南京长江二桥索塔上塔柱后张大曲率U形预应力束施工工艺研究

一、南京长江二桥索塔环向预应力特点概述
1.索塔设计
南京长江二桥的主塔采用倒“Y”型空间索塔，塔柱底面高程为-5m，塔顶高程为190.41m，塔的总高度为195.41in，桥面以上塔的高跨比为0.23。索塔包括下、中、上塔柱和横梁。
2.塔柱设计
下塔柱从塔柱底面至塔柱下横梁转折点的高度为35.11m，中塔柱从塔柱下横梁转折点至中横梁底面的高度为95.30m，上塔柱从中横梁底面至塔顶的高度为65m。上塔柱为互相平行竖直向上的分离双柱。塔柱横桥向的空间宽度：下塔柱底面为26m，下横梁塔柱转折点为46.64m，中横梁底面至塔顶为14m。
塔柱采用非对称六边形空心薄壁断面：上塔柱断面尺寸为7.5m（顺桥向）* 4.5m（横桥向），壁厚为1.2m（横桥向）和0.6m（顺桥向）；中塔柱断面尺寸为7.5m（顺桥向）*4.5m（横桥向），壁厚为1.0m（顺桥向）和 0.8m（横桥向）；下塔柱断面尺寸由 12.0（m顺桥向） * 7.0m（横桥向）向上渐变至7.5m（顺桥向）* 4.5m（横桥向），壁厚 1.0m（顺桥向）和 10m（横桥向）。在中、上塔柱外测设有深0.3m，宽1.4m的装饰凹槽。上塔柱在斜拉索锚固区，采用环向预应力混凝土结构。为平衡斜拉索水平分布，沿塔柱高度配置了184束19φj15钢绞束（单塔）。上塔柱顺桥向内壁上设斜拉索锚块。塔柱竖向配置φ32的束筋和单筋，水平向配置φ20，φ16的箍筋和φ12，φ16的拉结筋。塔柱钢筋外加一层直径6mm的带肋钢筋焊接防裂钢筋网。
3.设计对塔柱施工提出的要求
（1）上塔往及上、中、下横梁混凝土必须达到设计强度85％时才能施加预应力。所有的预应力钢绞线采用两端同时张拉的施工工艺。由于U形预应力钢束的弯曲半径小，存在非弹性变形，因此张拉上塔柱U形预应力钢束时，要求按10％的设计控制张拉力先张拉一次，以减少非弹性变形影响。预应力钢束张拉均要求以张拉力和伸长量双控，以引伸量控制为主，伸长量的误差应控制在-5％～+10％以内，在测定引伸量时应扣除非弹性变形引起的全部引伸量值。在一束钢束内断丝不得大于1％。一根钢绞线中断丝不得超过一根钢丝。
（2）钢束张拉完毕，不允许撞击锚头，钢束一律用砂轮切割机切割，留下的锚头以外的钢束长度不小于3cm。
（3）穿钢束前应采用压缩空气或高压水清除管道杂质。预应力钢束张拉后24h内必须进行管道压浆。压浆采用真空辅助压装技术，真空压浆时必须确定在导管中没有水；在导管内正确达到并维持真空；在导管与周围环境和导管与导管之间没有裂缝；稀浆中没有空气；最后水泥浆标号不低于50号，必须有正确的稀浆混合料设计和设备。必须要有专业人员在现场配合施工。鉴于真空辅助压浆是一套新工艺，在正式实施之前应进行稀浆混合料配合比试验和真空压装工艺试验。

二、后张大曲率U形预应力施工工艺及相应配套工艺研究的内容
对比国内已建成的大跨径斜拉桥素塔的施工，南京长江二桥上塔柱的后张U形预应力施工有以下几个特点：
（1）上塔柱的平面U形预应力施工应满足锚固区段结构设计要求以及抗裂安全度和总体安全度的要求。
（2）在塔柱周壁中，布置了大吨位大曲率U形的预应力钢绞线束，其曲率半径为1.55m，每束钢绞线为19根，张拉力达37llkN。大吨位小曲率半径的短束中钢绞线应力不匀、张拉伸长值难以满足规范控制要求以及易断丝等短束效应。
（3）在高塔中，钢筋密集，有型钢劲性骨架，预应力孔道与张拉端的安装难度大，模板、钢筋和混凝土的施工要与预应力施工密切配合。
上述这些特点决定了南京长江二桥桥塔中首次采用了小曲率半径大吨位的U形预应力钢绞线束，在没有可借鉴的经验下，必须通过一系列施工工艺的研究，制定出合理的预应力张拉控制手段和控制指标，提出合适的预应力张拉操作工艺，并对与U形预应力施工相配套的模板和钢筋等的安装制定相应的实施方案。

