公路橋梁后張法預應力箱梁的施工工藝

祝明

（揚州華建交通工程咨詢監(jiān)理有限公司，江蘇 揚州 225000）

引言

公路橋梁后張法預應力箱梁施工技術(shù)相對于先張法具有操作更加簡便、環(huán)境適應性更強等優(yōu)點。這種施工技術(shù)的工藝步驟比較多，并且孔道預留、穿束、錨固、灌漿、封錨等工序?qū)|(zhì)量要求高，研究其施工工藝對規(guī)避質(zhì)量缺陷和安全生產(chǎn)事故具有突出的指導意義。

一、后張法的原理和特點

（一）原理分析

后張法預應力施工是一種增加公路橋梁結(jié)構(gòu)強度的技術(shù)措施，其施工原理是安裝好模板、預埋預應力筋穿束的管道以及梁體鋼筋框架，然后在模板中澆筑混凝土。當混凝土凝固到一定強度之后在預埋的孔道中穿過事先制備好的鋼筋束、鋼絞線或者鋼絲束，并完成張拉，預應力筋受到千斤頂?shù)妊b置的張拉作用，呈現(xiàn)出伸長的狀態(tài)，等到張拉到位之后使用專門的錨具將預應力筋錨固在公路橋梁結(jié)構(gòu)體的端面，原本處于伸長狀態(tài)的預應力筋就會產(chǎn)生向內(nèi)收縮的應力，此時橋梁結(jié)構(gòu)體在這種應力的作用下，會增強結(jié)構(gòu)增強、承載力增大的特點。公路橋梁由多節(jié)箱梁組裝而成，箱梁的兩端搭載在承臺上，中間具有較大的跨度，當載荷作用于箱梁的中部時會形成較大的力矩，如果結(jié)構(gòu)體強度、剛度不足，容易產(chǎn)生開裂或者其他類型的損壞。后張法所產(chǎn)生的應力使箱梁產(chǎn)生略微上拱的趨勢，在很大程度上抵消了載荷產(chǎn)生的力矩，這是其能夠提升箱梁結(jié)構(gòu)安全性的根本原因[1]。

（二）后張法的工程特點

后張法和先張法都能實現(xiàn)預應力施工的目標，但是其施工特點不一樣，后張法的特點如下：1）場地靈活，無承臺要求。先張法為了使預應力筋產(chǎn)生特定的應力，必須借助臺座承受張拉時產(chǎn)生的作用力。而后張法是借助澆筑凝固后的混凝土結(jié)構(gòu)來充當臺座，這樣就可免去先張法對臺座的依賴性，所以后張法具有更好的環(huán)境適應能力；2）需要預留孔道。由于后張法是先澆筑混凝土，后穿束張拉，因此在澆筑之前必須預留出穿束的孔道，一般采用紋波管。鋼筋從孔道中穿過并張拉之后可使用混凝土將其填充，預埋的孔道可抽離，也可不抽離，這種作業(yè)方法屬于有黏結(jié)后張法預應力工藝。如果始終不填充孔道，使其保持中空，這種施工方法也可采用，這種稱之為無黏結(jié)后張法預應力工藝；3）錨具用具保留。與先張法不同，后張法的錨具對維持預應力筋的應力作用具有不可替代的作用，因此，這種施工技術(shù)要求錨具必須保留，由此帶來的問題是這種工藝技術(shù)無法重復利用錨具，工程造價相對更高一些；4）適用范圍。由于后張法的造價較高，在小型梁體的施工中一般不使用這種方法，公路橋梁工程的梁體跨度大，工程價值高，因而使用更為普遍[2]。

圖1 后張法預應力施工的工藝流程

二、后張法預應力箱梁施工的前期準備工作

（一）預應力筋準備

單根預應力筋。鋼筋的直徑、鋼材的類型對單根預應力筋的錨固方式具有重要影響，原材應符合《鋼筋砼用熱軋光圓鋼筋(GB13013）》、《鋼筋砼用熱軋帶肋鋼筋(GB1499)》、《低碳鋼熱軋圓盤條（GB701）》的規(guī)定。單根預應力筋要采用合適的錨具，幫條錨具、螺絲端桿錨具以及墩頭錨具的適用范圍各有差異，例如，螺絲端桿錨具要求鋼筋直徑不得超過36mm。

