10-先张法预应力钢筋混凝土铁路桥梁螺杆体系工法

先张法预应力钢筋混凝土铁路桥梁螺杆体系(D、Z、L)工法 济南铁路局工程总公司我国铁路先张钢筋混凝土梁生产，最先在北方铁路桥梁厂采用“工具锚体系”，由于该体系在整体张拉工艺中存在着预应力钢铰线各束、根间应力锁定值不够准确和均匀，钢铰线损耗量较大，张拉安全可靠性小等问题，济南铁路局工程总公司经过多年研究，对张拉体系、工艺设备、工艺方法进行改进，首次开发了新的体系“螺杆体系”。1981年铁道部先张法预应力铁路钢筋混凝土桥梁技术研讨会对螺杆体系给予了充分肯定。经过几年来的实践改进，螺杆体系已能较好地克服旧体系(工具锚体系)的缺点。专项技术标准已被铁道部纳入先张法预应力钢筋混凝土铁路桥梁制造技术条件。有关张拉体系和工艺也被编入桥梁施工规范。本工艺已被南方铁路桥梁厂广泛采用。由于螺杆体系的设备部件较轻，为可搬式桥梁厂提供了有力条件，不仅可以降低造价，也减少了长途运梁给运输带来的干扰，具有较高的经济效益和社会效益。一、特点1.预加应力的质量好先张梁预应力的质量虽然受到较多因素的干扰，但采用本工法后能使预应力钢铰线的张拉锁定值准确，每束i15间和束中每根i15间的预应力值均匀性好，确保了施加预应力的质量，这也是预应力钢筋混凝土桥梁保证质量的重要指标。能进一步降低i15的松弛率，较大地减少i15在使用阶段的预应力松弛损失。2.工艺及工装设备较简单、适应性好、机动灵活性较强。能适应工厂内和工地现场等不同情况下的制梁；主要工装设备效能较高；现场制梁用钢管钢筋混凝土台座及钢端横梁等均系拆拼式，单件重量都在5t以内，工地只要有5t吊车就可进行全部拆拼作业。3.节约按本工法生产梁能使i15的工艺损耗大幅度降低，能节约目前国家产量还不高 ，价值又较贵的i15。大多数工装设备耐久性好，重复使用次数多，能节约制造用的原材料和成本费。4.作业安全可靠工艺和工装设备设计中较充分地考虑了作业安全，使施工中的人身安全得到保证。总之本工法在施工方面进一步扩大了先张法预应力钢筋混凝土工艺的优点，较好地克服了先张法自身的缺点，能使之得到推广应用和扩大先张预应力钢筋混凝土结构设计的应用范围。 二、适应范围1.本工法主要适用于重型大吨位(可至2000t)先张法预应力钢筋混凝土桥梁的制造。2.可用于较大跨度、重型先张法预应力钢筋混凝土桥梁制造。3.房屋或其它大型建筑中大跨度、重型预应力钢筋混凝土结构件的制造。4.承力台座可用钢筋混凝土构件厂内制梁的固定台座，也有根据工程施工需要的拆装式(可至1000t)钢管钢筋混凝土承力拉台座，以减少桥梁构件较长距离的运输，节省开支、提高经济效益。三、预应力钢铰线及工装设备1.预应力钢筋混凝土用钢铰线(1)国家标准GB5224-85及原部标准YB286-64中的各i15。(2)日本国工业标准JIS G3536-1984中的SWPR7A及SWPR7B(I 15.2)。(3)英国标准技术条件BS5896-1980中的7股标准i15.2。2.硬塑料套管用于预应力钢铰线在砼中消除与砼粘结力时的套管。(1)硬聚氯乙烯塑料管HG26365标准中253(0.38kg/m)系标准设计中采用的套管。SG7874标准中252.5(0.27kg/m)塑料管。(2)定制硬塑料管211.5mm或221.5mm的定尺长度管，系按梁标准设计图中各筋用套管要求的长度定做并专用。3.张拉台座(1)QT1400型大偏心自重平衡式台座该台座用于固定制梁厂，主要设计参数为：牛腿面间压柱全长54m(按一次制3片16m梁控制) 、两侧压拉中心距3.30m、额定张拉水平力N=1400t、额定偏心弯矩Mr=1500(tm)，自重平衡部分按1.5Me和相应长度按大偏心钢筋混凝土配筋，其余部分按中心受压配筋，自策平衡部分为夯实地基土，其它为刚性基础。(2)QT1000型钢钢筋混凝土压拉拆装式台座有两种形式：大偏心牛腿住平衡式台座，用于固定制梁厂。