和不超过理论计算值的±6%;钢束回缩量不大于6mm;夹片外露量不小于5mm;钢绞线外露的切割处距锚具表面3~5cm;张拉过程中出现下列情况之一者,须更换锚具或钢绞线重新张拉:锚环内楔片错牙在10mm以上者;锚环内楔片断裂两片以上者;锚环有裂纹损坏者;切割钢绞线或压浆时发生滑丝或断丝情况之一者。
  2.4 竖向预应力。竖向预应力钢筋严格按照设计要求分两次张拉,竖向预应力钢筋在安装前均按设计张拉力在台位上进行预拉,其锚固端在施工前先将螺母及垫板用环氧树脂将螺母下端与粗钢筋固定,由0#段向两边与桥轴线对称单向张拉。
  2.4.1 每根竖向高强精轧螺纹钢筋必须是通长整根,不得接长。
  2.4.2 竖向预应力筋张拉程序:安装工作锚→安装千斤顶→安装连接器、张拉杆→安装工具锚(双锚)→初张拉(1MPa)→张拉至锚下控制应力持荷2分钟→测量伸长值,拧紧工作锚→大缸回程→拆除千斤顶。
  2.4.3 在张拉过程中,注意螺纹钢与张拉杆旋入连接器的深度要相同并等于连接器长度的一半,脚撑下垫板要高度一致,并且水平,工具锚处要安装双锚具,以保证张拉安全。
  2.4.4 认真对待张拉过程中的对中问题,应使千斤顶张拉持力点与高强钢筋中心、锚垫板中心在一条直线上,如牵引中发现高强钢筋横移的现象,应立即回油调整,重新张拉。
  2.4.5 竖向预应力粗钢筋两次张拉的方式,即某梁段竖向预应力粗钢筋第一次张拉完毕后10天再重新进行第二次张拉操作,弥补由于工艺和设备原因导致的有效预应力不足。
  2.4.6 张拉后螺帽旋紧不准采用扳手斜向拧紧,而必须采用竖向套筒配合水平测力扳手施工,确保锚固应力。
  2.4.7 每轮张拉完毕并经监理工程师认可后,采用不同的颜色在钢筋上做出明显的标记,绝对避免漏拉及漏压浆。最后一轮张拉完成后,应在24小时内压浆。
  2.4.8 横向两腹板内高强钢筋应保持对称张拉。
  2.4.9 张拉延伸量的量测应量测张拉前、后钢筋头距锚垫板上某固定点的竖向距离。
  2.5 横向预应力。横向预应力钢束为扁形锚具锚固,利用悬臂板的支架搭设工作平台,由0#段中心向两侧逐束双向张拉。
   横向钢绞线张拉方法与纵向钢绞线基本相同,不同的是纵向钢绞线采用两端张拉,横向钢绞线为单端交替张拉。
  2.6 预应力筋张拉采用张拉力与伸长量双控,以张拉力为主,实际伸长量与计算伸长量差值控在±6%以内,张拉时砼强度必须达到设计规定强度以上,张拉步骤严格按照设计或规范要求进行。对伸长量不足的查明原因,采取补张拉措施,并观察有无滑丝、断丝现象,作好张拉记录。
  2.7 压浆及封锚。本桥预应力管道压浆方法为真空压浆法,孔道压浆在预应力筋张拉完成后24小时内完成,其中纵向预应力管道压浆从下至上进行。
   压浆注意事项:压浆前先用清水清洗预应力管道,然后用空压机将管内积水吹净。严格按规范要求配浆及压浆,压浆时注意观察有无串孔、漏浆,做好压浆记录。若串孔,立即检查原因,及时处理。
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