三、塔柱周壁内预应力孔道留设施工工艺研究
塔柱中的锚固区段，应力集中，为控制裂缝，采用了后张有粘结U形预应力。南京长江二桥的U形预应力特点为：由曲率半径为1.55m的U形钢束交互而成（图1）。

l.留孔材料选择
对于小曲率半径的预应力索的留孔，有三种留设方法可供对比选择：
（1）采用薄壁铜管留孔
该方法的优点是：
①留孔质量易保证，孔道不易振瘪，不易漏浆堵孔；
②安装钢筋、焊接动性骨架以及安装锚束块时不易被焊渣烧伤留孔材料；
③19根钢绞线可采用"后穿法"穿入，即浇混凝土前预埋钢管，混凝土浇筑拆模后，在预应力张拉前穿入钢绞线索，这对桥塔清水混凝土支模特别有利。国内已建成的上海杨浦大桥的上塔柱拉索锚固段即采用了钢管留孔。
但是钢管留孔的主要缺点是：
①孔道摩擦力偏大。由本项目的上塔柱 1：1模型试验表明了当k=0.001时，μ值为0.35左右，由此，在拉索节点块处，建立的有效预应力值偏小。
②钢管弯曲成形以及安装固定有一定难度，特别是曲率半径为 1.55m的圆弧段钢管弯曲耗时耗费人工。每节劲性骨架的焊接安装与钢管穿入安装矛盾较大，影响安装速度。
③薄壁无缝钢管留孔，每米价格略高。
（2）采用金属螺旋波纹管留孔
该方法突出的优点是：
①易弯曲成型。在塔柱内劲性骨架焊接拼装成形后，由带钢卷制成的金属螺旋波纹管可很方便地边穿入边弯曲成型。
②孔道摩擦力不大。由本项目上塔柱1：1模型试验表明了当k=0.001时，μ值为0.24左右。
③金属波纹管留孔每米价格低，经济好。
但是金属波纹管目孔的主要缺点是：
①管道刚度略差，易漏浆或被振动棒振瘪引起堵孔，易偏位，摩擦损失波动性略大。
②管壁约为0.3mm，在施工过程中易被焊接熔化的焊渣烧穿，同时小曲率半径在弯曲时易开裂。
③必须采用浇混凝土前先穿入钢绞线束方法，这对支模不利。小曲率半径的金属波纹管穿束有一定难度，穿束头易损伤壁很薄的金属波纹管。
（3）采用塑料波纹管留孔
在南京长江二桥索塔施工中，国内首先采用了VSL公司生产的PT-PLUS塑料波纹管留孔。
该方法突出的优点是：
①孔道摩擦力小。由本项目进行的上塔柱1： 1模型试验表明，当是k=0.001时，μ值约为0.20左右。
②塑料波纹管的刚度较好，在混凝土浇筑过程中不易振瘪，也不易被焊条焊渣烧穿。
③可采用后穿束工艺，便于模板施工。
④防腐蚀性好，全封闭能消除钢绞线束与塑料管之间疲劳磨损。
该方法的缺点是：
①经济指标差，每米长度价格昂贵（国产化后价格将大大降低）。
②波纹管有一定弹性，小曲率半径弯曲有一定难度，易回弹。
针对上述三种留孔材料，在试验研究的基础上，经综合对比，为确保工程质量以及减少孔道摩擦损失，保证锚固区有效预应力值的建立，选用了PT-PLUS塑料波纹管成孔。
在南京长江二桥上采用的塑料波纹管的主要指标见表1。

