桥墩拼装工法用新型预应力锚固体系的开发与应用

苏 强 ，吴东明

（柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州 545006）

0 引言

随着城市化建设的逐步推进，城市高架、轻轨的施工任务越来越多，在这些基础设施建设中，预制拼装将成为最主要的施工方法，其中既有预制箱梁的上部结构拼装，还有预制立柱、预制盖梁、预制基台等下部结构的拼装。为承载需要，在很多情况下这些桥梁下部结构都设计有竖向的预应力锚固体系。国内外针对桥墩预制拼装中预应力锚固体系进行了较多研究，文献[1] 介绍了预应力节段预制桥墩基于性能的抗震设计方法4个方面系统梳理和总结了各国学者开展的相关研究，并指出了当前研究存在的问题和未来的发展方面，其中研究表明，预应力筋能提供更好的自复位能力，桥墩震后残余变形很少。文献[2] 介绍了节段拼装桥墩的应用、接缝分类及其力学性能、试验研究和理论研究方面的情况。文献[3] 介绍了无黏结预应力耗能钢筋预制节段拼装桥墩抗震性能研究，研究了预应力度、轴压比、普通钢筋和预应力筋配筋率等参数对墩柱抗震性能的影响。

目前国内外预制桥墩中的预应力锚固体系常用这几种体系：二次灌浆预应力锚固体系、U形预应力锚固体系、钢棒预应力锚固体系。

二次灌浆预应力锚固体系主要特点是在固定端采用二次灌浆锚具，见图1，张拉端为常规夹片式锚具。施工时在现浇的承台内预埋锚垫板和波纹管，钢绞线不预埋。当立柱和承台拼装后再从上往下穿入端部带有挤压头的钢绞线，钢绞线穿入后在底部先进行第一次灌浆把钢绞线粘结锚固住，待固定端中的浆体强度达到要求后在立柱顶端进行张拉锚固，最后进行二次灌浆注满整个孔道，该施工工艺类似于文献[4] [5] 中所述的一种类似地锚的锚索。二次灌浆预应力锚固体系主要缺点是索体结构较复杂，穿索后需二次灌浆，二次灌浆工艺不好控制。

图1 二次灌浆锚具

U形预应力锚固体系主要特点是在预制的构件中预埋锚下构件和管道，其中U形部份位于承台内，两竖直管道和锚下构件预埋于立柱内，见图2。当立柱和承台拼装后再穿入钢绞线，穿入后在两端进行张拉锚固，最后从下往上灌浆。U形预应力锚固体系主要缺点是穿钢绞线困难，特别是当U形的弯曲半径R较小或立柱较高时穿索更为困难，且需两端张拉锚固。

图2 U形预应力锚固体系

钢棒预应力锚固体系的主要特点是采用高强钢棒作为预应力筋，如1999年美国的Sarah L.Billington提出了适用于非抗震设防区的中小跨径桥梁的预制节段拼装下部结构体系，见图3。我国对于桥墩的预制装配技术的应用以前主要集中在跨海或跨江大桥中，如杭州湾大桥、东海大桥、上海长江大桥、金塘大桥、港珠澳大桥等特大桥，其中港珠澳大桥的桥墩设计了钢棒预应力锚固体系。钢棒预应力锚固体系主要缺点是钢棒须预埋和分段接长和锚固，相对钢绞线，钢棒强度较低，成本高。

图3 中小跨预制桥墩体系构造示意图

鉴于目前的预制桥墩中竖向预应力锚固体系结构复杂，施工工艺繁锁，周期长，成本高的缺陷，为适应城市高架、轻轨建设的需求，特别是满足桥墩预制拼装施工工艺的要求，迫切需要开发一种质量易保证、结构简单、施工方便快捷、成本较低的竖向预应力锚固体系。要求结构简单：只包括张拉端锚具、固定端锚具、索体和孔道，不含连接器。要求施工方便快捷：预应力筋无需预埋，预应力穿束、张拉锚固方便，无需二次灌浆。

1 新型预应力锚固体系结构设计

为达到开发目的，经研究提出一种新型预应力锚固体系。本新型预应力由张拉端锚具、固定端锚具、锚索及预埋管或预留孔道组成，不设置中间连接器，见图4。张拉端锚具设于立柱上端，其结构与常规张拉端锚具相同，由夹片、锚板、锚垫板及螺旋筋组成。固定端锚具设于承台内，其结构与常规固定端锚具不同，除锚垫板、螺旋筋外，还包括自锁结构、保护罩等组成，出厂前组装成一整体，见图5。锚索由钢绞线束、锚固套、导向头等组成，出厂前组装成一整体，见图6。