鋼絞線和鋼筋束。錨具的承載能力和張拉設備的拉力大小直接決定了鋼絞線束和鋼筋束的長度，將下料長度記為L，張拉設備選用穿心式千斤頂，錨具使用XM 型或者JM 型，那么下料長度需滿足表1 中的計算方法。

表1 鋼筋束或者鋼絞線束的下料長度計算方法

（二）錨具準備

錨具類型多樣，但適用范圍各有差異，錨具的設計和制作也都是依據(jù)特定的預應力材料來進行的。具體情況如下：1）錐形螺桿錨具主要用于錨固碳素鋼，當單根的直徑為5mm 時，一次性可錨固24 根。具體施工時先在椎體上套上鋼絲，并做到整齊且均勻，接著在椎體外側(cè)套上套筒，利用手錘敲擊調(diào)節(jié)套筒，使其和椎體保持同心。拉伸機作用于椎體，而椎體可擠壓鋼絲和套筒，最終使這些機械結(jié)構(gòu)錨固成一個穩(wěn)定的整體；2）鋼絲束墩頭錨具。這種錨具可一次性錨固12 到54 根碳素鋼絲，單根直徑為5mm。其構(gòu)成部分包括錨環(huán)和螺母，安裝方法比較簡便。

（三）張拉機具準備

后張法預應力施工中使用的張拉機具包括穿心式千斤頂、錐錨式千斤頂或者拉桿式千斤頂，其中使用最廣泛的是穿心式，因為其適用范圍最廣，目前使用的各種預應力筋都可采用這種千斤頂來張拉。錨桿式千斤頂可用于張拉鋼絲束、鋼絞線以及鋼筋束，在張拉后兩種預應力筋時對錨具提出了要求，一般為KT-Z 型錨具。拉桿式千斤頂可用于張拉粗鋼筋和鋼絲束，張拉時要和錨具配合得當，粗鋼筋時采用螺絲端桿錨具，預應力筋為鋼絲束時采用DM5A 型鐓頭錨具或者錐形螺桿錨桿。

三、后張法預應力箱梁施工工藝

（一）安裝支架和模板

后張法預應力箱梁在張拉之前必須先將混凝土結(jié)構(gòu)澆筑完成，因此，必須借助支架和模板系統(tǒng)形成箱梁澆筑施工的基本條件。1）支架系統(tǒng)安裝。橋梁工程施工區(qū)域的地質(zhì)條件不一定穩(wěn)固，在搭建支架系統(tǒng)時要在底部支點枕木或者鋼板，確保支架系統(tǒng)底部的承載力滿足要求。支架搭建之后會產(chǎn)生一定的沉降，而這種沉降作用會影響到頂部的標高，等到其完全沉降之后再去安裝模板。在前期的工程測量階段將標高、跨度、剪刀撐的設置等作為重點。另外，由于支架的整體跨度比較大，拼裝連接時具有一定的難度，要盡可能控制好各個節(jié)點的標高。2）模板安裝。公路橋梁主體結(jié)構(gòu)的尺寸比較大，這就要求模板系統(tǒng)必須達到足夠的強度，尤其是底模和側(cè)模，其承載的混凝土壓力非常大。模板的連接和固定要控制好精度，尤其要避免漏漿，在安裝模板的同時要將管道、鋼筋以及其他的預埋件設置和固定到位。

（二）捆扎鋼筋，安裝預應力筋

預應力箱梁的底板、腹板以及頂板和翼板的澆筑時機存在差異，先澆筑底板和腹板，因此，這兩處混凝土構(gòu)筑物的鋼筋要先安裝到位，等到其澆筑完畢且頂板和翼板模板固定到位，再去安裝這兩處的鋼筋。預應力筋的穿束孔道基本上都是采用紋波管，在安裝之前要嚴格檢查其是否存在堵塞、破損或者受污染的情況，紋波管破損會造成其內(nèi)部漏漿。預應力筋可根據(jù)工程項目的實際情況選擇適合的材料，以鋼絞線居多。橋梁工程的鋼筋在連接固定時可能會使用到焊接的工藝方法，此時要避免影響到紋波管，必要時在紋波管外側(cè)設置隔板。預應力筋穿束要在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑完成且達到一定強度之后再進行，時間上一般是在橋梁混凝土澆筑完成三天之后，張拉時要使用張拉機具固定預應力筋的端頭，一般要預留1m 的長度。

