【摘要】南京長江二橋索塔的塔柱內布置了彎曲半徑為l.55m的U形大噸位預應力環(huán)向束，本文介紹了為保證其施工質量所開展的塑料波紋管留孔、預應力鋼束穿束以及張拉等關鍵施工工藝研究的成果。
【關鍵詞】索塔環(huán)向預應力 塑料波紋管 張拉

一、南京長江二橋索塔環(huán)向預應力特點概述
1.索塔設計
南京長江二橋的主塔采用倒“Y”型空間索塔，塔柱底面高程為-5m，塔頂高程為190.41m，塔的總高度為195.41in，橋面以上塔的高跨比為0.23。索塔包括下、中、上塔柱和橫梁。
2.塔柱設計
下塔柱從塔柱底面至塔柱下橫梁轉折點的高度為35.11m，中塔柱從塔柱下橫梁轉折點至中橫梁底面的高度為95.30m，上塔柱從中橫梁底面至塔頂的高度為65m。上塔柱為互相平行豎直向上的分離雙柱。塔柱橫橋向的空間寬度：下塔柱底面為26m，下橫梁塔柱轉折點為46.64m，中橫梁底面至塔頂為14m。
塔柱采用非對稱六邊形空心薄壁斷面：上塔柱斷面尺寸為7.5m（順橋向）* 4.5m（橫橋向），壁厚為1.2m（橫橋向）和0.6m（順橋向）；中塔柱斷面尺寸為7.5m（順橋向）*4.5m（橫橋向），壁厚為1.0m（順橋向）和 0.8m（橫橋向）；下塔柱斷面尺寸由 12.0（m順橋向） * 7.0m（橫橋向）向上漸變至7.5m（順橋向）* 4.5m（橫橋向），壁厚 1.0m（順橋向）和 10m（橫橋向）。在中、上塔柱外測設有深0.3m，寬1.4m的裝飾凹槽。上塔柱在斜拉索錨固區(qū)，采用環(huán)向預應力混凝土結構。為平衡斜拉索水平分布，沿塔柱高度配置了184束19φj15鋼絞束（單塔）。上塔柱順橋向內壁上設斜拉索錨塊。塔柱豎向配置φ32的束筋和單筋，水平向配置φ20，φ16的箍筋和φ12，φ16的拉結筋。塔柱鋼筋外加一層直徑6mm的帶肋鋼筋焊接防裂鋼筋網。
3.設計對塔柱施工提出的要求
（1）上塔往及上、中、下橫梁混凝土必須達到設計強度85％時才能施加預應力。所有的預應力鋼絞線采用兩端同時張拉的施工工藝。由于U形預應力鋼束的彎曲半徑小，存在非彈性變形，因此張拉上塔柱U形預應力鋼束時，要求按10％的設計控制張拉力先張拉一次，以減少非彈性變形影響。預應力鋼束張拉均要求以張拉力和伸長量雙控，以引伸量控制為主，伸長量的誤差應控制在-5％～+10％以內，在測定引伸量時應扣除非彈性變形引起的全部引伸量值。在一束鋼束內斷絲不得大于1％。一根鋼絞線中斷絲不得超過一根鋼絲。
（2）鋼束張拉完畢，不允許撞擊錨頭，鋼束一律用砂輪切割機切割，留下的錨頭以外的鋼束長度不小于3cm。
（3）穿鋼束前應采用壓縮空氣或高壓水清除管道雜質。預應力鋼束張拉后24h內必須進行管道壓漿。壓漿采用真空輔助壓裝技術，真空壓漿時必須確定在導管中沒有水；在導管內正確達到并維持真空；在導管與周圍環(huán)境和導管與導管之間沒有裂縫；稀漿中沒有空氣；最后水泥漿標號不低于50號，必須有正確的稀漿混合料設計和設備。必須要有專業(yè)人員在現場配合施工。鑒于真空輔助壓漿是一套新工藝，在正式實施之前應進行稀漿混合料配合比試驗和真空壓裝工藝試驗。

