CN101215822A - 悬索桥锚碇可更换式预应力的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬索桥锚碇可更换式预应力的方法及装置，其步骤，一是设计阶段满足的先决条件，整束预应力满足主缆索股持久状况安全性条件，且整束预应力满足其中n′根被抽换放松时短暂状况安全性条件；二是后期判断换索的条件；三是更换方式为抽换方式，一次放松的股数不大于n′；四是换索方法，换索采用单根或多根抽换的方式进行，退锚的根数n′要满足短暂状况安全性条件。装置包括蜂窝式预埋管、预应力筋、锚垫板，锚板、夹片、防松挡板、防护罩、锚下螺旋钢筋、防腐油脂、六边形钢套管、防漏端板、外包六边形钢管、圆形钢套管。本发明方法简便，更换方便、安全，结构简单，稳定可靠，有力地实现了整束预应力筋可维护，提高了大桥的安全性和可靠性。

Description

悬索桥锚碇可更换式预应力的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于悬索桥锚碇的预应力技术领域，更具体涉及一种悬索桥锚碇可更换式预应力的方法，同时还涉及桥锚碇可更换式预应力的装置，在保持与悬索桥主缆索股有效锚固、保证大桥安全的前提下，对构成整束预应力的多股预应力筋进行替换，从而实现大桥后期可维护性的无粘结预应力构造。

背景技术

锚碇是悬索桥受力、承载的关键结构，它起着传递主缆拉力到基础的作用。从锚碇与地基基础之间的传力方式一般分为重力式锚碇和隧道式锚碇两类。重力式锚碇依靠锚碇自重平衡主缆的巨大拉力，隧道式锚碇利用锚碇与其周围岩体的共同作用，锚固主缆。

悬索桥主缆拉力巨大，锚碇一般为大体积混凝土结构，在主缆拉力作用下，锚碇会产生很大的拉应力而导致混凝土开裂，故而需要对锚碇施加预应力，以抵抗主缆拉力产生的拉应力，保证结构的安全。

现代悬索桥锚碇多采用预应力体系，现有锚碇预应力体系有两种：有粘结体系和无粘接体系。

锚碇有粘结预应力体系，与通常的后张法预应力相似：在浇注锚体混凝土时采用钢管、或金属波纹管、或塑料波纹管在混凝土中预留出预应力钢束穿行的管路，在前后锚面混凝土中预埋能传递巨大压力的垫板，在混凝土达到一定强度后，将预应力钢束(预应力筋)穿过预留的管路，采用液压式千斤顶张拉预应力钢束至一定的吨位、应力水平，最后通过锚具将液压式千斤顶张拉力转加到前后锚面混凝土中预埋的垫板上，从而对锚体混凝土施加了预压力。通过锚具与主缆束股的连接，将主缆力传递到锚体。其特点是，在预应力张拉完成后，对预应力管道、锚头灌注水泥沙浆或环氧沙浆，沙浆与预应力钢束形成永久粘接，使预应力钢束与锚体成为整体，同时沙浆与预应力钢束的粘接、密闭对预应力钢束起到防腐作用。

灌注沙浆的有粘结预应力体系的主要不足是：(1)检测、维护困难，难以对预应力钢束实际腐蚀情况作出准确的判断；(2)由于沙浆固化后收缩的影响，难免出现微裂缝，防腐不可靠；(3)预应力钢束及锚固夹片通过沙浆固化粘接在一起，无法在保证结构完整性的前提下进行更换和维护，是“一次性”的预应力体系。

针对有粘结预应力方式防腐性、检测性不佳的缺点，人们提出了无粘接的预应力方式，常规无粘接的预应力的结构和功能要点是：在浇注锚体混凝土时采用气密性较好的钢管在混凝土中预留出预应力钢束穿行的管路，在前后锚面混凝土中预埋能传递巨大压力的垫板，在混凝土达到一定强度后，将预应力钢束(高强度钢丝或预应力筋)穿过预留的管路，采用液压式千斤顶张拉预应力钢束至一定的吨位、应力水平，最后通过锚具将液压式千斤顶张拉力转加到前后锚面混凝土中预埋的垫板上，从而对锚体混凝土施加了预压力，通过锚具与主缆束股的连接，将主缆力传递到锚体。其特点是，在预应力张拉完成后，对预应力管道、锚头灌注防腐油脂，通过防腐油脂进行防护，预应力钢束与周围混凝土没有粘接。

