斜拉橋索塔錨固區(qū)小半徑預(yù)應(yīng)力束布束方式探討

斜拉橋索塔錨固區(qū)小半徑預(yù)應(yīng)力束布束方式探討

在大傾角斜橋中，索塔錨索區(qū)的塔柱主要采用預(yù)制混凝土箱截面的形狀，充分考慮混凝土材料的材料特點，通過添加水平預(yù)測器平衡索索的強大浮力。過去應(yīng)用的水平束是井字形直線束,但因塔柱尺寸較小,使得束長較短,由于鋼束回縮和錨具變形引起的預(yù)應(yīng)力損失較大(據(jù)計算最大預(yù)應(yīng)力損失近40%),因而預(yù)應(yīng)力筋用量較多,特別是該區(qū)域索導(dǎo)管布置較密(一般最小間距1.5m左右),構(gòu)造鋼筋較多(特別是斜拉索錨固區(qū)),預(yù)應(yīng)力束的用量增多會使得塔柱構(gòu)造更加復(fù)雜,施工難度增大。近年發(fā)展起來的塑料波紋管和真空壓漿工藝給采用小曲率半徑U形預(yù)應(yīng)力束提供了有利條件。實際上,斜拉索錨固區(qū)采用大噸位U形預(yù)應(yīng)力束比布置井式直線束更為合理,利用率更高,可大大減少預(yù)應(yīng)力筋的用量,由此也可減少張拉和灌漿等高空作業(yè)的工作量。1斜拉索支護設(shè)計鄂黃長江大橋是主跨為480m的雙塔雙索面PC斜拉橋。主塔上塔柱錨索區(qū)的塔柱形狀是箱形截面,外形尺寸為7.0m×4.8m,順橋向壁厚為1.5m,橫橋向壁厚1.0m,最大斜拉索為7100kN,相應(yīng)索距1.5m,由斜拉索引起的順橋向水平力較大,設(shè)計采用U形預(yù)應(yīng)力束以抵抗強大的水平力,預(yù)應(yīng)力束的曲率半徑為1.6m,預(yù)應(yīng)力管道采用塑料波紋管,管道壓漿用真空吸漿工藝,為了合理應(yīng)用截面尺寸,充分發(fā)揮水平預(yù)應(yīng)力效應(yīng),設(shè)計時采用兩種布束方式以資比較。1.1順橋向預(yù)應(yīng)力的加強順橋向預(yù)應(yīng)力U形預(yù)應(yīng)力束開口于順橋向(圖1),這種布束方式主要考慮到塔的側(cè)壁比前壁薄,又是傳遞主塔兩側(cè)斜拉索力的主要連接段,因而加強順橋向預(yù)應(yīng)力。其布束特點是預(yù)應(yīng)力束沿塔高分層對稱布置,通過塔側(cè)壁的束數(shù)是通過塔束數(shù)的兩倍。1.2分層對稱布置U形預(yù)應(yīng)力束開口于橫橋向(圖2),預(yù)應(yīng)力束沿塔高方向分層對稱布置,通過塔前壁的預(yù)應(yīng)力束數(shù)是通過塔側(cè)壁束數(shù)的兩倍,這主要是考慮到塔錨固前壁直接承受斜拉索的作用,并存在應(yīng)力集中和索導(dǎo)管孔洞削弱,故同等程度考慮兩者重要性。2斜拉索錨固區(qū)的預(yù)應(yīng)力布束在建立有限元模型的基礎(chǔ)上,應(yīng)用通用有限元分析軟件,根據(jù)可能出現(xiàn)的幾種工況,逐一對錨固區(qū)進行了線彈性空間應(yīng)力分析,單元離散圖見圖3。為合理布束和合理確定施工順序提供依據(jù),通過計算分析,認為上塔柱錨固區(qū)的應(yīng)力狀況具有以下特點:1)塔前壁受力最為不利,斜拉索孔附近存在明顯的應(yīng)力集中,且表現(xiàn)出對索孔中心的顯著偏離,并具有不對稱性,這主要由斜拉索錨固槽深淺不一和索孔傾斜所致,布設(shè)預(yù)應(yīng)力束時,應(yīng)給予足夠的壓應(yīng)力儲備。