二、后張大曲率U形預應力施工工藝及相應配套工藝研究的內容
對比國內已建成的大跨徑斜拉橋素塔的施工，南京長江二橋上塔柱的后張U形預應力施工有以下幾個特點：
（1）上塔柱的平面U形預應力施工應滿足錨固區(qū)段結構設計要求以及抗裂安全度和總體安全度的要求。
（2）在塔柱周壁中，布置了大噸位大曲率U形的預應力鋼絞線束，其曲率半徑為1.55m，每束鋼絞線為19根，張拉力達37llkN。大噸位小曲率半徑的短束中鋼絞線應力不勻、張拉伸長值難以滿足規(guī)范控制要求以及易斷絲等短束效應。
（3）在高塔中，鋼筋密集，有型鋼勁性骨架，預應力孔道與張拉端的安裝難度大，模板、鋼筋和混凝土的施工要與預應力施工密切配合。
上述這些特點決定了南京長江二橋橋塔中首次采用了小曲率半徑大噸位的U形預應力鋼絞線束，在沒有可借鑒的經驗下，必須通過一系列施工工藝的研究，制定出合理的預應力張拉控制手段和控制指標，提出合適的預應力張拉操作工藝，并對與U形預應力施工相配套的模板和鋼筋等的安裝制定相應的實施方案。

三、塔柱周壁內預應力孔道留設施工工藝研究
塔柱中的錨固區(qū)段，應力集中，為控制裂縫，采用了后張有粘結U形預應力。南京長江二橋的U形預應力特點為：由曲率半徑為1.55m的U形鋼束交互而成（圖1）。

l.留孔材料選擇
對于小曲率半徑的預應力索的留孔，有三種留設方法可供對比選擇：
（1）采用薄壁銅管留孔
該方法的優(yōu)點是：
①留孔質量易保證，孔道不易振癟，不易漏漿堵孔；
②安裝鋼筋、焊接動性骨架以及安裝錨束塊時不易被焊渣燒傷留孔材料；
③19根鋼絞線可采用"后穿法"穿入，即澆混凝土前預埋鋼管，混凝土澆筑拆模后，在預應力張拉前穿入鋼絞線索，這對橋塔清水混凝土支模特別有利。國內已建成的上海楊浦大橋的上塔柱拉索錨固段即采用了鋼管留孔。
但是鋼管留孔的主要缺點是：
①孔道摩擦力偏大。由本項目的上塔柱 1：1模型試驗表明了當k=0.001時，μ值為0.35左右，由此，在拉索節(jié)點塊處，建立的有效預應力值偏小。
②鋼管彎曲成形以及安裝固定有一定難度，特別是曲率半徑為 1.55m的圓弧段鋼管彎曲耗時耗費人工。每節(jié)勁性骨架的焊接安裝與鋼管穿入安裝矛盾較大，影響安裝速度。
③薄壁無縫鋼管留孔，每米價格略高。
（2）采用金屬螺旋波紋管留孔
該方法突出的優(yōu)點是：
①易彎曲成型。在塔柱內勁性骨架焊接拼裝成形后，由帶鋼卷制成的金屬螺旋波紋管可很方便地邊穿入邊彎曲成型。
②孔道摩擦力不大。由本項目上塔柱1：1模型試驗表明了當k=0.001時，μ值為0.24左右。
③金屬波紋管留孔每米價格低，經濟好。
但是金屬波紋管目孔的主要缺點是：
①管道剛度略差，易漏漿或被振動棒振癟引起堵孔，易偏位，摩擦損失波動性略大。
②管壁約為0.3mm，在施工過程中易被焊接熔化的焊渣燒穿，同時小曲率半徑在彎曲時易開裂。
③必須采用澆混凝土前先穿入鋼絞線束方法，這對支模不利。小曲率半徑的金屬波紋管穿束有一定難度，穿束頭易損傷壁很薄的金屬波紋管。
（3）采用塑料波紋管留孔
在南京長江二橋索塔施工中，國內首先采用了VSL公司生產的PT-PLUS塑料波紋管留孔。
該方法突出的優(yōu)點是：
①孔道摩擦力小。由本項目進行的上塔柱1： 1模型試驗表明，當是k=0.001時，μ值約為0.20左右。
②塑料波紋管的剛度較好，在混凝土澆筑過程中不易振癟，也不易被焊條焊渣燒穿。
③可采用后穿束工藝，便于模板施工。
④防腐蝕性好，全封閉能消除鋼絞線束與塑料管之間疲勞磨損。
該方法的缺點是：
①經濟指標差，每米長度價格昂貴（國產化后價格將大大降低）。
②波紋管有一定彈性，小曲率半徑彎曲有一定難度，易回彈。
針對上述三種留孔材料，在試驗研究的基礎上，經綜合對比，為確保工程質量以及減少孔道摩擦損失，保證錨固區(qū)有效預應力值的建立，選用了PT-PLUS塑料波紋管成孔。
在南京長江二橋上采用的塑料波紋管的主要指標見表1。