悬索桥锚碇常规无粘结预应力体系的主要不足是：由于组成预应力钢束的束股多，穿束、张拉时易打绞，且曲线段相互挤紧，因此不能部分抽换，不能进行安全的更换操作，可维护性与有粘接体系相比没有改善。

总的说来，传统的锚碇预应力体系，存在的主要不足是：检测、维护困难，不能在保证大桥安全的前提下实现钢束、夹片的更换维护操作，一旦预应力钢束及夹片发生腐蚀损坏，整个大桥的安全和耐久性将受到严重影响。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种悬索桥锚碇可更换式预应力的方法，方法简便，更换方便，有力地实现了整束预应力筋可维护，更换安全，稳定可靠。

本发明的目的另一个是在于提供了一种悬索桥锚碇可更换式预应力装置，结构简单，更换方便，钢束各索股可在各自管道中分别通过的蜂窝式预埋管道实现安全换索，在保证大桥安全的前提下，实现悬索桥锚碇预应力的可更换操作，提高了锚碇及主缆锚固系统的可维护性，最终提高了大桥的安全性和可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种悬索桥锚碇可更换式预应力设计方法包括两个设计应满足的先决条件、一个后期换索判断条件和换索方法：

1、设计阶段必须满足的两个先决条件

设与某束预应力对应的主缆索股在成桥运营阶段(桥梁设计规范称之为持久状况)的最大拉力为P，在成桥检修更换时通过控制车辆通行该主缆索股拉力为P′，预应力束有效锚固力为F，预应力束索股数为n，为实现可更换，应满足两个条件：

1)整束预应力满足主缆索股持久状况安全性条件

F＞k*P                   (公式1)

其中k为持久状况锚固系统安全系数，一般为1.2～1.5

2)单根或多根抽换时满足主缆索股短暂状况安全性条件

假设抽换时同时放松的股数为n′(一般取1)，偏安全地，按n′+1根索股退出工作考虑：

$\frac{n-(n^{\′}+1)k^{\′\′}}{n}F>k^{\′}{P}^{\′}$ (公式2)

其中，k′为短暂状况锚固系统安全系数，一般为1.2

k″为索股张拉时的不均匀系数，按实验确定，一般取1.1

则设计或成桥时整束预应力有效锚固力F应满足：

$F>k^{\′}{P}^{\′}\frac{n}{n-(n^{\′}+1)k^{\′\′}}$ (公式3)

2、后期判断需要换索的条件

设某束预应力的初始有效锚固力为F，通过长期健康监控发现该束有效锚固力减小为F′，则当下列条件成立时，表示整束预应力(索股数n)中已有n′个当量的索股发生了腐蚀、断裂，达到了对该束进行更换(同时放松的股数为n′)的条件。

$F(1-\frac{n^{\′}}{{\mathrm{nk}}^{\′\′}})\≤F^{\′}\≤F(1-\frac{(n^{\′}-1)}{{\mathrm{nk}}^{\′\′}})$ (公式4)