2.塑料波纹管的安装工艺研究
在南京长江二桥塔柱中大曲率的U形预应力钢束全部采用VSL公司的PT-PLUS塑料波纹管留孔。由于PT－PLUS塑料波纹管为一种新型留孔材料，在国内斜拉桥索塔中首次使用。所以，项目组结合1：1至上塔柱模型试验，对塑料波纹管的弯曲成型以及安装到劲性骨架中的施工工艺进行了一系列研究。
（1）塑料波纹管的弯曲成形
由VSL公司的资料表明，对于U形束，与19根φ15.24钢绞线钢束相匹配，φ110塑料波纹管的弯曲半径最小可为1300mm。但是在1：1塔柱模型工艺性试验中，对φ100塑料波纹管试弯曲表明，PT-PLUS管的刚度较大，在力作用下产生的变形几乎是弹性的，且其外壁上分布着与穿管运动方向垂直的环形肋（高5mm），塑料波纹管要穿入已初步成形的塔柱钢筋箱内有很大困难，特别是在U形束的大曲率部位，塑料波纹管难以弯曲至设计的弯曲半径。南京的冬天气温低，塑料变硬，当时需很多人共同协助，才能将塑料波纹管穿入已成型的钢筋笼，并使其安装到位。
在1：1模型塑料波纹管的试验安装固定中，由于当时的气温为2～9℃，外界气温低，塑料波纹管变硬，当弯曲至设计弯曲半径时，发生了内壁压屈弯折现象。在以后另几根塑料波纹管安装中，又发生了在对接接头附近产生压屈弯折现象。
通过南京长江二桥1：1上塔柱模型内U形塑料波纹管的试安装，得出以下结论：塑料波纹管的顺利安装与否将影响上塔柱的施工速度，不能采用持塔往内劲性骨架以及钢筋基本安装到位后再穿入塑料波纹管的施工方法，应采用在劲性骨架焊接成型时即实施塑料波纹管安装定位，以提高孔道安装精度和节省现场施工时间，预计可缩短每节塔柱施工周期约16～24h。
实际上塔柱施工中，采用了工艺试验研究中建议的塑料波纹管安装方法。
塑料波纹管弯曲成R＝1.55m的形状有一定难度，如何方便地弯曲成形，项目研究组提
供了两种方法。第一种为采用弹簧衬圈协助弯曲，以防弯曲过程中内侧压屈弯折，另一种方
法为采用喷灯用火焰协助热弯。经试验表明，第二种方法简单易行，且能保证弯曲成形质
量。 上塔珠施工中，全部 U形塑料波纹管的 R＝1.55m圆弧段的弯曲全用喷灯火焰热弯
后，预安装入劲性骨架（图2）。

（2）塑料波纹管的连接以及与铸铁承压板门的密封
塑料小纹管的连接有两种方式，第一种采用热挤压连接，即用电热板对波纹管两连接端口进行加热，加热至热塑状态时，迅速抽去加热板，适当施加挤压力使两端口热挤成整体塑料波纹管的另一种连接方式为采用卡套接头，用两个半圆状接头管，将两波纹管端头连接在一起。在卡套接头内为防止漏浆，另采用密封圈密封。南京长江二桥上塔柱施工中，每孔U形塑料波纹管的长度为17m左右，采用8.5m长为一段，两段对接，接口用卡套接头，接头位于两圆弧段相交的500mm长直线段处。

