預應力混凝土技術對道路橋梁施工的影響分析

文/孫庚華

1 前言

預應力混凝土構件指的是利用預應力材料對混凝土結構內部施加壓力，以此抵消外部存在的拉應力。該技術通過利用高性能材料，并以先進的設計方式整合，以達到使混凝土結構更牢固耐用的目的。該技術核心為采取高強度的鋼材和混凝土，并且加之以現代設計方式的預應力混凝土結構。本文通過對照普通混凝土構件來分析預應力混凝土構件的優劣性，分析道路橋梁施工中采用預應力混凝土遇到的問題，并針對道路橋梁施工中選擇預應力構件及施工工藝需求提出對策。

2 背景

談到預應力混凝土技術，我們不得不引入預應力這個概念。從廣義上講，預應力就是有目的地施加某種數值與分布的內應力，不僅僅預壓力是預應力，根據工程需要，也可以預先施加拉力，這也是預應力。舉個常用的例子：扎木桶。如圖1 所示，預先張拉擰緊環向竹箍，給木桶板施加預先壓力，封閉木板桶間縫隙，以防止滲水。

圖1

回到混凝土結構，混凝土抗拉能力和抗壓能力相差太過懸殊。根據使用過程中的荷載特點，我們可以預先給使用過程中的受拉區施加壓力（與此同時，將來的受壓區可能也會受到拉力），以此平衡拉力與壓力，防止混凝土過早開裂。

3 預應力混凝土構件特點分析

首先，采用的預應力混凝土構件應具有較好的剛度且抗裂性好。因為構件內部的預應力筋會使構件受到張力，而構件在正常使用階段，使用荷載和預應力會相互作用抵消，避免拉裂結構，從而進一步提升混凝土結構的耐久性；其次，選擇預應力構件能夠有效降低自身機構重量，同時起到節材的作用。通常，預應力混凝土構件必須采用較高強度的材料，所以在為預應力混凝土構件計算配筋時，可根據規范要求減少構件鋼筋使用量和截面積（截面尺寸），這樣就可以節約鋼材和混凝土，很大程度上減輕了結構自重，同時制作預應力混凝土構件也可有效減小混凝土梁的拉應力以及垂向上存在的剪切力。梁構件的內置彎曲鋼筋會對混凝土結構產生壓力；另外，構件截面具有拉應力，其會使荷載作用下的主拉應力相應減小。因此，梁結構的厚度可以適當縮減，采取預應力混凝土構件可使預應力混凝土梁的重量進一步減輕。該技術對于大跨度和重荷載結構尤其是大跨橋梁具有明顯的優越性。對于大跨度結構、高聳結構和重荷載結構，預應力技術能有效緩解以上結構變形，有利于抵抗可變荷載以及偶然荷載，明顯提升結構的整體效用；再次，預應力混凝土構件可以很大程度上提高受壓構件的穩定性。例如，普通構件形狀細長且占地體積比較大的時候，當受到較大壓力時極易被壓彎，壓力增大導致喪失穩定，就會使構件進一步被損壞。若采用預應力技術處理，縱向受力鋼筋被拉伸且自身處于緊張狀態，預應力鋼筋本身不會輕易受彎變形，鋼筋受到其周圍混凝土的握裹影響，提高了其周圍混凝土的穩定性；最后，預應力技術有助于提升構件的耐疲勞性能，因為構件內部具有預應力較大的鋼筋，當處于使用階段，構件外部荷載增加，抵消一部分預應力產生的荷載，因此導致荷載的變化量不大，可以有效改善構件的耐久性。

雖然預應力混凝土技術在道路橋梁中擁有很多優勢，但是相比于普通的混凝土工程也存在一些缺點。施工技術比較復雜，無論是對工程所使用的設備，還是施工行為質量都有較精確的要求，所以在實際施工中如果應用預應力技術除了要為其配備精通工藝且操作嫻熟的專業施工技術人員，同時還需要配備一定數量的符合條件的專門設備，例如校對儀表、張拉機具、灌漿設備。另外，除了工藝復雜、操作專業，預應力技術對混凝土結構的要求也相對高，在對混凝土結構施加預應力過程中，若操作不當，就會容易造成反拱現象，即反拉應力，反拉應力會嚴重影響到公路橋梁隧道工程質量；最后，預應力混凝土費用遠大于非預應力工程費用，相較于不使用預應力技術的工程，該技術成本花費較大。