主要技术参数为：牛腿面压柱全长为56m(按3片16m梁控制)、最大张拉水平为N=1200t，最大偏心弯矩Me=800(tm)、两侧压拉中心距为3m，钢筋混凝土牛腿压拉自重按1.5Me设计平衡Me，中间采用法兰连接4267mm钢管钢筋混凝土中心压拉、每节4m长管砼中配劲性筋，使复合承载力和复合弹性模量Ehg有较大的提 高。小偏心牛腿柱平衡式台座，用于制梁厂外的工点临时预制场。主要技术参数：额定张拉水平力N=1000t，额定偏心弯矩Me=500(tm)，其它同工厂制梁的42674000mm钢管钢筋混凝土压住，特点为吊运移动灵活、拼拆迅速方便。4.单束张拉工装设备穿心式油压千斤顶，按工艺要求采用单作用(有回程)穿心式60t千斤顶，也可用yc-60型千斤顶代替。千斤顶用加长撑角或承力架，按满足张拉行程400500mm自行设计制造。加长工具螺杆及螺母，当采用yc-60型千斤顶时，原产品附带穿心螺杆满足不了工艺要求，必须采用自行设计制造的加长工具双头螺杆，材质为40Cr或45#钢并经相应热处理，螺纹采用M524，一端螺纹加长至500mm以上。螺母可用原商品代用。工具张拉头，为在张拉时将工具螺杆与锚固螺杆连接而设计制造，两端内螺纹分别为M524及M565，材质为热处理45#钢。5.2i15的连接、锚固工装设备(设计的额定张拉及锚固承载力为65t)(1)张拉锚固螺母，用于每束(24)i15预应力筋在端横梁外的钢锚板上锚固张拉 力。锚固螺杆分长、短两种，用调质热处理T285的45#钢制造，两端为M565螺纹并且其中一端 螺纹长度能适应张拉伸长L=400500m，螺杆长度为L=900m、1250mm或L=1250mm、1650mm 。锚固螺母用调质热处理T215或T235的45#钢制造。全台座视预应力筋束数及张拉工艺的确定 锚固螺杆、螺母的总数量。(2)中间连接器及端连接器，分别用于预应力筋束间的连接和锚固螺杆与预应力筋束的连接 。中间连接器，用调质热处理T235(215)45#钢114无缝钢管制作，L=240mm，两端内螺纹分 别为M983、左M983。端连接器，L=200mm，两端内螺纹均为M983，其余同中间连接器。端连接器总数量一般同“锚固螺杆”。中间连接器总数量按工艺确定，一般为端连接器的1. 52.5倍。(3)内外丝，用于锚固螺杆同端连接器的连接，用热处理45#钢制造，每件上有M983外螺纹 和M565内螺纹，每台座上总数量为端连接器用量。(4)23i15束用锚具铁道科学研究院设计的专桥202410通用图中的锚塞，用热轧45#钢或A3制造，可周转使用35次。螺纹锚圈，与上述锚塞配套使用，用调质热处理T285的45#钢制造，内孔锥度为15 ，大端直径为620.1mm，共有两种，分别与连接器连接的螺纹为M983和左M983。每 台座上的总数量分别为连接器和中间连接器数量。周转使用次数100次左右。81型夹片式锚具，有13i15用的三种，锚圈外部制有螺纹同连接器直接连接 ，锚固可靠性大，周转使用次数100次以上。(5)SY40型自作用顶压千斤顶，用于在i15无张拉力时自作用顶压紧固上述两类锚 具和拆除锚具中的i15束，能增加锚固强靠性和减少或消除i15在张拉 时的锚固构造变形。设计主要技术参数为：油压40MPa时，顶压力N顶=400kN。油压50MPa时N 顶=500kN。用于对“槽肖锚”或“81型夹片锚”的强力顶压及退肖退片工序。6.预拉 整放用千斤顶一般采用4台YQ500A型自锁油压千斤顶，亦可采用4台YQ320型千斤顶另自配锁定插垫。7.电动高压油泵可采用ZB4/500型或ZB71型高压油泵2台，可适应全部张拉工艺的要求。另配输油泵及适宜容量的辅助油箱，以满足各种张拉和工艺全过程各液压用油的要求。8.张拉锚固端横梁、锚钣及各千斤顶的吊、支架等按工艺要求规格性能进行设计制造。