四、塔柱大曲率U形预应力钢束穿束施工工艺研究
南京长江二桥上塔柱的周壁布置了曲率半径为 1.55m的大曲率 U形预应力钢束，每束预应力筋为19φj5.24的强度级别为1860N／平方毫米的低松弛钢绞线。
由于19根钢绞线成束有一定刚度，能否顺利弯曲成形，能否顺利穿束以及如何安排穿束时机成为项目研究组攻关的关键。
1.19φj15.2钢束的弯曲成形试验
为摸清由19根φj15.2的高强度低松弛钢绞线组成的钢绞线束能否顺利弯曲成 R＝1.55m的曲线状，项目组首先在东南大学结构试验室下料 19根φj15.24钢绞线捆扎成一束，在手动葫芦的帮助下，在地面上弯曲成南京二桥塔柱中设计要求的U形束状，证明能弯曲，但难度较大。项目组随后又在湖南路桥公司南京长江二桥基地用φ100的无缝钢管弯曲成设计的 U形状，将19φj15.2钢绞线理顺成束，头部在钢丝绳牵引下，穿入了钢管。初步的摸索试验证明 R=1.55m的 U形状管道能穿入19φj15.24钢绞线。
2.19φj15.2钢束穿入时机的确定
在南京长江二桥1：1桥塔模型工艺试验中，根据预应力钢束穿入留孔管道的时机不同，研究采用三种方法：
（1）方法之一为钢绞线束与孔道同时安装在劲性骨架中，随劲性骨架整体吊装就位。
该方法的工厂化程度高，可在江面施工平台上安装作业，减轻在高空的波纹管安装以及穿束的作业量。但这种方法对塔吊的吊装能力要求高，在张拉端部，穿入管道的钢绞线外露约100mm，对模板的封模严密性有影响，易漏浆，影响桥塔清水混凝土的外观。
（2）方法之二为随桥塔施工时，在绑扎钢筋初步成型后安装塑料波纹管道，在封模前或封模后，浇筑混凝土前，穿入预应力钢绞线束，即典型的“先穿束法”。这种方法优点为确保波纹管不因堵孔而难以寄入钢绞线，浇混凝土时波纹管内有钢束作支撑，波纹管的刚度好，不易变形，也不易上浮。缺点主要为先穿入钢束后，钢束外露，模板在张拉端部的封闭严密不能保证，易漏浆。
（3）方法之三为波纹管先安装在劲性骨架中，在吊至塔柱上，钢筋绑扎，混凝土浇筑后，在预应力张拉前将钢束穿入孔道，即典型的“后穿法”。此种方法最大优点是在张拉端部模板封闭严密，不易漏浆，穿束时间可以与塔柱钢筋安装和波纹管安装以及混凝土浇筑时间错开，提高了工效。同时预应力钢绞线在高温天气中，若在孔道放置过长的时间，会严重锈蚀。这种方法可避免出现该问题。
经上述三种穿入方法的对比，最后采用第三种方法，即"后穿法"施工，并充分利用了塑料波纹管刚度较好、不易变形的优点。
3.预应力钢束穿入方法的确定
根据19根钢绞线束穿入方法的不同，可分为整束穿入法和单根穿入法。在1：1桥塔模型工艺试验中，对整束穿入法和单根穿入法进行了比较。
整束穿入法的方法为钢绞线理成束，端部用氧焊并打磨成弹头状，并焊一牵引环，用钢丝绳作牵引。l：1模型的试验段，对两根U形钢管管道的孔道穿束作了整束穿入试验，安装在牵引头的拉力计显示，整束穿入的牵引力为1.5t。在这种牵引力作用下，要求套管的刚度好，预应力管道的定位筋间距密，安装牢固，以抵抗穿束引起的冲击力以及牵引力。
单根穿入法的方法为在单根钢绞线头部套上刚性子弹头帽，采用人工将钢绞线逐根穿人管道。在1：1塔柱模型中，对PT-PLUS塑料管均采用单根穿入法穿钢绞线，每个孔道穿束的时间约为10min，穿入最后几根时略费力，但能穿入。

经工艺试验对比，确定南京长江二桥的上塔柱U形钢束采用单根穿入法穿钢绞线，以节省材料（不用切去焊接成整束的牵引头）和穿束时间。

五、塔柱大曲率U形预应力钢索张拉施工工艺研究
最近几年，在大跨径斜拉桥的索塔上塔柱中，在拉索锚固区中施加U形预应力成为新的热点，南京长江二桥U形预应力与已施工的上海杨浦大桥U形预应力的对比见表2。

由表2对比表明，南京长江二桥为国内首次在上塔柱段全面采用大吨位的U形预应力束，并采用PT-PLUS塑料被管留孔，在预应力钢索张拉方面突出的难点有：
（1）用塑料波纹管留孔大曲率的U形束张拉，其摩擦系数随曲率半径减小而增大对张拉伸位值有影响。
（2）由直线段和大曲率圆弧段组成的U形束，束的内圈与外圈其长度有差异，钢绞线内的张拉力有差异，短束效应与小曲率半径束效应综合在一起，伸长值不宜按规范现有计算方法确定。
1.U形预应力筋张拉伸长值的研究
近年来FIP的学术讨论会上，关于张拉控制，特别是张拉应力与张拉伸长值的关系问题一直是工程技术人员和专家学者争论的焦点，在一些类似二桥索塔的特殊预应力筋现场伸长值的控制要花费较大的人力与物力。
现行施工规范给出了通常情形下的张拉伸长值的理论计算方法，但对于曲率半径小于6m的预应力筋，一是摩擦系数随曲率半径的减小而增大，二是由于预应力筋中每根钢绞线受力不均匀，其伸长值偏长，故不能采用。
（1）摩擦系数μ
在通常的预应力工程中，设计者通常假定μ是一个定值，仅与成孔材料及预应力钢材有关，不考虑每束预应力筋中钢绞线的数量、张拉力的吨位和曲率半径的影响。但在曲率半径较小的情况下，预应力筋在同样的张拉控制应力下，产生的径向等效荷载很大，在较大的径向力作用下，预应力筋将有陷入孔道内壁的趋势，将增大摩擦系数，同时，随着预应力筋根数
的增加，预应力钢绞线之间，钢绞线与孔壁之间的摩擦系数不同。这些因素都将引起摩擦系数μ综合值的增大。根据国外有关学者的研究表明，随着曲率半径的减小，预应力筋数量的增加，钢绞线在孔道中的充满系数不同，摩擦系数μ将增加10％～40％。故这种U形预应力筋的实际摩擦系数综合值应由试验确定。
（2）伸长值的计算

