二次张拉锚具开发背景

1、大跨径混凝土梁桥现状及典型病害概述

预应力混凝土梁桥（包括连续梁桥、连续刚构和刚构连续组合体系）以其结构刚度好；行车平顺；造价相对较低；养护简单等一系列优点，备受工程界欢迎。“我国已建和在建的跨径超过200m的连续刚构桥已达20多座，跨径在100～200m之间的预应力混凝土梁桥已有100多座，世界范围内共有跨径超过240m的特大跨径连续刚构桥共18座，其中13座在中国，占世界总量的72%。然而近年来，大跨径预应力混凝土梁桥在施工过程或使用阶段，普遍出现各种不同性质的混凝土开裂，长期下挠等病害，这些病害对桥梁的耐久性和营运的安全性构成了威胁”[1]。文献[2]作者调查了国内180多座预应力混凝土箱梁桥，总结了裂缝的类型及分布规律，其中腹板钭裂缝的出现比例高达86%，由于腹板裂缝的存在，引起结构刚度降低，导致变形增大。文献[3] 根据Kishwaukee.River桥荷载试验发现，由于箱梁腹板裂缝的存在，导致裂缝区结构剪切刚度降低50～55%。

根据大量的调研和分析认为，竖向预应力是减少主拉应力、克服腹板斜裂缝的最有效技术手段，我国大量现役大跨径箱梁桥腹板斜裂缝主要是由于竖向预应力在设计过程中空间效应考虑不足，加之竖向预应力采用的精轧螺纹钢筋YGM锚固体系本身存在结构缺陷和预应力施工无法有效监控施加预应力的质量，并且导至“由于竖向直线束太短，几乎建立不起有效预应力”[1]。

进一步对竖向预应力用“精轧螺纹钢筋YGM锚固体系”分析研究后得知，该结构存在以下致命缺陷：

1、精轧螺纹钢筋强度较低，预应力张拉延伸绝对值很小（特别是短束仅几毫米），在同样放张回缩值情况下，预应力损失的比例就很大，短束预应力损失很可怕（一些桥梁的竖向有效预应力与竖向预应力张拉控制力相比损失甚至达60% [6]）。

2、虽然桥规规定带螺母的YGM精轧螺纹钢锚具回缩值为1mm，但实际检测表明：“放张时，钢筋回缩损失：钢筋上的螺纹与螺母间隙及变形2mm左右，另外螺母与垫板的接触面与钢筋轴线成45°夹角造成实际损失4mm左右”[5]。实际回缩损失大大超出规范。

3、在实际工程中，精轧螺纹钢筋被拉断的现象也时有发生，甚至有发生极端的张拉施工完至大桥通车前有30多根精轧螺纹钢筋断裂冲破桥面辅装层致使精轧锚具突出桥面（也有桥梁通车后发生极个别力筋断裂事故）。“竖向精轧螺纹钢筋一旦断裂，无法补救，危害很大”[5]。

4、精轧螺纹钢筋YGM锚固体系由于力筋是刚性索，施工时对锚固螺母、预应力粗钢筋、垫板三者安装精度要求相当高，否则造成放张时锚固螺母拧不到位，是该结构永存应力极难保证稳定易发生随机变化的一个重要原因。

5、精轧螺纹钢筋YGM锚固体系，虽然应用已有二十多年，但缺少完整的施工验收规程，加之结构本身的原因，张拉施工后技术管理和监理人员无法监测判断施工是否符合（或达到）设计要求。设计、施工、监理各环节管理人员对向预应力施工质量心中无底，十分不放心。

6、“竖向预应力普遍存在压浆质量不好问题，主要有a、压浆不通；b、压浆很难起到粘结握裹作用，国内外对预应力混凝土桥的调查表明，管道压浆不密实几乎成了通病，而且后患无穷”[5]。

2、箱梁桥腹板裂缝病害根除对策

箱梁桥腹板裂缝病害主要是因竖向预应力不足以克服主拉应力而导致腹板混凝土开裂。通过大量的实桥调研发现：竖向预应力施工未达到设计要求而致使竖向永存应力通常小于主拉应力，更重要的是：施工的不规范或出现的偏差无论是施工方、监理方、设计方以及业主都无法监测到竖向预应力施工质量，最后产生可预见的风险——腹板开裂。