其中n、n′、F、k′、k″等符号意义同前。

3、更换方式为抽换方式，一次放松的股数不大于n′。

悬索桥锚碇预应力的锚固力长期监测，既可对所有锚固钢束监测，也可基于随机抽样或均匀抽样理论对部分钢束监测。

如果对所有锚固钢束实施监控，则只需依据各钢束的实际有效锚固力F，按(公式4)的判断条件进行。

如果只对部分锚固钢束进行抽样监控，则根据主缆安全度保证率及对管道中防腐油脂的化学检测，确定是否对未设置监测传感器的钢束作全部更换。

4、换索方法

换索采用单根或2-3根抽换的方式进行，退锚的根数n′要满足短暂状况安全性条件(公式3)，具体步骤如下：

(1)排出前后锚面锚头防护罩及管道内油脂；

(2)拆除前后防护罩；

(3)后锚面单根预应力筋退锚，检查、更换夹片；

(4)新旧预应力筋连接；

(5)从前锚面抽除旧预应力筋，并引出新预应力筋，如果旧预应力筋已腐蚀断裂，则直接穿索；

(6)上夹片完成该根预应力筋张拉；

(7)重复(3)～(6)上述过程，完成该束所有预应力筋及夹片拆除、更换及张拉，如果需要，再整体张拉至设计吨位；

(8)更换防护罩密封圈，重新安装前后锚头防护罩；

(9)重新压注防腐油脂，完成该束更换操作。

一种悬索桥锚碇可更换式预应力装置包括：蜂窝式预埋管、预应力筋、锚垫板，锚板、夹片、防松挡板、防护罩、锚下螺旋钢筋、防腐油脂、连接用六(多)边形钢套管、防漏端板、外包六(多)边形钢管边形钢套管、连接用圆形钢套管。

其连接关系是：蜂窝式预埋管埋设于锚碇混凝土，预应力筋穿在蜂窝式预埋管的小钢管中，蜂窝式预埋管之间通过中间接头接长，蜂窝式预埋管两端通过端接头与锚垫板连接；张拉预应力筋到设计规定的应力，上紧夹片形成自锁锚固，预应力筋的拉力通过夹片、锚板传到前锚面和后锚面；防松挡板安装在夹片端部并顶紧；防护罩与前锚面连接器或后锚面锚垫板连接并密闭，防腐油脂灌注于蜂窝式预埋管及防护罩的空隙中。

1、锚固系统与主缆束股连接

锚碇预应力体系的可监测、可维护性是影响悬索桥结构安全和寿命的关键因素。悬索桥锚碇预应力通过锚固系统与主缆束股连接，从而传递主缆拉力，由于主缆束股拉力巨大，在成桥后不能松力，锚碇预应力的更换以不松相应主缆束股、不影响大桥安全为前提。

可更换式预应力的关键思路是将整束锚固的预应力索股，按张拉、锚固的最小单元(对于预应力筋夹片锚，为一股/根预应力筋)，设置独立的通行管道，在满足维修时(桥梁设计规范称之为短暂状况)结构安全的前提下，采用单根抽换的方式，实现对整束预应力索的更换。

悬索桥锚碇可更换式预应力构造如图1所示，各索股独立的通行管道按蜂窝式设置，举例来说，19股预应力筋对应19管蜂窝管，37股预应力筋对应37管蜂窝管，其它依此类推。

2、蜂窝式预埋管构造

预应力钢束蜂窝式预埋管通常采用小直径无缝钢管，按正六边形或拟正六边形组成束，如图2所示，小直径无缝钢管的内径按其中要通过的预应力筋面积的2倍确定，对于φ15.24预应力筋，内径取28mm。小直径无缝钢管的壁厚，要能满足混凝土浇注的强度需要，对于位于曲线段部分，还要满足钢束张拉时的径向受力要求，厚度为3～5mm。

无缝钢管之间每隔2m采用塞焊焊接，进而组成蜂窝状管束组件，为了便于运输和安装，管束组件长度可为9～12m，运抵现场后再通过中间接头进行连接，为保证密闭性，采用焊接方式进行连接。

蜂窝式预埋管端部通过端接头与锚垫板的接口连接。为保证密闭性，可采用焊接方式连接或者采用环氧树脂密封。

蜂窝式预埋管为组成钢束的每股预应力筋提供了一个单独的通道，使得各股预应力筋可以毫不干扰地单独穿过、单独张拉、单独锚固和单独维护操作。

3、蜂窝管接头构造

由于预应力钢束较长，蜂窝管分段制造，现场安装采用接头连接。蜂窝管接头对位要求准确、密闭，中间接头构造如图3。将塞焊或捆扎成六(多)边形的蜂窝状钢管插入六(多)边形钢套管，通过钢套管进行对接，蜂窝管端部塞焊并与钢套管满焊，以保证蜂窝管至钢套管的密闭性。

接头对位误差将在蜂窝管之间形成错台，为避免错台对穿行于其中的钢束(股)造成摩擦或损坏，要对接头处的蜂窝管进行倒棱。

蜂窝管与锚垫板之间连接，需要先转换为圆形，再与锚垫板连(焊)接，接头如图4，同样要保证连接的密闭性。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：1)由于组成钢束的各股预应力筋各自穿行在独立的小直径无缝钢管中，相互不干扰、不挤压，使得钢束受力均匀，从而提高了钢束的可靠性；2)通过蜂窝式管道，使得后期可以对单股预应力筋进行张拉、更换操作，从而实现了整束预应力筋的可维护、可更换性安全，稳定可靠。