（三）混凝土施工

為了提高混凝土配置的標準化和快速化，采用專業(yè)的拌合站來提升各種物料稱量的準確性，利用專業(yè)的運輸車輛在合理的時間范圍之內(nèi)將其運輸?shù)浆F(xiàn)場，混凝土澆筑按照先底板、腹板，后頂板、翼板的順序。澆筑之前嚴格檢查支架系統(tǒng)、模板、鋼筋以及紋波管等是否符合技術(shù)規(guī)范。振搗操作無論使用振搗器還是振搗棒，都可能因為操作不當而破壞紋波管或者其他類型的預制件，作業(yè)人員必須嚴格避免此類情況。混凝土材料中含有氣體，振搗的作用是將內(nèi)部密實到位，使骨料和漿液均勻分布，當表面不再向外冒泡時表明氣體排除到位，即可停止振搗。澆筑混凝土的過程中有可能將混合料送入紋波管內(nèi)部，為了防止這一現(xiàn)象，事先在紋波管內(nèi)部預設了清孔器，其發(fā)揮作用的方法為施工人員在澆筑混凝土時來回拉動，也就是從梁體結(jié)構(gòu)的一端拉至另一端，反復多次，尤其要在澆筑結(jié)束之后，混凝土未初凝之前，在徹底做一次清孔操作。紋波管一旦被混凝土堵塞，預應力筋穿束將無法完成。箱梁混凝土澆筑的厚度比較大，難以一次性完成，一般按照30cm 一層的厚度分層完成澆筑，上下分層處容易產(chǎn)生融合不到位的情況，振搗操作時要將振搗棒直接越過上下兩層的交界面，深入5 到10 厘米。養(yǎng)護時間根據(jù)混凝土施工工藝來確定，通常為7 至28 天，在表面覆蓋一層具有良好蓄水效果的遮蓋物，如草簾或者麻袋，保持灑水潤濕。

（四）拆除模板和支架

模板的拆除時間基本上按照條件分批次進行，順序為側(cè)模、內(nèi)模和底模，混凝土的強度對拆模的時間具有非常重要的影響，為了在恰當?shù)臅r機拆除模板，應該檢查其孔道成型情況、混凝土是否脫落。模板及各種連接附件拆除完畢之后再按照從上到下的順序依次拆除支架。

（五）預應力張拉

孔道的預留方式會影響到預應力張拉的方法。1）抽芯法孔道預應力筋張拉方式。當采用抽芯法形成穿束的孔道時，應該根據(jù)預應力筋的長度和線型選擇適當?shù)膹埨绞健Ｈ绻A應力筋的長度不超過24m，并且線型為直線，張拉方式為一端張拉。長度超過24m 的直線型孔道或者曲線孔道基本都采用兩端張拉的方式來處理。2）紋波管孔道預應力筋張拉方式。當線型為直線且長度不超過30m，僅從一端張拉預應力筋即可。如果線型為曲線，或者長度超過30m 的直線孔道，一般從兩端張拉預應力筋。3）張拉順序。預應力筋張拉要做到均勻，一端張拉時比較容易控制，兩端張拉時要做到對稱施行，張拉設備定位之后應該避免位置移動，尤其在開始張拉之后，否則原有的張拉效果會釋放掉。有些混凝土結(jié)構(gòu)中不止一根預應力筋，難以一次性張拉到位，此時應該分批次進行，操作過程中要控制好拉力和對稱性，必須注意的是分批次張拉時不同預應力筋之間會存在一定的應力損失，作業(yè)過程中要計算好損失值，做好平衡。4）拉力和預應力筋的校驗。預應力張拉對拉力值的大小具有非常精確地控制要求，同樣的，預應力筋的伸長量也具有相同的控制要求。只有精確測量相關(guān)數(shù)據(jù)，才能保證不同預應力筋的張拉效果。如果經(jīng)過校驗發(fā)現(xiàn)張拉值出現(xiàn)了偏差，應該先暫停，分析其中的原因，適當調(diào)整設備。另外，預應力張拉不能操作得過快，這樣容易損壞預應力筋，放慢速度，逐級增加拉力。比如兩端紋波管孔道預應力筋張拉程序：

0 →初應力（劃標線）→бk(持荷2min，錨固）

張拉力對稱進行，采用張拉力及引伸量雙控制的方法檢查張拉的質(zhì)量，施工中應做好各項記錄，以備檢查。

張拉力校核：預應力鋼材張拉以控制應力為主,以張拉時的伸長值進行校核.

a.理論伸長值計算:

