钢管拱桥系杆张拉控制关键技术

钢管拱桥系杆张拉控制关键技术摘要本文以郑州黄河公铁两用桥南岸跨大堤系杆拱桥为例，介绍了系杆张拉施工关键技术。本桥系杆设置于边箱内，采用填充式环氧钢绞线制作，长直钢管制孔。鉴于其设计特殊性，对张拉技术进行总结，为同类桥梁施工提供借鉴。

关键词钢管混凝土拱桥；系杆；摩阻测试；张拉控制；施工技术

中图分类号u44 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）44-0192-03

郑州黄河公铁两用桥桥南岸跨大堤钢管拱桥，设计为1m~92m提篮式钢管混凝土系杆拱桥，拱肋轴线跨度92m，失高18.4m，矢跨比为1/5。拱肋上、下弦采用φ1000mm×20mm钢管各1根，单片拱肋向内倾角为14.036°。

1 系杆设计

该桥由中铁大桥勘测设计院有限公司设计。系杆设置于两侧边箱中，每侧各8束，系杆孔道采用材质为q235b的热钢管，规格为146mm×8mm，系杆钢绞线采用15.2mm高强度低松弛环氧钢绞线，标准强度，弹性模量，系杆预应力束设计锚下控制应力。

设计孔道局部偏差影响系数、摩阻系数。系杆预应力束沿梁长通长直线布置，孔道长度为97m。锚具、锚垫板均为厂家提供的环氧钢绞线专用设备。

2 摩阻测试

鉴于设计的特殊性及考虑到施工过程的各种因素，对环氧钢绞线用22孔锚具和锚垫板及南岸跨大堤系杆拱桥的系杆预应力束的孔道摩阻进行现场测试。

2.1 测试原理

2.1.1锚具及锚垫板摩阻

锚具及锚垫板在现场试件上进行测试，张拉台座两端安装千斤顶及传感器。采用一端张拉，试验张拉控制应力为预应力钢绞线公称抗拉强度的0.8倍，用两侧传感器测出锚具或锚垫板前后拉力差值即为锚具锚口摩阻损失和锚垫板摩阻损失。

锚口及锚垫板摩阻按下列计算：

式中，p1、p2—分别为张拉端和被动端拉力值，可由测力穿心传感器测出，n—钢绞线根数，p—钢绞线公称抗拉强度，s—钢绞线公称截面积。

2.1.2 孔道摩阻

预应力钢束作曲线布置时，张拉时预应力钢筋与孔道接触并沿孔道滑动而产生摩擦力。曲线孔道摩擦应为孔道偏差效应与弯曲（曲率）效应之和。摩擦力在张拉端最小，并沿孔道逐渐增大。由孔道摩阻产生的预应力损失可分为长度影响和弯道影响两部分分别称为孔道偏差效应和曲率效应。

主动端荷载与被动端荷载之间关系在摩阻理论上应为线性关

系，因此可对每次张拉摩阻试验的主动端荷载与被动端荷载进行线性回归，根据摩阻理论公式。

（2）

其中： p、p0—分别为张拉主动端和被动端荷载；

θ、x —分别为孔道总弯起角(rad)和孔道总长度(m)；

μ、k —分别为钢束与孔道壁之间的摩擦系数和孔道偏差系数。

由前式可推得：（3）或（4）

由p和p0之间的线性方程式中的斜率可确定钢束的值，这样即可建立如下方程：

（5）

其中：i—指孔道数，。

若预应力束为直线布置，即，则可由式（5）直接得到；若预应力束为曲线布置，则必须借助两孔以上的测试结果利用最小二乘法计算得到μ、k。

试验存在误差是不可避免的。假定式（4）的误差为δ，则有

2.2.1 锚具和锚垫板摩阻测试

锚具和锚垫板摩阻测试是利用锚具和锚垫板在现场试件上进行的，测试的是22孔环氧钢绞线专用锚具及配套锚垫板，本次试验先测试锚垫板摩阻，然后合并测试锚具和锚垫板摩阻。试验装置如图3、图4所示。

测试结果如表1所示。

22－φ15.2环氧钢绞线试件锚圈口损失试验数据

2.2.2 孔道摩阻测试结果

本次试验采用的试验装置如图5所示。张拉千斤顶为ycw650型千斤顶，行程为200mm。压力传感器为湖南长沙三智公司的量程为5 000kn，灵敏度为1kn的szzx-t500b智能六弦数码穿心式压力传感器。为确保试验中千斤顶、压力传感器以及锚垫板三者中轴线重合，在两两之间配置相应的对中装置。试验时，两端同时记录应变仪的读数，以确保试验结果的可靠性。共测试了两个孔道，即x2、x7，其实测数据如下：（表2、表3）。

2.3 根据实测结果得出

1）环氧钢绞线锚具、锚垫板摩阻之和测试结果为4.5%，符合《铁路工程预应力筋用夹片式锚具、夹具和连接器技术条件规范》不大于6%要求。实际施工中，根据现场测试结果推算千斤顶总张拉吨位；

2）根据实测结果：郑州黄河公铁两用桥南岸跨大堤系杆拱桥的系杆预应力束的孔道偏差系数为k=0.0012；

3）由实测结果可以看出：系杆预应力束孔道摩阻较设计为小，而锚圈口损失则较普通预应力钢绞线用锚具锚垫板为大。

3 张拉顺序的确定

由于设计没有给出系杆张拉的具体顺序与实际锚下控制应力值，根据设计院提供的设计图纸，利用midas/civil有限元程序，建立了本桥的有限元计算模型，模型中将系杆的ea设置为无穷大，

ei设置为无穷小，分别计算出单片拱肋在不同施工阶段的水平推力，其值如表6所示。

施工工况阶段水平推力累计水平推力

1、空钢管694.00 694

2、浇注钢管内混凝土2187.14 12988

3、吊索张拉 10800.66

4、桥面系施工5297.87 9346

5、列车荷载作用下最大水平推力 4047.80

表6 单片拱肋施工阶段水平推力计算表（单位：kn）

通过工序转换要求对系杆张拉顺序进行确定：

按照施工顺序，第一批系杆的张拉主要考虑到空钢管架设完毕后产生的推力，其值为694kn，但由于本桥系梁为预应力混凝土刚性系梁，可以适当增加系杆拉力，为了便于施工，故，第一批每侧张拉两束系杆，即系杆x7、x2，产生的水平拉力为8 594kn。

第二批系杆张拉须考虑到钢管内浇注混凝土产生的水平推力、以及张拉系杆ds1到ds7后主梁自重转移到拱肋所产生的水平推力，其值为12 988kn。故，决定张拉三束系杆，即系杆x6、x1、x4，产生的水平拉力为12 891kn。由于第一阶段系杆拉力有富余，因此张拉完后系杆能平衡拱肋所产生的水平推力，并且仍有较大富余。

第三批张拉系杆考虑桥面系施工产生的水平推力，以及成桥投