2.塑料波紋管的安裝工藝研究
在南京長江二橋塔柱中大曲率的U形預應力鋼束全部采用VSL公司的PT-PLUS塑料波紋管留孔。由于PT－PLUS塑料波紋管為一種新型留孔材料，在國內斜拉橋索塔中首次使用。所以，項目組結合1：1至上塔柱模型試驗，對塑料波紋管的彎曲成型以及安裝到勁性骨架中的施工工藝進行了一系列研究。
（1）塑料波紋管的彎曲成形
由VSL公司的資料表明，對于U形束，與19根φ15.24鋼絞線鋼束相匹配，φ110塑料波紋管的彎曲半徑最小可為1300mm。但是在1：1塔柱模型工藝性試驗中，對φ100塑料波紋管試彎曲表明，PT-PLUS管的剛度較大，在力作用下產生的變形幾乎是彈性的，且其外壁上分布著與穿管運動方向垂直的環(huán)形肋（高5mm），塑料波紋管要穿入已初步成形的塔柱鋼筋箱內有很大困難，特別是在U形束的大曲率部位，塑料波紋管難以彎曲至設計的彎曲半徑。南京的冬天氣溫低，塑料變硬，當時需很多人共同協助，才能將塑料波紋管穿入已成型的鋼筋籠，并使其安裝到位。
在1：1模型塑料波紋管的試驗安裝固定中，由于當時的氣溫為2～9℃，外界氣溫低，塑料波紋管變硬，當彎曲至設計彎曲半徑時，發(fā)生了內壁壓屈彎折現象。在以后另幾根塑料波紋管安裝中，又發(fā)生了在對接接頭附近產生壓屈彎折現象。
通過南京長江二橋1：1上塔柱模型內U形塑料波紋管的試安裝，得出以下結論：塑料波紋管的順利安裝與否將影響上塔柱的施工速度，不能采用持塔往內勁性骨架以及鋼筋基本安裝到位后再穿入塑料波紋管的施工方法，應采用在勁性骨架焊接成型時即實施塑料波紋管安裝定位，以提高孔道安裝精度和節(jié)省現場施工時間，預計可縮短每節(jié)塔柱施工周期約16～24h。
實際上塔柱施工中，采用了工藝試驗研究中建議的塑料波紋管安裝方法。
塑料波紋管彎曲成R＝1.55m的形狀有一定難度，如何方便地彎曲成形，項目研究組提
供了兩種方法。第一種為采用彈簧襯圈協助彎曲，以防彎曲過程中內側壓屈彎折，另一種方
法為采用噴燈用火焰協助熱彎。經試驗表明，第二種方法簡單易行，且能保證彎曲成形質
量。 上塔珠施工中，全部 U形塑料波紋管的 R＝1.55m圓弧段的彎曲全用噴燈火焰熱彎
后，預安裝入勁性骨架（圖2）。