附图说明

图1为一种悬索桥锚碇可更换式预应力装置结构总体示意图；

图2为图1配合示意图；

图3为蜂窝式预埋钢管结构示意图；

图4为蜂窝式预应力管道中间接头结构示意图；

图5为图4配合示意图；

图6为蜂窝式预应力管道与锚垫板端接头结构示意图；

图7为图6的配合示意图；

图8为蜂窝式预应力管道接头防漏端板示意图；

其中：1-蜂窝式预埋管，2-预应力筋，3-锚垫板，4-锚板，5-夹片，6-防松挡板，7-防护罩，8-锚下螺旋钢筋，9-连接器(锻钢)，10-连接杆，11-螺母，12-球面垫圈，13-前锚面(锚碇混凝土)，14-后锚面(锚碇混凝土)，15-防腐油脂，16-连接用六(多)边形钢套管，17-塞焊，18-防漏端板，19-外包六(多)边形钢管边形钢套管，20-连接用圆形钢套管。

具体实施方式

一种悬索桥锚碇可更换式预应力设计方法包括两个设计应满足的先决条件、一个后期换索判断条件和换索方法：

1、设计阶段必须满足的两个先决条件

设与某束预应力对应的主缆索股在成桥运营阶段(桥梁设计规范称之为持久状况)的最大拉力为P，在成桥检修更换时通过控制车辆通行该主缆索股拉力为P′，预应力束有效锚固力为F，预应力束索股数为n，为实现可更换，应满足两个条件：

1)整束预应力满足主缆索股持久状况安全性条件

F＞k*P    (公式1)

其中k为持久状况锚固系统安全系数，一般为1.2～1.5

2)单根或多根(2-3根)抽换时满足主缆索股短暂状况安全性条件

假设抽换时同时放松的股数为n′(一般取1)，偏安全地，按n′+1根索股退出工作考虑：

$\frac{n-(n^{\′}+1)k^{\′\′}}{n}F>k^{\′}{P}^{\′}$ (公式2)

其中，k′为短暂状况锚固系统安全系数，一般为1.2

k″为索股张拉时的不均匀系数，按实验确定，一般取1.1

则设计或成桥时整束预应力有效锚固力F应满足：

$F>k^{\′}{P}^{\′}\frac{n}{n-\left(n^{\′}+1\right)k^{\′\′}}$ (公式3)

2、后期判断需要换索的条件

设某束预应力的初始有效锚固力为F，通过长期健康监控发现该束有效锚固力减小为F′，则当下列条件成立时，表示整束预应力(索股数n)中已有n′个当量的索股发生了腐蚀、断裂，达到了对该束进行更换(同时放松的股数为n′)的条件。

$F(1-\frac{n^{\′}}{{\mathrm{nk}}^{\′\′}})\≤F^{\′}\≤F(1-\frac{(n^{\′}-1)}{{\mathrm{nk}}^{\′\′}})$ (公式4)