2)塔側(cè)壁的應(yīng)力沿高度方向分布比較均勻,而沿橫斷面方向具有明顯的彎曲應(yīng)力特征,最小壓應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)壁外側(cè)表面,這可以通過預(yù)應(yīng)力束的布置加以調(diào)整,例如布束時可考慮靠近塔壁的外側(cè)布設(shè),以減少塔壁的彎曲應(yīng)力,使塔壁均勻受壓。3)無論在施工和運營階段,斜拉索錨固槽的上緣和側(cè)壁都出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力,這可以通過構(gòu)造措施加以克服,鄂黃大橋在此處設(shè)置了既做施工模板又可防裂的鋼錨固槽。4)從正應(yīng)力和主應(yīng)力的關(guān)系可知,索塔錨固區(qū)的受力以正應(yīng)力為主,只要控制住其正應(yīng)力分布,索塔錨固區(qū)的受力就可以得到有效控制。5)就索塔錨固區(qū)的預(yù)應(yīng)力布束方式而言,預(yù)應(yīng)力束張拉和斜拉索安裝可以分別進行,即可以全部張拉完預(yù)應(yīng)力束后,再進行斜拉索安裝,這在較大程度上方便了施工。6)不同的布束方式控制應(yīng)力在塔壁上出現(xiàn)的區(qū)域不同:順橋向布束時,出現(xiàn)在塔前壁對稱面外側(cè),橫橋向布束則出現(xiàn)在塔壁對稱外側(cè)。控制應(yīng)力隨布束方向的改變,固然與塔壁的厚度、截面的鋼束通過量、鋼束的平面線形等因素有關(guān),摩阻損失仍是影響小半徑預(yù)應(yīng)力束有效預(yù)應(yīng)力的重要因素。3方式二對塔前壁的影響就結(jié)構(gòu)受力而言,兩種布束方式都可行,都能夠給結(jié)構(gòu)一定的壓應(yīng)力儲備,但就結(jié)構(gòu)受力的合理性和材料用量來看,開口于橫橋向布置(方式二)明顯優(yōu)于開口于順橋向布置(方式一)。這是因為:1)在斜拉索力的作用下,塔前壁的受力最為不利,采用方式二布束時,加強了該區(qū)域的配束,保證了此處一定的壓應(yīng)力儲備。2)采用方式二布束,預(yù)應(yīng)力鋼束的數(shù)量比方式一少25%,而最小控制應(yīng)力卻比方式一的要大兩倍,可見采用方式二可以用較少的預(yù)應(yīng)力束獲得較大的應(yīng)力儲備。3)采用方式一布束時,側(cè)壁與前壁的壓應(yīng)力“兩極分化”,即側(cè)壁壓應(yīng)力偏大,而前壁壓應(yīng)力偏小,方式二明顯減少了兩者差距,使這種狀況得到改善,塔壁受力相對趨于合理。4)在預(yù)應(yīng)力束張拉階段,布束方式一會在塔壁內(nèi)側(cè)加腋處出現(xiàn)超過規(guī)范規(guī)定的壓應(yīng)力(即使是50號混凝土),因此必須分批張拉,而方式二就不存在這一情況。鑒于上述比較結(jié)果,鄂黃大橋在對上塔柱錨固區(qū)布束時,采用了開口于橫橋向的布束方式二。4預(yù)應(yīng)力筋張拉和定位索塔錨固區(qū)U形預(yù)應(yīng)力束施工是高空作業(yè),由于該區(qū)段受到斜拉索強大的集中作用,結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。預(yù)應(yīng)力筋束定位是否準(zhǔn)確,張拉是否到位,直接影響塔柱內(nèi)力,加之該區(qū)段鋼筋較多,又有勁性骨架,錨下局部加強鋼筋等干擾,施工難度較大。因此在施工前作了足尺模型試驗,對小半徑U形預(yù)應(yīng)力束的定位、穿束、張拉、真空吸漿工藝等進行了有益的探索,積累了一些經(jīng)驗,以指導(dǎo)上塔柱實橋施工操作。