项目成果简介悬索桥锚碇预应力锚固系统单根可换索施工技术.doc

沪蓉西高速公路四渡河特大桥项目成果简介
--悬索桥锚碇预应力锚固系统单根可换索施工技术

一、项目简介
现代悬索桥主要由桥塔、锚碇、主缆、吊杆及加劲梁等部分组成，其中锚碇是悬索桥的主要承重受力结构，主缆通过锚固系统将拉力传递锚碇进行锚固。
目前悬索桥工程上常用的锚碇锚固系统为预应力锚固系统，具有锚固容易、使用方便的优点，其锚固预应力钢绞线通过压注水泥浆和管道握裹，永久锚固在锚碇体内，达到良好的锚固效果。但是，预应力钢绞线作为高应力材料，其耐腐蚀性很差。在高应力作用下，预应力锚固钢绞线一旦出现锈蚀后，先是一根锈断，接着就是连锁式一整束损毁。这种采用水泥浆握裹钢绞线的锚固形式在预应力钢绞线损毁后无法进行补救，当预应力钢绞线、破坏达一定的束数后，将危害到大桥的正常使用，缩短悬索桥的使用寿命。如何提高悬索桥锚固系统的使用寿命成为桥梁界一件棘手的问题，人们对此做了不少的尝试，但是仅从提高预应力预应力耐腐蚀性入手，效果不理想，国内相似的工程中还是出现锚固系统严重锈蚀而影响桥梁使用寿命的事件。为了提高锚碇锚固系统使用寿命的问题，近年来，国内外桥梁界提出在悬索桥运营过程中对出现锈蚀的钢绞线进行更换的理念，当锚碇锚体中的预应力钢绞线出现锈蚀以后，把出现锈蚀的钢绞线从预应力管道中退出，重新换上新的钢绞线，从而保证了锚碇预应力锚固系统的安全度，提高悬索桥的使用寿命。为了满足换索，预应力管道内的充填材料就不能再采用水泥浆之类的强锚固材料，只能充填无粘结防腐材料。
针对悬索桥运营过程中锚固系统钢绞线锈蚀问题，最初20世纪90年代初由欧美等国提出悬索桥运营过程中可以更换锚固预应力钢绞线的理念，20世纪90年代后期被我国加以应用发展。最初针对悬索桥锚固系统钢绞线锈蚀采取整束换索的工艺，每一束预应力管道采用一整根大口径直线钢管，其锚固系统钢绞线的更换采取整束进行更换。国内在建的武汉阳逻长江大桥和浙江西堠门大桥就是采用整束换索工艺。
中交路桥华南工程有限公司承建的湖北沪蓉西高速公路四渡河特大桥，锚碇预应力锚固系统设计为“环氧喷涂无粘结钢绞线+PE层+防腐石蜡+集束式蜂窝状钢管”的可换式锚固体系，可实现桥梁运行过程中的单根钢绞线换索，这在国内是第一次应用此技术。可以解决仅仅更换已经锈蚀的各根钢绞线、不需要更换整束钢绞线问题。这种满足悬索桥在运营过程中更换单根钢绞线的预应力管道，排列成一束，其断面为蜂窝状，故称之为悬索桥锚碇预应力锚固系统单根可换索蜂窝管。
二、技术特点及创新点
1 锚碇锚固系统单根可换索预应力体系技术特征
(1)预应力管道由若干根无缝小钢管排列成一束，成为蜂窝状断面，预应力钢绞线各行其道，可实现在大桥运营期间仅更换已经锈蚀的单根钢绞线，而不需要更换其他没有锈蚀的钢绞线。
(2)蜂窝管设计成“直线+弧线”组合，从前锚面至后锚面为直线段→弧线段→直线段整体外观上成“瓶状”，从而有效减小锚碇的规模。
(3)由于无缝钢管一般长6～9m，预应力管道只能分段进行加工，采用接头钢管接长，其接头密封是其中关键，以防止无粘结防腐材料渗漏。
(4)所采用的无粘结防腐材料，既要满足可压注性能要求又要防止发生渗透。
2 主要技术指标
2.1 预应力蜂窝管技术指标
(1)采用的无缝小钢管加工成蜂窝状断面的管道，必须确保接头密封，避免无粘结材料发生渗漏。
(2)无缝钢管之间采用塞焊固定成形，其中接头端必须全断面进行塞焊，直线段每隔0.5m左右进行点焊，要防止焊接变形尤其是莲藕状变形和扭转。
2.2 锚具与钢绞线的锚固性能技术指标
(1)张拉应力大于0.45σb工况下，夹片在张拉后只进行低应力一次的顶压即可。
(2)张拉应力小于0.45σb工况下，夹片在张拉后需要进行二次高应力的顶压。
2.3无粘结防腐材料技术指标
采用“优质微晶蜡＋白油＋塑料制剂”等调制而成的预应力专用防腐蜡作为锚碇锚固系统的防腐材料具有以下技术指标
(1)具有可逆性：经冷热转换，能保持原来的性能。滴熔点采用24℃，且必须加热熔化成液态后迅速压注，确保防腐蜡在管道中由液态静止、冷却后凝固成粘稠状、基本不流淌。
(2)在高温状态下不易流淌；
(3)卓越的防腐性能：对钢、铜、铝、锌具有优越的防腐性能；
(4)与橡胶和塑料具有兼容性；
(5)具有良好的抗氧稳定性；
(6)不含不稳定元素；
(7)对钢绞线而言可防止微动磨损现象发生；
(8)完全不溶于水，在压注时可防止水的入侵和乳化现象的发生。
预应力专用防腐蜡材料一般性能指标 表1
序号
检验项 目
指 标
试 验 方 法
1
外观
粘稠状
目测
2
密度，25℃
880－920kg/m3
密度计
3
滴熔点，℃
24℃
GB/T8026
4
运动粘度，100℃
16～21mm2/s
GB/T265
5
针入度，－20℃
无裂缝
GB/T269，ASTM D 27
6
铜片腐蚀3h，100
合格
ASTM D 4048
7
粘附性