（2）塑料波紋管的連接以及與鑄鐵承壓板門的密封
塑料小紋管的連接有兩種方式，第一種采用熱擠壓連接，即用電熱板對波紋管兩連接端口進行加熱，加熱至熱塑狀態(tài)時，迅速抽去加熱板，適當施加擠壓力使兩端口熱擠成整體塑料波紋管的另一種連接方式為采用卡套接頭，用兩個半圓狀接頭管，將兩波紋管端頭連接在一起。在卡套接頭內為防止漏漿，另采用密封圈密封。南京長江二橋上塔柱施工中，每孔U形塑料波紋管的長度為17m左右，采用8.5m長為一段，兩段對接，接口用卡套接頭，接頭位于兩圓弧段相交的500mm長直線段處。

四、塔柱大曲率U形預應力鋼束穿束施工工藝研究
南京長江二橋上塔柱的周壁布置了曲率半徑為 1.55m的大曲率 U形預應力鋼束，每束預應力筋為19φj5.24的強度級別為1860N／平方毫米的低松弛鋼絞線。
由于19根鋼絞線成束有一定剛度，能否順利彎曲成形，能否順利穿束以及如何安排穿束時機成為項目研究組攻關的關鍵。
1.19φj15.2鋼束的彎曲成形試驗
為摸清由19根φj15.2的高強度低松弛鋼絞線組成的鋼絞線束能否順利彎曲成 R＝1.55m的曲線狀，項目組首先在東南大學結構試驗室下料 19根φj15.24鋼絞線捆扎成一束，在手動葫蘆的幫助下，在地面上彎曲成南京二橋塔柱中設計要求的U形束狀，證明能彎曲，但難度較大。項目組隨后又在湖南路橋公司南京長江二橋基地用φ100的無縫鋼管彎曲成設計的 U形狀，將19φj15.2鋼絞線理順成束，頭部在鋼絲繩牽引下，穿入了鋼管。初步的摸索試驗證明 R=1.55m的 U形狀管道能穿入19φj15.24鋼絞線。
2.19φj15.2鋼束穿入時機的確定
在南京長江二橋1：1橋塔模型工藝試驗中，根據預應力鋼束穿入留孔管道的時機不同，研究采用三種方法：
（1）方法之一為鋼絞線束與孔道同時安裝在勁性骨架中，隨勁性骨架整體吊裝就位。
該方法的工廠化程度高，可在江面施工平臺上安裝作業(yè)，減輕在高空的波紋管安裝以及穿束的作業(yè)量。但這種方法對塔吊的吊裝能力要求高，在張拉端部，穿入管道的鋼絞線外露約100mm，對模板的封模嚴密性有影響，易漏漿，影響橋塔清水混凝土的外觀。
（2）方法之二為隨橋塔施工時，在綁扎鋼筋初步成型后安裝塑料波紋管道，在封模前或封模后，澆筑混凝土前，穿入預應力鋼絞線束，即典型的“先穿束法”。這種方法優(yōu)點為確保波紋管不因堵孔而難以寄入鋼絞線，澆混凝土時波紋管內有鋼束作支撐，波紋管的剛度好，不易變形，也不易上浮。缺點主要為先穿入鋼束后，鋼束外露，模板在張拉端部的封閉嚴密不能保證，易漏漿。
（3）方法之三為波紋管先安裝在勁性骨架中，在吊至塔柱上，鋼筋綁扎，混凝土澆筑后，在預應力張拉前將鋼束穿入孔道，即典型的“后穿法”。此種方法最大優(yōu)點是在張拉端部模板封閉嚴密，不易漏漿，穿束時間可以與塔柱鋼筋安裝和波紋管安裝以及混凝土澆筑時間錯開，提高了工效。同時預應力鋼絞線在高溫天氣中，若在孔道放置過長的時間，會嚴重銹蝕。這種方法可避免出現該問題。
經上述三種穿入方法的對比，最后采用第三種方法，即"后穿法"施工，并充分利用了塑料波紋管剛度較好、不易變形的優(yōu)點。
3.預應力鋼束穿入方法的確定
根據19根鋼絞線束穿入方法的不同，可分為整束穿入法和單根穿入法。在1：1橋塔模型工藝試驗中，對整束穿入法和單根穿入法進行了比較。
整束穿入法的方法為鋼絞線理成束，端部用氧焊并打磨成彈頭狀，并焊一牽引環(huán)，用鋼絲繩作牽引。l：1模型的試驗段，對兩根U形鋼管管道的孔道穿束作了整束穿入試驗，安裝在牽引頭的拉力計顯示，整束穿入的牽引力為1.5t。在這種牽引力作用下，要求套管的剛度好，預應力管道的定位筋間距密，安裝牢固，以抵抗穿束引起的沖擊力以及牽引力。
單根穿入法的方法為在單根鋼絞線頭部套上剛性子彈頭帽，采用人工將鋼絞線逐根穿人管道。在1：1塔柱模型中，對PT-PLUS塑料管均采用單根穿入法穿鋼絞線，每個孔道穿束的時間約為10min，穿入最后幾根時略費力，但能穿入。