4 在公路橋梁施工中對預應力技術的應用

隨著公共交通運輸基礎設施加快建設和發展，全國各地正在大量建設道路橋梁。預應力混凝土橋梁具有自重輕、跨度大、使用荷載較高、設計經濟合理、施工便利易行、施工工藝成熟且臨時設施投入較少等眾多優點[1]。在公路橋梁工程建設中，其項目越大，涉及的方方面面各種因素就有很多，其結構也相對復雜，尤其是多跨橋梁，這種橋梁的結構和位置是不同的，且荷載的彎矩效應也是不同的。通常來看，大部分橋梁整體的中間位置具有正彎矩，即橋梁整體的底部會受到張力的作用。另外，混凝土結構的剪切和拉伸性能是有限的，很難符合大型橋梁工程對質量的要求。由此可以得出，在跨度較多的橋梁工程的施工中，采用預應力技術來處理混凝土構件，有利于提高橋梁主體中間位置抗拉和抗剪切力；與此同時，還能在很大程度確保多跨橋梁的穩定性，提高安全性能。

5 公路橋梁施工中預應力問題及對策

在公路橋梁工程施工過程中，采用預應力混凝土技術雖然有效提高了工程質量，但是也同時衍生出了其他的一些問題，若這些問題不能得到妥善處置，那么同樣會影響公路橋梁工程的建設質量，所以施工單位有必要對這些問題加以關注，確保施工質量過關。

5.1 施工工藝問題及對策

預應力材料問題。采用業內規模較大、品牌過硬的廠家生產的產品，嚴格依照“三證”制度管理，即預應力材料的生產商應出具的質量保證書、各項檢驗通過的合格證書、產品出廠時進行檢驗得出的相關報告。

張拉時間的問題。預應力混凝土構件施工中，通常需要等到混凝土強度達到75%以上，才能開始進行張拉。夏季預計要3 天，冬季（氣溫不低于5℃）預計不會少于7 天。

張拉力控制問題。張拉長度L’=P×L/(E×S)，L’為張拉長度（mm）；P 為張拉力(kN)；L 為預應力筋夾持 長度(mm)；S 為 預 應 力筋 截 面 積(mm2)；E 為 預 應 力筋彈性模量（GPa；1GPa=1000MPa)。

孔道壓漿問題。通常采用水泥凈漿進行孔道壓漿，然后配合添加外加劑；操作時先用清水沖洗孔道，然后將水泥凈漿從孔的一端以一定壓力注入，直至另一端有濃漿后溢出，穩壓一定時間后進行封閉；盡快完成壓漿，按照規定時長不宜超14 天；在壓漿過程中，必須見到排水孔、排氣孔有濃漿流出，隨后封孔；水泥漿應確保充分，且穩壓時間不少于2min。

5.2 錨具問題及對策

預應力錨具也是張拉環節的要素之一，一般在橋梁施工中常用，實際施工可根據設計和規范采取不同的措施，使用時進行安裝定位。

5.2.1 錨具的材料問題。生產錨具的廠商必須有相關資質，并按設計圖紙要求加工。錨具材料的好壞程度對錨夾片的影響很大，例如同一生產廠家采用不同材料也會造成錨具差別較大，其生產質量容易產生波動。

5.2.2 錨具的尺寸問題。國內的建筑市場中，錨具價格偏低，錨具生產廠家利潤減少。為了確保獲利，無良生產者很可能采取非標準的方式提高生產，以保證利潤，如：一些生產者的錨具夾片長度減小，厚度、孔距等也不符合標準，錨具質量難以達標。另外，非標準的錨具很容易影響工程質量，進而產生安全隱患；其解決方式就是強化對錨具生產的檢查和抽查力度。對于錨具尺寸而言，工作人員務必要嚴格篩選，例如夾片的長度未達到5cm，一定要禁止采購和使用，同時還要依據相關具體預應力混凝土構件重點關注相關尺寸方面的問題。

5.3 滑絲和斷絲問題及對策

油污、鋼絞線嚴重銹蝕、錨圈放置不準等是可能造成滑絲的主要原因；另外，錨具與夾片不能密貼也會導致滑絲甚至斷絲；當鋼絞線未被理順而發生受力不均或者鋼絞線受到摩擦擠壓等情況就可能會造成斷絲的情況[2]。為了防止出現滑絲和斷絲情況，穿束前，工作人員應按要求對鋼束完成梳理編束、綁扎；在張拉前檢驗錨夾具，嚴格按照規范測定夾片的硬度，未通過檢測的應進行調整；另外，確定錨具、千斤頂位置并進行安裝，隨后開始張拉。張拉過程中，油壓表示數達到要求值后迅速回落，據此推測可能會出現斷絲的情況，如果發生斷絲，應立即更換相關材料，重新執行張拉操作。如需焊接，不允許把預應力筋作接地線，以避免出現波紋管被燒傷的狀況。張拉前，清理鋼束并檢查是否有修銹蝕部位，對發生銹蝕的地方進行調整和調換。此外，千斤頂和油壓表需要由有資質的單位或部門對其進行標定，如出現斷絲情況，應補足斷絲造成的應力損失[3]。

6 結語

目前，交通運輸基礎建設不斷發展，預應力混凝土技術將越來越廣泛應用于道路橋梁工程中。在道路施工中，我們要總結經驗，揚長避短，對多方面的要素進行管控，以此進一步提升施工質量。