与金属有良好的粘附性
8
机械杂质，％不大于
无
GB/T511
3 主要创新点
(1)预应力管道采取无缝小钢管，集束成蜂窝状断面，满足后期钢绞线单根可更换的需要；
(2)蜂窝管设计成“直线+弧线”组合，从前锚面为直线段→弧线段→直线段，整体外观上成"瓶状"。很大规模减小悬索桥的结构尺寸，减少投资，节约成本。
(3)预应力管道采取压注专用石蜡对钢绞线进行防腐，实现了可压注又能避免发生渗漏。
三、推广应用情况
20世纪90年代初由欧美等国提出悬索桥运营过程中可以更换锚固预应力筋的理念，20世纪90年代后期被我国加以应用发展。国内已经建成的武汉阳逻长江大桥、浙江舟山连岛工程西堠门大桥已经成功采用了整束换索体系，为单根换索技术提供了可供借鉴的检验。而国内第一次应用的单根可换索技术的湖北沪蓉西四渡河特大桥目前已经通车，通过本课题的研究，积累大量经验，该项技术已经成熟，可以大量推广应用。
由于悬索桥锚碇预应力锚固系统单根可换索工艺，不但可以解决仅仅更换已经锈蚀的各根钢绞线、不需要更换整束钢绞线问题，而且由于预应力管道采由如干根小管管集束成蜂窝管状断面，小钢管刚度较大口径的钢管刚度小得多，可以完成弯管，这样集束式蜂窝状得预应力管道，在锚碇前锚面位置设成弯管，从前锚面至后锚面为直线段→弧线段→直线段，整体外观上成瓶状”。这样可以很大程度上减小锚碇的规模，节省投资，减少大桥的造成成本。由于单根可换索具有非常明显的经济效益和技术优势，该种工艺被国内越来越多的设计者青睐，将会频繁地应用到悬索桥设计中去，在建的湖南矮寨特大悬索桥、湖南张花高速公路的澧水特大桥，以及完成设计的云南保滕高速公路龙江特大桥两岸锚碇预应力系统均采用单根可换索工艺。
四、效益分析
锚碇预应力锚固系统采取单根可换索蜂窝管作为预应力管道的悬索桥，每一束预应力管道由若干根无缝小钢管集束成蜂窝状，预应力管道设计成直线段和弧线段组合,使得预应力管道不需按主缆索股发散方向设置，极大减小锚碇结构尺寸。沪蓉西四渡河特大桥的锚碇预应力管道在靠近前锚面5m范围内设计成弯管，从前锚面至后锚面为直线段→弧线段→直线段，整体外观上成“瓶状”。其恩施岸重力式锚碇由此减少石方开挖量1.6万立方米，节省C30混凝土7800立方米，减少回填C20混凝土8200立方米；宜昌岸40m长隧道式锚碇由此减少石方开挖量1万立方米，节省C30混凝土1万立方米。同时,本桥锚碇的单根可换索蜂窝管预应力管道，克服了常规的预应力管道内压注水泥浆后钢绞线出现锈蚀无法换索的难题，提高桥梁的使用寿命。大桥成本总体节约1238.6万元左右。
单根可换索技术在依托工程四渡河特大桥的成功应用，形成了一套完成成果，该成果对相似桥梁的施工具有指导和借鉴意义。
五、评审（鉴定）、专利和获奖情况
1、技术奖励：《四渡河深切峡谷悬索桥关键技术研究》于2009年获得了中国公路学会科学技术奖一等奖，达到国际领先水平。
2、全国企业新纪录：《隧道锚拉拔模型试验》、《锚碇预应力体系采用喷涂环氧钢绞线单根可换式》四项科技成果先后于2006、2007年入选全国企业新纪录。
3、创新成果发表：《四渡河特大桥隧道式锚碇开挖支护工艺》、《四渡河特大桥重力式锚碇开挖爆破工艺》、《湖北沪蓉西四渡河特大桥难点工程施工方案介绍》、分别在《施工技术》、《公路》、全国公路科技创新高层论坛优秀论文上发表。

项目承担单位：中交路桥华南工程有限公司
参加单位：湖北沪蓉西高速公路建设指挥部、中交第二公路勘察设计研究院有限公司、柳州市威尔姆预应力有限公司