經工藝試驗對比，確定南京長江二橋的上塔柱U形鋼束采用單根穿入法穿鋼絞線，以節(jié)省材料（不用切去焊接成整束的牽引頭）和穿束時間。

五、塔柱大曲率U形預應力鋼索張拉施工工藝研究
最近幾年，在大跨徑斜拉橋的索塔上塔柱中，在拉索錨固區(qū)中施加U形預應力成為新的熱點，南京長江二橋U形預應力與已施工的上海楊浦大橋U形預應力的對比見表2。

由表2對比表明，南京長江二橋為國內首次在上塔柱段全面采用大噸位的U形預應力束，并采用PT-PLUS塑料被管留孔，在預應力鋼索張拉方面突出的難點有：
（1）用塑料波紋管留孔大曲率的U形束張拉，其摩擦系數隨曲率半徑減小而增大對張拉伸位值有影響。
（2）由直線段和大曲率圓弧段組成的U形束，束的內圈與外圈其長度有差異，鋼絞線內的張拉力有差異，短束效應與小曲率半徑束效應綜合在一起，伸長值不宜按規(guī)范現有計算方法確定。
1.U形預應力筋張拉伸長值的研究
近年來FIP的學術討論會上，關于張拉控制，特別是張拉應力與張拉伸長值的關系問題一直是工程技術人員和專家學者爭論的焦點，在一些類似二橋索塔的特殊預應力筋現場伸長值的控制要花費較大的人力與物力。
現行施工規(guī)范給出了通常情形下的張拉伸長值的理論計算方法，但對于曲率半徑小于6m的預應力筋，一是摩擦系數隨曲率半徑的減小而增大，二是由于預應力筋中每根鋼絞線受力不均勻，其伸長值偏長，故不能采用。
（1）摩擦系數μ
在通常的預應力工程中，設計者通常假定μ是一個定值，僅與成孔材料及預應力鋼材有關，不考慮每束預應力筋中鋼絞線的數量、張拉力的噸位和曲率半徑的影響。但在曲率半徑較小的情況下，預應力筋在同樣的張拉控制應力下，產生的徑向等效荷載很大，在較大的徑向力作用下，預應力筋將有陷入孔道內壁的趨勢，將增大摩擦系數，同時，隨著預應力筋根數
的增加，預應力鋼絞線之間，鋼絞線與孔壁之間的摩擦系數不同。這些因素都將引起摩擦系數μ綜合值的增大。根據國外有關學者的研究表明，隨著曲率半徑的減小，預應力筋數量的增加，鋼絞線在孔道中的充滿系數不同，摩擦系數μ將增加10％～40％。故這種U形預應力筋的實際摩擦系數綜合值應由試驗確定。
（2）伸長值的計算