图4 新型预应力锚固体系

图5 固定端锚具结构

图6 锚索结构

从结构上看，本新型锚固体系与常规锚固体系不同之处在于固定端锚具及索体，主要特点是设计了具有滑块复位结构的固定端锚具和设计了具有锥面导向的索体锚头。此结构能实现对穿入索体的即时锚固（自锁）：当锚索头从上往下穿入孔道到达固定端锚具时，导向头在索体自重的作用下撑开滑块并使得整个锚固套进入到保护罩内，当锚固套全部进入到保护罩内时，滑块自动复位，形成了滑块对锚头端面的支承锚固作用，即实现了固定端锚具对锚索的即时锚固。本新型锚固体系具有即时锚固功能使得整个施工流程方便快捷：不需要先预埋锚索，不需要在固定端先灌浆锚固，不需要等待浆体强度达到要求才可以张拉钢绞线。

2 新型预应力锚固体系试验研究

为验证新型预应力锚固体系的锚固性能和安装工艺性能，进行了常用规格锚固体系模拟工程的工艺静载试验研究，试验参照GB/T14370《预应力筋用锚具、夹具和连接器》的要求进行。主要试验步聚如下：

（1）制作混凝土试件：把除锚索外的固定端锚具、张拉端锚具预埋件和管道在模板中安装定位，浇筑混凝土并养护到设计强度，见图7。

图7自锁式竖向预应力混凝土试件（单位：mm)

（2）锚索穿束：当混凝土强度达到设计强度后进行，把锚索（含导向头、锚固套、钢绞线束）从张拉端穿进混凝土试件的预埋管内，直至导向头和锚固套穿过固定端锚具的自锁结构进入保护罩内，见图8。

图8 锚索穿束

（3）静载试验：锚索穿入后，张拉端依次安装垫板、测力传感器、千斤顶、工作锚具。按GB/T14370《预应力筋用锚具、夹具和连接器》的要求进行静载试验，见图9。试验后拉出锚索，检查失效情况。

图9 静载试验示意图

经工艺静载试验研究表明：锚具安装方便，锚索穿束顺利，并能顺利实现自锁，锚具锚固性能可靠，各项指标达到标准要求：锚具效率系数ηA≥0.95，总应变 εapu≥2.0%，见表 1。

3 新型预应力锚固体系施工工艺设计

经研究该新型预应力锚固体系的主要施工流程设计为：预埋件埋设—立柱和基台拼装—索体穿束—锚具安装与张拉—灌浆与封锚。相对二次灌浆预应力锚固体系、U形预应力锚固体系、钢棒预应力锚固体系，该施工方便快捷：预应力筋无需预埋，预应力穿束、张拉锚固方便，无需二次灌浆。

步骤一：预埋件埋设

把固定端锚具整体安装在承台中，预埋管插入锚垫板止口并焊接密实，预埋管伸出承台端面；把进浆管与锚固端锚垫板及保护罩连接，保证连接处牢固密封，进浆管引出构件外面，见图10。当其它钢筋全部安装就位后浇筑混凝土。

表1 工艺静载试验结果

图10 固定端锚具预埋

把张拉端锚垫板、螺旋筋安装在立柱顶面，预埋管插入锚垫板止口并焊接密实，立柱下端预拼装槽口，见图11。当其它钢筋全部安装就位后浇筑混凝土。

图11 张拉端锚具预埋

步聚二：立柱和承台拼装

预制立柱运至现场后，按要求把立柱和承台拼装。拼装前检查各构件中的预埋管位置是否准确，是否有过大变形，内孔需清理干净。

步骤三：穿入锚索

穿索前确认索号是否正确，索体去除外包装后，吊装起索体，使索体锚头向下，依次从上往下穿入立柱和承台，锚头在固定端实现自锁。

步骤四：锚具安装和张拉

方法与常规锚具相同，在立柱顶部安装工作锚板和工作夹片，再安装张拉工具和设备。按控制张拉力张拉和锚固，张拉按双控原则。

步骤五：灌浆与封锚

由下往上灌浆，灌浆后在上端的凹槽内用浆体封锚。

4 工程应用

为了解该新型预应力锚固体系的实际工程应用效果，在上海市轨道交通5号线南延伸工程和成都三环扩能提升改造工程羊犀立交工程中设计了部份预制桥墩来试用，设计采用ZSM15-15型自锁式锚固体系，每个立柱中设4束预应力索。整个施工应用过程快捷方便，并已顺利完成，达到了设计和施工要求。图12为预制立柱现场起吊将与基台拼装，图13为在立柱顶部对已穿好的锚索进行张拉锚固。

图12 预制立柱起吊

图13 在立柱顶部张拉锚索

5 结论

通过对基于桥墩拼装工法开发的、具有即时锚固功能的预应力锚固体系的研究背景、结构设计、试验研究、施工工艺研究和工程应用等方面阐述，表明该新型预应力锚固体系结构设计巧妙、简单，锚固性能可靠，施工工艺简单，质量易保证，成本较低，能很好满足了桥墩预制拼装工法的需要，促进了我国桥墩预制拼装工法的发展，值得在类似工程中推广应用。