9.束筋钣可按构件结构设计及工艺要求制造，每台座用活动束筋板2块及固定束筋钣(用于与每片梁端模连接处)2n块(其中：n为每台座一次制梁的片数)。四、工艺流程1.工艺流程简图(见图1) 图1 工艺流程简图2.工艺简要说明(1)i 15一般用气割或砂轮切割机下料，粗下料为单根i 15按地面上的 长度尺寸标记下料，每台座用全部i15在硬化地面上按精确长度找齐后精确下料 ；粗下料长度公差为：公称尺寸20mm，精确下料为各i15相对长度差在5mm以内 ；当采用TB科研院设计的槽肖锚时，精确下料后应将i15端配610mm长度(热影 响区20mm)，端面用i15原材用气焊焊牢，外径17.5mm。(2)i15下料合格后，按规定要求除锈、除污。当采用进口带有水溶性防锈涂料( 或油质)时，可在硬化地面上筑槽(以高于i15为宜)并用流动水洗刷干净(用纸擦 拭无油渍、污印为准)。(3)向梁体钢筋骨架内穿i15时，应一前按设计图要求的位置、长度、顺序加上相 应的硬质塑料套管及束筋钣等，穿筋按先后上、先中间后两边的原则进行。(4)每束i15连接时中间连接器，靠台座端部方向为左M983螺纹，另向为M9 83螺纹，梁片间的中间接连器一端用左M983，另一端用M983螺纹锚圈即可； 变更梁长度时一般只更换专用工具i15束。每种梁跨不变时，每台只须顶 压连接梁用i15束两端的锚具。(5)长、短拉螺杆应相间排列，以利单束张拉。锚固后的张拉螺杆“锚固螺母”外螺杆的螺 纹长度分别为不少于60mm和30mm。(6)整体预拉时，各油压千斤顶行程应基本一致，整体放张的各千斤顶应由单独油路供油， 每个千斤顶以能旋拉锁定螺母为度(此时顶开间隙不大于0.5mm)，并且必须缓慢卸油放松， 确保预应力i15不冲击梁体砼，以保证i15在砼内的锚固质量。(7)单束i15的张拉应分别在台座两端进行短张拉螺杆，只在复核、调整、抽 查锁定的控制应力K值时方可视具体情况张拉长张拉螺杆，张拉、检查(抽查)i15束控制应力K时均应记录当时的环境气温。(8)灌注砼应在张拉或抽查(检查)K合格的2h内进行，否则应再抽查或调整K合格。(9)在台座上切断梁间的i15时宜左、右对称切割，并宜先切断套管长的i15。(10)整体放松i15时，应注意梁体在台座上纵向移动时的梁体稳定，要防止倾覆 ，高(有效高)、宽(梁底处)之比大于1.3的应加适量的防倾斜撑等。(11)K值的隐蔽工程检查时，宜采用精度为0.4级的精密油压表；有条件也宜用0.4级油压 表张拉锁定i15束或用0.4级表校正级表的锁定K时油原值。五、工艺装备的原理、作用及效果本工法的“张拉螺杆体系”是铁路桥涵设计规范TBJ2-85中“拉锚式体系”中的一种。 1.张拉台座长度的确定经过对工装、设备性能、制梁效率和模板用量的要求等综合进行技术经济分析论证后得出的较佳方案选择：有效长度(钢底模长度)为Im=50.6m；可按下列各种组合制3片16m梁(I16m=0.25+16m+1+16m+1+16m+0.25=50.5m)、2片20m梁(I20m=0.3+20m+1+20m+03=41.6m或I20m=0.3+2 0m+2+20m+03=42.6m)、3片12m梁(I12m=0.25+12m+1+12m+1+12m+0.25=38.5m或I12m=0.25+12m+2+12m+2+12m+0.25=40.5m)、4片10m梁(I10m=0.25+10m+1+10m+1+10m+1+10mm+0.25=43.5m 或I10m=0.25+10m+2+10m+2+10m+2+10mm+0.25=43.5m)、2片24m梁(I24m=0.6+24m+1+24m+0.3 =49.6m或I24m=0.3+24m+2+24m+0.3=50.6m)，在设计钢底模起吊节时应注意与之相适应即可。2.