鉴于前述精轧螺纹钢YGM锚固体系的不足，广大桥梁研究、设计、施工工作者，针对精轧螺纹筋进行了大量的改进，如：采用二次张拉，建立较完善的施工管理制度，强化现场管理，改进设计计算，在新桥规《JTGD62-2004》中将计算 应力的公式乘以0.6的折减系数，用以克服竖向预应力损失大，永存压应力极不稳定的问题，取得一定的效果，但还是没有从根本上解决箱梁桥腹板开裂的问题。

湖南大学博士生导师邵旭东教授应用全新的思维，主持研发了“二次张拉低回缩钢绞线竖向预应力锚固系统”，彻底创新竖向预应力锚固结构，充分发挥高强度低松弛钢绞线力筋的优势，利用其柔性索、高延伸量，张拉控制应力低（不易产生塑性变形）的优点，创新锚具结构，创造性地提出钢绞线力筋二次张拉（传统钢绞线夹片锚是不允许二次张拉的）克服夹片锚回缩损失大的问题，同时，还成功实现了竖向预应力张拉施工后方便量化监测张拉施工质量，根除了竖向预应力孔道压浆质量不好的通病。

通过腹板应力场试验、腹板抗剪极限荷载试验和实桥测试表明：“二次张拉低回缩钢绞线竖向预应力锚固系统”能大幅度减小中短束预应力筋的放张损失，大幅提高竖向预应力效率和结构的抗剪安全度，且竖向实际永存应力能稳定达到设计要求，避免腹板开裂。

二次张拉低回缩钢绞线竖向预应力锚固系统替代精轧螺纹钢筋锚固体系（以15-3G替代φ32精轧钢筋为例）能大幅提高实际竖向预应力水平（单束实际永存预应力由300多千牛提高到520千牛以上），预应力钢材用量减少50%，可十分方便监测到已施工预应力束的施工质量，确保竖向永存应力不会发生随机变化而非常稳定、可靠。彻底解决了孔道压浆不通（孔道无浆）、压浆不密实、压浆很难起来粘结握裹作用的问题，实现了孔道压浆密实、饱满。

结构示意图

二次张拉锚具施工实物图

当对同一束力筋进行第一次张拉并放张锚固后，再次将锚杯及力筋整体张拉，锚杯离开垫板5至13mm，经持荷后，将支承螺母向垫板侧旋扭，用以消除锚杯下端面与垫板之间间隙，最后，千斤顶回油放张，锚杯被锁定在原位，此时的力筋在理论上无回缩锚固，消除了第一次张拉放张时因锚具回缩产生的应力损失。

二次张拉低回缩钢绞线竖向短索锚固体系

一种由固定端锚具、预应力钢绞线力筋、预应力管道和二次张拉锚具等几个部分组成的锚固体系统，其中固定端锚具位于下端，张拉端二次张拉锚具位于顶部，波纹管呈垂直状态布置于箱梁桥腹板内，经对竖向预应力筋二次张拉后，达到短索低回缩高效锚固的效果。

二次张拉

对同一钢绞线预应力束，首先，按传统夹片锚的张拉方法完成第一次张拉——放张——夹片锚固力筋后，再次将该束力筋的锚杯整体张拉至控制应力，锚杯下端面离开垫板5至13mm，经持荷后，将支承螺母向垫板侧旋扭，以消除其间隙；然后，将千斤顶回油放张，锚杯被锁定在原位，此时的力盘在理论上为无回缩锚固，从而消除了第一次张拉放张时因锚具回缩产生的应力损失。这种预应力施工工艺简称为二次张拉锚具。

竖向预应力锚固体系

由固定端锚具、预应力钢筋、预应力管道、张拉端锚具等部件组成，其中固定端锚具位于下端，张拉端锚具们于顶部，波纹管垂直状态布置于箱梁桥腹板内，经对其进行张拉施工，实现力筋锚固的预应力锚固体系。

锚具

在后张预应力混凝土结构或构件中，为保持预应力筋的拉力并将传递到混凝土上所用的永久性锚固装置。

二次张拉锚具

一种在传统夹片片式圆锚的锚杯外缘上设置螺纹，其外周再设置一支承螺母与锚杯外螺纹相连接且能实现二次张拉的新型锚具。

二次张拉低回缩竖向锚固体系应用部分实例

二次张拉锚具专利证书