預應力筋平均張拉應力公式：

式中:

k——考慮孔道（每米）局部偏差對摩擦影響的系數(shù)（0.0015）

x——從張拉端至計算截面的孔道長度（m）

μ——預應力筋與波紋管之間的摩擦系數(shù)（0.20～0.25）

θ——從張拉端至計算截面曲線孔道部分切線的夾角之和（rad)

b.實際伸長值的量測及計算方法如下：

實際伸長值除量測的伸長值外，再加上初應力時的推算伸長值。

△L ＝△L1+△L2

式中:△L1——從初應至最大張拉應間的實測伸長值

△L2——初應力б0 推算伸長值,采用相鄰級的伸長值。

張拉完成以后，實際測量的伸長值與理論伸長值之差不超過6%，否則采取措施予以調(diào)整。

（六）孔道壓漿

制備灌漿材料。預應力筋穿過孔道之后依然不能填滿其內(nèi)部空間，采用有粘結(jié)的方法來處理時，要在孔道內(nèi)灌漿。原材料為水泥、砂以及各種外加劑。在配置混合料時要選用優(yōu)質(zhì)的普通硅酸鹽水泥，通常砂和水泥之間的比例為3:1。第二，清理孔道。紋波管在運輸、安裝過程中會落入灰塵、異物，在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑時可能會混入一部分漿料，堵塞孔道，施工時要積極利用清孔器，必要時使用洗滌劑將其內(nèi)部清理干凈。第三，壓漿。水泥漿液在重力的作用下會自然地從高處向低處流動，但是這樣難以保證灌漿的密實性，工程實踐中從孔道上位置最低的一端開始灌漿，然后借助壓力作用使?jié){液將孔道填滿。孔道行設計有專門的泌水孔和排氣孔，為壓漿的順利實施創(chuàng)造了必要的條件。

（七）封錨

后張法預應力施工要求永久保留錨具，預應力張拉結(jié)束之后使用錨具將其錨固到位，然后將多余部分的預應力筋截掉，不過要留出余量，通常留出3cm 即可。最后使用水泥封錨，混凝土構(gòu)筑物在封錨時早已凝固，和水泥之間的粘結(jié)效果存在差異，可在水泥中加入適量的膠體材料，提高黏結(jié)效果。另外，封錨的水泥在凝固的過程中容易因為快速失水而開裂，所以在養(yǎng)護階段可使用塑料薄膜，覆蓋在其外層，減少水分的風干流失。封錨時要仔細檢查孔道是否存在漏氣、漏漿的情況。

四、后張法施工質(zhì)量控制措施

（一）施工材料質(zhì)量控制

(1)水泥、鋼材及其它成品半成品進場必須有出廠合格證，并做材質(zhì)試驗，水泥在有效期內(nèi)用完。

(2)地方材料先調(diào)查料源，取樣試驗,試驗合格方可進料。

(3)現(xiàn)場設專人收料，不合格的材料拒收.施工過程中如發(fā)現(xiàn)不合格的材料及時清理出現(xiàn)場。

（二）人員培訓

預應力張拉作業(yè)是后張法成敗的關(guān)鍵，并且操作過程中還具有一定的安全風險，其技術(shù)規(guī)范也相對復雜，各個工序之間要配合得當。鑒于此，施工單位在作業(yè)之前應該對張拉作業(yè)班組開展嚴格的技術(shù)培訓和安全培訓。重點培訓內(nèi)容包括預應力張拉的時機、錨具的使用方法、張拉機具的使用方法、張拉過程中可能出現(xiàn)的安全風險因素等。優(yōu)先選用具有預應力施工經(jīng)驗的人員組建施工班組。

（三）現(xiàn)場管理措施

第一，預應力張拉的班組成員一旦固定下來，堅決不可隨意更換個別成員，如果要更換，新的人員必須全面接受相關(guān)的培訓活動，確保技術(shù)和安全意識達標。第二，預應力張拉對精確度具有極高的要求，整個作業(yè)過程中按照逐級增加張力的方式來張拉，安排專門的人員記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。由于梁體跨度大，張拉端比較容易出現(xiàn)異常情況，作業(yè)人員要保持實時通信，發(fā)現(xiàn)異常及時報警，終止張拉。

圖2 質(zhì)量保證體系示意圖

五、結(jié)束語

后張法預應力箱梁施工技術(shù)在公路橋梁工程中的應用非常廣泛，在作業(yè)過程中應該針對以上各個環(huán)節(jié)中可能存在的質(zhì)量缺陷進行全面系統(tǒng)的控制。