每束3i15或2i15中各i15应力较均匀的原理由于上述的二次下料使全台座每根i15的相对长度误差在5mm内，又在顶压锚固时 用锚外端部长度均匀相等来控制(比控制锚内、锚间长度均匀容易的多，一般都能做到)，所以在单束张拉时每束中各i15应力均匀性误差一般在2%以内。3.各束i15间应力均匀准确的处理由于台座端部钢横梁刚度大，又经过40%50%K的预拉，所以在单束张拉全完后，抽查复核不同时间(顺序)不同部位各束应力相对误差或与锚下控制应力K值的误差都在2%左右，各束K值的均匀性也有较可靠的复核、调整措施，所以均匀性有工艺保证。由于单束控制张拉力不太大，所用的千斤顶可预先和随时在试验室压力试验机中较准确地标定，比大千斤顶YQ500型等通过电阻应变仪和多个压力传感器间接传递压力值校正应力准确、方便、简单。4.进一步降低i15松弛预应力损失原理当采用国产i15制梁时，TB通用梁的设计中除要求预超拉外又按8%计算i15的松弛率，这是按(桥设规定TBJ285)在=0.7Ri/y条件下1000h松弛率的2倍，又水电 部电力建设研究所对i15的松弛率试验分析研究也有类似的结论，而实际在先张 梁制造时从张拉锚下控制应力R0.75Rj/y至放张的时间一般为47d又不尽相同，所以进 一步采用简易、方便的降低i15松弛预应力损失的措施也是有必要的，根据松弛 原理和有关单位研究结果在工法中提出抽查、检查锚下K值后24h内应灌注混凝土或超过24 h应重新抽查、检查或补拉足K值以进一步降低i15的松弛率(指降低引起梁内i15和混凝土预应力损失松弛率)。5.防止或减少“槽肖锚”滑丝飞肖的原理由于采取i15端头和端面气焊的方法，使i15在张拉(顶压)锚固时不 被压散股，因而减少了由于散股(这是滑丝、飞肖的重要原因)而造成影响安全的滑丝飞肖的 严重事件。由于经过预顶压肖使锚固力已达超拉KR=0.8Rj/y时对i15的锚固力，从而防 止滑丝、飞肖的发生。6.采用SY40型自作顶压千斤顶的作用及原理可消除张拉锚固时锚具的构造变形(主要是“锚塞”或“夹片”锚固i15时受力 后的滑移量)。在试验和制梁时测定，在张拉锚固时由于i15受力带动“锚塞”或“夹片”滑移 量的大小，受锚具加工精度、互换性、使用次数、锚卡i15位置等综合因素的影 响，随机离散性较大，每套锚具中滑移量一般1025mm。在“工具锚整拉”工艺中一般不使 用“连接器”，每束i15筋在台座上有2套锚具时，各束应力最大相对差为10%以 上，不但影响质量而且造成预超拉时有“滑丝、飞肖”或“断丝”情况发生，甚至超拉工序 也较难完成，如果使用“连接器”，一般每束i15有8套锚具，每束间i15应力差更大、应力更不均匀造成“滑丝”“断丝”情况更加频繁，一般都无法完成超拉 工序，i15应力质量就更差。使用预顶压来消除或减少锚具的构造变形，从而使 束间应力均匀，据1978年试验研究顶压“锚塞”力F与张拉i15力N的关系为F=N/( 1.251.40)，就是要满足超张力N=0.8Rj/yAy，三根i15束的F350400kN设 计了SY40型自作用顶压千斤顶以达到消除i15超拉锚具构造变形的要求，同时也 能使整体预拉时不会造成各束间有较大的应力不均匀。减少了单束预超拉时“倒顶”次数。本工法中的台座一端设4台整体放张用千斤顶，行程按满足放张要求控制，因为预顶压时消除了锚具的构造变形，所以在用放张行程整体预拉时除了能将i15自重下垂消除外，还能将i15拉至0.5K或以上，这样在 单束超张拉时所需i15增加的弹性变形值较少了，又无其它变形值伸长，因而就可减少单束预超拉时需要“倒顶的效数”。7.单束张拉又设整拉大千斤顶的原理通过设在张拉台座两端大千斤顶的整体预拉后，可使i15的预应力达到0.5K 左右，这样不但能将台座、千斤顶、横梁和锚板间的“构造间隙”压紧、消除，而且能取得 一部分(约50%)i15张拉弹性伸长、台座弹性压缩和横梁挠曲，使单束张拉时的伸 长值所需“倒顶”的次数减少、并使各束间锁定应力更均匀，从而能吸取“工具锚整拉工艺 ”的部分优点，更好地发挥张拉螺杆单束张拉的优越性。