其中n、n′、F、k′、k″等符号意义同前。

3、更换方式为抽换方式，一次放松的股数不大于n′。

悬索桥锚碇预应力的锚固力长期监测，既可对所有锚固钢束监测，也可基于随机抽样或均匀抽样理论对部分钢束监测。

如果对所有锚固钢束实施监控，则只需依据各钢束的实际有效锚固力F，按(公式4)的判断条件进行。

如果只对部分锚固钢束进行抽样监控，则根据主缆安全度保证率及对管道中防腐油脂的化学检测，确定是否对未设置监测传感器的钢束作全部更换。

4、换索方法

换索采用1根或2或3根抽换的方式进行，退锚的根数n′要满足短暂状况安全性条件(公式3)，具体步骤如下：

(1)排出前后锚面锚头防护罩及管道内油脂；

(2)拆除前后防护罩；

(3)后锚面单根预应力筋退锚，检查、更换夹片；

(4)新旧预应力筋连接；

(5)从前锚面抽除旧预应力筋，并引出新预应力筋，如果旧预应力筋已腐蚀断裂，则直接穿索；

(6)上夹片完成该根预应力筋张拉；

(7)重复(3)～(6)上述过程，完成该束所有预应力筋及夹片拆除、更换及张拉，如果需要，再整体张拉至设计吨位；

(8)更换防护罩密封圈，重新安装前后锚头防护罩；

(9)重新压注防腐油脂，完成该束更换操作。

根据图1、图2、图3、图4、图5可知，一种悬索桥锚碇可更换式预应力装置包括：蜂窝式预埋管1、预应力筋2、锚垫板3，锚板4、夹片5、防松挡板6、防护罩7、锚下螺旋钢筋8、防腐油脂15、连接用六(多)边形钢套管16、防漏端板18、外包六(多)边形钢管边形钢套管19、连接用圆形钢套管20。

其连接关系是：蜂窝式预埋管1埋设于锚碇混凝土，预应力筋2穿在蜂窝式预埋管1的小钢管中，蜂窝式预埋管1之间通过中间接头与六边形钢套管16、塞焊17、防漏端板18、外包六边形钢管19连接，蜂窝式预埋管1两端通过端接头上的塞焊17、防漏端板18、圆形钢套管20与锚垫板3连接；张拉预应力筋2到设计规定的应力，上紧夹片5形成自锁锚固，预应力筋的拉力通过夹片5、锚板4传到前锚面13和后锚面14；防松挡板6安装在夹片5端部并顶紧；防护罩7与前锚面连接器9或后锚面锚垫板3连接并密闭，防腐油脂15灌注于蜂窝式预埋管1及防护罩7的空隙中。

锚垫板3安放于前锚面13和后锚面14，钢管中安装连接器9、锚板4、张拉预应力筋2。塞焊17或捆扎成六边形的蜂窝状钢管插入多边形钢管19，通过钢套管连接，蜂窝状管端部塞焊17与钢套管满焊，蜂窝管与锚垫板3连接，转换为圆形再与锚垫板3连接。所述的预应力钢束蜂窝式预埋管1采用无缝钢管，按正六边形或拟正六边形组成束，无缝钢管采用塞焊17焊接，组成蜂窝状管束组件，蜂窝管端部通过端接头与锚垫板3的接口连接，用焊接方式连接或采用环氧树脂密封。

初次安装方法：将小钢管组成的蜂窝式预埋管1在浇注锚碇混凝土之前，预先设置于设计指定的管道位置，锚垫板3安放于前锚面13和后锚面14，浇注锚碇混凝土，检测蜂窝式预埋管1的密闭性，合格后将预应力筋2穿在蜂窝式预埋管1的小钢管中，安装连接器9、锚板4，张拉预应力筋2到设计规定的应力，上紧夹片形成自锁锚固，依次完成所有预应力筋2的张拉和锚固，安装放松挡板，安装防护罩，采用油泵压注防腐油脂15充满蜂窝式预埋管及防护罩的所有空隙，即完成预应力的安装和施工。

Claims (5)

1.一种悬索桥锚碇可更换式预应力的方法，它包括下列步骤：

A、设计阶段的条件：

设计某束预应力对应的主缆索股在成桥运营阶段的拉力为P，在成桥检修更换时通过控制车辆通行该主缆索股拉力为P′，偏安全地取恒载拉力，预应力束有效锚固力为F，预应力束索股数为n，更换，在设计阶段应满足两个先决条件：

1)整束预应力满足主缆索股持久状况安全性条件

F＞k*P                 (I)

其中k为持久状况锚固系统安全系数，为1.2～1.5

2)单根或2-3根抽换时满足主缆索股短暂状况安全性条件

抽换时同时放松的股数为n′，最小取1，按n′+1根索股退出：

$\frac{n-(n^{\′}+1)k^{\′\′}}{n}F>k^{\′}{P}^{\′}---\left(\mathrm{II}\right)$

其中，k′为短暂状况锚固系统安全系数，为1.2

k″为索股张拉时的不均匀系数，取1.1

设计或成桥时整束预应力锚固力：

$F>k^{\′}{P}^{\′}\frac{n}{n-(n^{\′}+1)k^{\′\′}}---\left(\mathrm{III}\right)$

B、后期判断换索的条件

设计束预应力的有效锚固力为F，通过长期健康监控发现该束有效锚固力减小为F′，下列条件成立时，表示整束预应力中已有n′个当量的索股发生了腐蚀、断裂，达到了对该束进行更换的条件。