：1模型实验得到。
结合上塔柱1：1模型段的试张拉试验，试验得出的二桥U形PT-PLUS塑料波纹管的k，μ值与VSL公司建议值有差异，其对比见表3。

由表3对比表明，小曲率半径的U形束与常规曲线束有差异，在k=0.001的条件下，μ值偏大，所以实际工程控制的张拉伸长计算值必须采用同条件试验所得的k，μ值。在1：1模型试验中，还测出塑料波纹管对张拉力的传递有一延缓传力过程，即在张拉端的张拉吨位达到设计值后，固定端经摩擦损失后的吨位随时间延长略有提高，这说明钢绞线与小曲率半径处的塑料波纹管在摩擦，并因钢绞线少量磨去塑料管壁厚度而增加了滑移，即摩阻力在减小，这滞后效应得到利用可提高预应力圆弧段处的有效预应力，因此，通过试验，定出张拉程序为：
0→1.00σk（持荷 5min）→回油放松
2．初张拉力
在《公路桥涵施工技术规范》（JTJ04189）中规定，一般预应力钢束的张拉程序为：

结合南京长江二桥上塔柱的大曲率U形束，采用塑料波纹管的1：1模型试验张拉结果见表4。

由试张拉表明，当初张拉力为20％σk或25％σk时，各孔道的张拉伸长值基本接近。由孔道摩擦试验也表明，采用塑料波纹管，当张拉端的张拉为37llkN时，至固定端的平均张拉力为 2030.75kN。
结合实际张拉情况，U形束采用两端张拉，至U形圆弧段中间截面处的摩擦损失率：

这与试验所得的张拉伸长值测定结果相吻合。由此，为保证在初张拉力时测验定伸长值的起点在相对线性关系较好的起点上，由试验研究分析结果确定的上塔柱U形束实际张拉程度应为：
0→0.2σk（读初读数）→1.0σk（持荷5min，测最后伸长值）→回油放松

六、张拉与张拉质量控制
南京长江二桥的南汊桥的南、北两索塔，每上塔柱有大吨位大曲率的U形预应力环向束用46对92束，预应力张拉采用400t千斤顶。按项目研究组提出的张拉程序进行张拉，其实际张拉伸长值与试验测定的伸长值接近。
在桥塔的实际预应力张拉中，执行了以下操作工艺：
（1）在张拉前，对张拉用的千斤顶作标定，配套的油压表为0.4级的精密压力表。
（2）在拆模后，预应力张拉前，将19根钢绞线逐根穿人塑料波纹管。
（3）对钢束的两端分别安装上 VSL EC型 -19锚具，安装工作锚夹片时，注意将夹片缝隙拨均匀，并用钢管击紧夹片。
（4）安装千斤顶以及千斤顶尾部工具锚。
（5）两端千斤顶同时按张拉程序张拉以及同步张拉，量测初伸长值、中间各级伸长值以及最终伸长值。
对南京二桥桥塔的大吨位大曲率U形预应力钢束张拉，现场实施以下张拉质量控制指标：
（1）锚具安装的夹片要求均匀，击紧；
（2）张拉时的油压表与千斤顶必须配套，标定符合要求；
（3）张拉程序为：
0→0.2σk（读初读数）→1.0σk（持荷5min，测最后伸长值）→回油放松
（4）采用PT-PLUS塑料波纹管的U形钢束张拉控制以应力控制为主，对伸长值作校核。
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