采用大千斤顶缩整拉和缓慢放张比采用“楔块放张”还增加了在i15张拉全过程中各工序随时处理故障的机动性和灵活性。8.由于“张拉螺杆体系”用螺母在台座端横梁外的锚板上锚固锁定，比“工具锚体系”更创造了锚下控制应力锁定后随时复核、调整、抽查、检查的条件，并且简便易行，如全面抽查或调整20m梁用的20束(3i15)只需2个多小时，一般检查5束在1h之内可完成。9.增多“锚夹具”重复使用次数的原理由于采用：“槽肖锚”时将螺纹锚圈的45#钢进行了合理有效地热处理，使一般“锚圈”使用610次，可提高至重复使用100次 由于预顶压“锚塞”或“夹片”和“后张法”工艺中只“顶肖”时i15的应力 状态完全不同，预顶压时i15的应力=0、顶压时“锚肖”或“夹片”与i15同步压程，所以没有相对的磨损只有挤压运动，因此能拉加周转重复次数。 81型夹片锚“夹片”齿部的硬度为HRC5862及HRC6065两种，比较i15表面H RC4045和进口i15表面HRC4045硬度大的多，为使夹持i15可靠， 加大齿部强度和增加耐磨性齿形也更加合理，再加上“顶压千斤顶”的自作用顶压特点，可 使“锚夹具”一次预“顶死”(即消除“构造变形”)所以比通用的XM型、QM型i15 锚具更加可靠、更适应先张法“锚夹具”重复使用的特点。用于制梁时只要正确使用(“ 顶压”和“退肖”)，一般可使用100200次(随“夹片”材料热处理的两种要求和i15硬度不同而使用次数可不同)。10.节约i15的原理采用“连接器”锚夹i15占用i15长度小和“工具i15”的 合理使用，以及台座上梁片间相邻支座中心距1m和2m(采用“连接器”时)可最有铲地利用各 种长度的i15，大大节约了价格较贵产量又较少的预应力钢铰线。据测算随梁跨 度不同“整拉、工具锚工艺体系”i15在台座上的呆料比重为31.557%，而本工 法工艺体系i15在台座上的呆料比重权为816%甚至更小，节约i15的效果基本上达到了最大限度(可能性)。11.由于张拉台座的压拉采用4267mm钢管钢筋混凝土分节制造，钢横梁可拆拼，混凝土 拌合及混凝土料斗、整体钢模、千斤顶等都在单件重5t以内，所以制梁现场除了用千斤顶，顶、移梁外，只有一台5t的汽车吊或其它类似的常用起重机机械就能满足现场制梁一切工序 的要求。12.增加制梁中人身安全可靠性原理(比“工具锚体系”而言)先张法制梁危及人身安全的工序仅在超张拉工序，发生的形式主要是“飞肖”“滑丝”和“断丝”，按本工法的工艺方法已基本可以杜绝，因为“飞肖”不会使“锚塞”飞出“连接器套筒”，“滑丝”的螺杆水平冲力被“端连接器”挡在“锚板内”。由于K应力准确、应力均匀一般也不会有“断丝”发生，所以只要在梁体骨架外台座上加角钢、钢筋制的防护罩，张拉人员操作时避开正对“锚固螺杆”方向，张拉无关人员不接近“张拉场地”，再加上一般采用夜间单束张拉，气温均匀，杂乱人员少等，所以危及人身安全的超张拉工序安全可以得到保证。六、劳动组织以钢筋工长或班长为主组成68人的预应力i15作业小组，在穿i15工序需普通工1218人协助作业，有些工序需气焊、气割设备及人员配合，有些工序需起重机配合。交该小组作业人员的各工序纳入制梁的“施工网络计划”中或确定合理的流水节拍和 合理搭接时间(或确定最小流水步距)按组织流水作业施工绘制出“横道图”(甘特图)用来指导制梁，将取得较高的劳动生产率和进一步选择较合理的制梁周期。七、工艺及工装设备的质量要求及标准1.承力的工装、设备(含压柱台座、大千斤顶、端横梁及锚板等)必须在强度和稳定性上与张拉各阶段的受力状况相适应，构造上满足张拉、立拆模板、混凝土灌注及顶移梁的要求；端横梁的最大挠度不宜