：1模型實驗得到。
結合上塔柱1：1模型段的試張拉試驗，試驗得出的二橋U形PT-PLUS塑料波紋管的k，μ值與VSL公司建議值有差異，其對比見表3。

由表3對比表明，小曲率半徑的U形束與常規(guī)曲線束有差異，在k=0.001的條件下，μ值偏大，所以實際工程控制的張拉伸長計算值必須采用同條件試驗所得的k，μ值。在1：1模型試驗中，還測出塑料波紋管對張拉力的傳遞有一延緩傳力過程，即在張拉端的張拉噸位達到設計值后，固定端經摩擦損失后的噸位隨時間延長略有提高，這說明鋼絞線與小曲率半徑處的塑料波紋管在摩擦，并因鋼絞線少量磨去塑料管壁厚度而增加了滑移，即摩阻力在減小，這滯后效應得到利用可提高預應力圓弧段處的有效預應力，因此，通過試驗，定出張拉程序為：
0→1.00σk（持荷 5min）→回油放松
2．初張拉力
在《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTJ04189）中規(guī)定，一般預應力鋼束的張拉程序為：

結合南京長江二橋上塔柱的大曲率U形束，采用塑料波紋管的1：1模型試驗張拉結果見表4。

由試張拉表明，當初張拉力為20％σk或25％σk時，各孔道的張拉伸長值基本接近。由孔道摩擦試驗也表明，采用塑料波紋管，當張拉端的張拉為37llkN時，至固定端的平均張拉力為 2030.75kN。
結合實際張拉情況，U形束采用兩端張拉，至U形圓弧段中間截面處的摩擦損失率：

這與試驗所得的張拉伸長值測定結果相吻合。由此，為保證在初張拉力時測驗定伸長值的起點在相對線性關系較好的起點上，由試驗研究分析結果確定的上塔柱U形束實際張拉程度應為：
0→0.2σk（讀初讀數）→1.0σk（持荷5min，測最后伸長值）→回油放松

六、張拉與張拉質量控制
南京長江二橋的南汊橋的南、北兩索塔，每上塔柱有大噸位大曲率的U形預應力環(huán)向束用46對92束，預應力張拉采用400t千斤頂。按項目研究組提出的張拉程序進行張拉，其實際張拉伸長值與試驗測定的伸長值接近。
在橋塔的實際預應力張拉中，執(zhí)行了以下操作工藝：
（1）在張拉前，對張拉用的千斤頂作標定，配套的油壓表為0.4級的精密壓力表。
（2）在拆模后，預應力張拉前，將19根鋼絞線逐根穿人塑料波紋管。
（3）對鋼束的兩端分別安裝上 VSL EC型 -19錨具，安裝工作錨夾片時，注意將夾片縫隙撥均勻，并用鋼管擊緊夾片。
（4）安裝千斤頂以及千斤頂尾部工具錨。
（5）兩端千斤頂同時按張拉程序張拉以及同步張拉，量測初伸長值、中間各級伸長值以及最終伸長值。
對南京二橋橋塔的大噸位大曲率U形預應力鋼束張拉，現場實施以下張拉質量控制指標：
（1）錨具安裝的夾片要求均勻，擊緊；
（2）張拉時的油壓表與千斤頂必須配套，標定符合要求；
（3）張拉程序為：
0→0.2σk（讀初讀數）→1.0σk（持荷5min，測最后伸長值）→回油放松
（4）采用PT-PLUS塑料波紋管的U形鋼束張拉控制以應力控制為主，對伸長值作校核。

參考文獻
［l］楊宗放，方先和.現代預應力施工.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993