$F(1-\frac{n^{\′}}{{\mathrm{nk}}^{\′\′}})\≤F^{\′}\≤F(1-\frac{(n^{\′}-1)}{{\mathrm{nk}}^{\′\′}})---\left(\mathrm{IV}\right)$

C、更换方式为抽换方式，一次放松的股数不大于n′。

悬索桥锚碇预应力的锚固力长期监测，对所有锚固钢束监测，随机抽样或均匀抽样钢束监测；或

对所有锚固钢束实施监控，依据各钢束的实际有效锚固力F，按公式IV的判断条件进行；或

对锚固钢束进行抽样监控，根据主缆安全度及对管道中防腐油脂的化学检测，确定对未设置监测传感器的钢束作全部更换；

D、换索方法

换索采用单根或2-3根抽换的方式进行，退锚的根数n′要满足短暂状况安全性条件公式III，具体步骤如下：

(1)排出前后锚面锚头防护罩及管道内油脂；

(2)拆除前后防护罩；

(3)后锚面单根预应力筋退锚，检查、更换夹片；

(4)新旧预应力筋连接；

(5)从前锚面抽除旧预应力筋，并引出新预应力筋，旧预应力筋已腐蚀断裂，则直接穿索；

(6)上夹片完成该根预应力筋张拉；

(7)重复(3)～(6)上述过程，完成该束所有预应力筋及夹片拆除、更换及张拉，再整体张拉至设计吨位；

(8)更换防护罩密封圈，重新安装前后锚头防护罩；

(9)重新压注防腐油脂，完成该束更换操作。

2.一种实现权利要求1所述的悬索桥锚碇可更换式预应力的方法的装置，它包括蜂窝式预埋管(1)、预应力筋(2)、锚垫板(3)，锚板(4)、夹片(5)、防松挡板(6)、防护罩(7)、锚下螺旋钢筋(8)、防防腐油脂(15)、连接用六边形钢套管(16)、防漏端板(18)、外包六边形钢管边形钢套管(19)、连接用圆形钢套管(20)，其特征在于：蜂窝式预埋管(1)埋设于锚碇混凝土，预应力筋(2)穿在蜂窝式预埋管(1)的钢管中，蜂窝式预埋管(1)之间通过中间接头与六边形钢套管(16)、塞焊(17)、防漏端板(18)、外包六边形钢管(19)连接，蜂窝式预埋管(1)两端通过端接头上的塞焊(17)、防漏端板(18)、圆形钢套管(20)与锚垫板(3)连接；上紧夹片(5)形成自锁锚固，预应力筋的拉力通过夹片(5)、锚板(4)传到前锚面(13)和后锚面(14)；防松挡板(6)安装在夹片端部并顶紧；防护罩(7)与前锚面(13)连接器(9)或后锚面(14)锚垫板(3)连接并密闭，防腐油脂(17)灌注于蜂窝式预埋管(1)及防护罩(7)的空隙中。

3.根据权利要求2所述的一种悬索桥锚碇可更换式预应力的装置，其特征在于：锚垫板(3)安放于前锚面(13)和后锚面(14)，钢管中安装连接器(9)、锚板(4)、张拉预应力筋(2)。

4.根据权利要求2所述的一种悬索桥锚碇可更换式预应力的装置，其特征在于：塞焊(17)或捆扎成六边形的蜂窝状钢管插入多边形钢管(19)，通过钢套管连接，蜂窝状管端部塞焊(17)与钢套管满焊，蜂窝管与锚垫板(3)连接，转换为圆形再与锚垫板(3)连接。

5.根据权利要求2所述的一种悬索桥锚碇可更换式预应力的装置，其特征在于：

所述的预应力钢束蜂窝式预埋管(1)采用无缝钢管，按正六边形或拟正六边形组成束，无缝钢管采用塞焊(17)焊接，组成蜂窝状管束组件，蜂窝管端部通过端接头与锚垫板(3)的接口连接，用焊接方式连接或采用环氧树脂密封。

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