4.1預(yù)綁普通鋼筋采用合肥VSL公司的PT-PLUS塑料波紋管,波紋管的安裝定位沒有采用待勁性骨架、普通鋼筋完全施工到位后再穿入波紋管的施工方法,而是在勁性骨架焊接成形后就穿波紋管,然后再綁扎普通鋼筋,以提高孔道的安裝精度。塑料波紋管的剛度較大,在低溫狀態(tài)下自然彎曲成R=160cm的形狀有一定困難,且易產(chǎn)生折斷裂紋,施工采用噴燈火焰協(xié)助熱彎,在溫度稍高時,也可采用自然成形。4.2入頭用電膠布包裹足尺模型試驗時作了兩組試驗,一是將19根鋼絞線集成一束,穿入頭用電膠布包裹成錐形后一次穿束,二是把19根鋼束分成幾組,每4～6根一組分別穿束,經(jīng)試驗兩種方法均可行,但第二種方法既省力、又方便,更適用于高空作業(yè),施工時采用第二種方法。4.3張拉及伸長控制設(shè)計計算時預(yù)應(yīng)力束與塑料波紋管的摩擦系數(shù)μ=0.2,偏差系數(shù)K=0.001,提供的引伸量是扣除10%的初始拉力后90%的張拉力的引伸量。從足尺模型試驗和實際施工測試的數(shù)據(jù)中看出,實測伸長量普遍大于計算值。在總結(jié)了足尺模型試驗和實橋上測試結(jié)果的基礎(chǔ)上,經(jīng)過回歸分析,對實際施工操作過程作了嚴(yán)格要求,并對伸長量的控制值作了修正。①兩端張拉應(yīng)盡量同步,利用同一臺油泵同時控制同一束的兩端千斤頂。②嚴(yán)格控制各張拉荷載,確保張拉荷載的準(zhǔn)確性。③在正式張拉前,對預(yù)應(yīng)力束進行預(yù)張拉,預(yù)張拉為控制張拉力的25%。④合理確定初始張拉力和引伸量值,15-19型預(yù)應(yīng)力鋼絞線,以10%的張拉控制荷載為初始張拉力,伸長量計算取(103%-10%)σcon+(20%-10%)σcon時的伸長量之和,張拉控制伸長量外束為143.2mm,內(nèi)束為142.5mm,允許偏差±6%。對于15-12型預(yù)應(yīng)力鋼絞線束,以20%的控制張拉力作為初始荷載,伸長量計算取(103%-20%)σcon時的伸長量之和,張拉控制伸長量取118mm,允許偏差6%,通過以上施工過程的控制和初始張拉力的調(diào)整,實際施工結(jié)果除個別束外,絕大部分束的引伸量均能控制在允許范圍內(nèi)。4.4孔道壓漿、壓漿真空壓漿工藝中水泥漿的配合比與常規(guī)灌漿工藝差不多,鄂黃大橋采用525#水泥拌制水泥漿,PLOWcable膨脹劑按水泥重量的3%摻入,POZZlith緩凝劑按4mL/kg摻入,水灰比控制在0.33左右,稠度控制在20～30s之間,設(shè)計標(biāo)號為50號,采用真空壓漿專用攪拌機攪拌。灌漿前首先要檢查孔道的氣密性和真空泵的完好性。施工用真空泵在孔道的一端抽吸預(yù)應(yīng)力管道中的空氣,使真空度達到-0.08～-0.1MPa左右,然后在孔道的另一端用壓漿機以≥0.7MPa的正壓力將拌制好的水泥漿壓入孔道,以提高孔道內(nèi)水泥漿的飽和度,同時應(yīng)注意必須到出漿口水泥漿無夾帶氣泡時才可封堵壓漿口。在整個施工過程中,都應(yīng)嚴(yán)格按工藝要求實行質(zhì)量監(jiān)控。5錨固區(qū)局部應(yīng)力分析1)小半徑環(huán)向預(yù)應(yīng)力束用于箱形截面索塔錨固區(qū),預(yù)應(yīng)力材料用量省,并具有錨固點少、張拉工序少等優(yōu)點,不失為一種好的布束方式。2)索塔錨固段的主要功能是將拉索傳來的強大集中力傳遞到主塔整體結(jié)構(gòu)上,錨固區(qū)孔道的削弱和材料的不均勻性等因素,使之受力十分復(fù)雜。因此除了對索塔進行計算外,尤應(yīng)重視錨固區(qū)局部應(yīng)力分析,并根據(jù)應(yīng)力分析情