預應力技術在公路橋梁施工中的優化應用策略

陳剛

（中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州450001）

0 引言

預應力技術是橋梁建設的重要環節，其實際操作過程不是簡單的牽拉過程。在施工過程中，工程師應制定完備的預應力工程方案，并在施工過程中注意施工細節，從而達到建造高質量橋梁的目的。

1 預應力技術在施工中的應用概念

首先了解預應力筋的概念：預應力筋由鋼絲、鋼絞線或鋼筋組成。由于預應力筋在橋梁支撐力方面起關鍵性作用，橋梁建設需要對預應力筋進行嚴格要求：預應力筋品種、級別需要符合設計要求，達到橋梁建設要求的強度。在檢驗人員進場檢測時，不僅要檢測預應力筋的證書、規格等基礎信息是否正確，還應注意測量其彈性模具等信息。并選擇配套的錨具、錨墊板和局部加強筋從而加強橋梁整體強度。再了解預應力技術：預應力技術分為先張法和后張法。先張法顧名思義在橋梁建設時，先張拉預應力筋，后澆筑混凝土。后張法是預留出預應力筋的洞口前提下，先澆筑混凝土，后張拉預應力筋的工程辦法。

兩種預應力技術在施工中有異同，相同點人混凝土強度都應達到標準值的75%；不同點在于先張法在澆筑混凝土后需要切斷鋼筋，其預應力的傳遞靠的是混凝土與鋼筋之間的“粘結力”即握裹力；后張法在澆筑混凝土后需要張拉鋼筋，“錨具”是其預應力傳遞的主要工具。在施工中應用預應力，不僅節省工程成本、降低橋梁自身承重力，還具有提升橋梁抗滲透性和抗拉裂性能等優勢。

2 預應力技術在公路橋梁施工中面對的問題

預應力技術面對的最大問題在于預應力的損失，預應力損失分為瞬間損失和長期損失。瞬間損失主要在于張拉預應力筋階段：孔道摩擦損失、錨固損失、彈性壓縮損失。長期損失存在于張拉后階段：預應力筋應力松弛損失、混凝土收縮徐變損失。

2.1 孔道摩擦損失

孔道摩擦損失是后張法施工孔道注漿過程中出現的問題。其損失程度不同，造成后果也不同，輕則影響橋梁承重，重則造成橋梁坍塌等嚴重事故。引起孔道摩擦的原因包括在施工時使用的預應力筋的類型、混凝土的性質以及施工時的做工精細程度有關，在施工后對孔道注漿的質量檢測過程中也可能對孔道摩擦產生影響。制訂施工方案時對于孔道摩擦損失部分最大的難題在于難以計算出預應力筋的摩擦系數，使得管道在成型后的管道摩阻損失大于理論上的管道摩阻損失。

2.2 錨固損失

錨固損失是預應力技術中先張法與后張法中均存在的問題。鋼筋錨固的機制是混凝土接觸面與鋼筋表面之間存在的握裹力，當損傷握裹力時，就導致接觸面積增加，鋼筋直徑固定，其周長就固定，導致錨固長度增加。在橋梁完工后，若錨固損失，就會影響橋梁握裹力，從而影響橋梁質量。錨固損失不僅包含直線筋的錨固損失，還包括反向摩阻力的影響。若橋梁建造工程師在設計過程中計算的直線預應力筋越長，其誤差越大。

2.3 彈性壓縮損失

彈性壓損損失是先張法和后張法施工中出現的問題。彈性壓縮損失是預應力傳遞時由于構件壓縮短引起的預應力損失。用通俗的話描述，即：若在分批張拉的情況下，混凝土會因后張拉的預應力縮短，而先前已經錨固好的鋼束處的混凝土會產生彈性壓縮。所以在不同張法的構建中，計算損失的方式也不同。

對于先張法：全部預應力筋一次放張計算。

對于后張法：多根預應力筋分批張拉，構建逐步縮短，先張拉的預應力筋產生不同程度的彈性壓縮損失，若只有一根預應力筋或雖有多根預應力筋但一次同時張拉，則構件在張拉過程中的縮短不產生彈性壓縮損失。

2.4 預應力筋應力損失

預應力筋應力損失包括預應力鋼絞線松弛引起的損失、鋼絞線受溫差引起的損失、鋼絞線擠壓混凝土引起的損失、鋼絞線與各種相連物摩擦引起的損失和張拉端錨具的變形和預應力筋回縮引起的損失。預應力筋的應力損失是在所難免的問題，其應對策略也只能簡單進行緩解，無法長期避免，但撇去其他自然因素，人工因素帶來誤差，可以人為避免。

2.5 混凝土收縮徐變損失

混凝土的收縮與徐變一直以來都是施工工程中長期存在的難題。混凝土受外界因素干擾會產生相應的形變，如熱脹冷縮的物理性質。其混凝土收縮是指混凝土從半固體狀態到凝固狀態時產生的形變。其徐變是指混凝土長期經外界因素的作用力影響下帶來的形變。在預應力技術的實際應用中，混凝土的收縮徐變將會導致預應力的損失。而就橋梁工程而言，混凝土的收縮與徐變會影響橋梁的承重能力，這對于道路與橋梁工程是一個很大的安全隱患。

3 預應力技術在公路橋梁施工中的優化應用策略

3.1 人工避免孔道摩擦預應力損失

在橋梁建筑中，工人行為不規范會導致橋梁預應力損失，從而導致橋梁整體強度下降，嚴重時會因為一點小失誤導致嚴重的事故發生。所以在施工過程中，施工方對工人行為進行規范，使其采取物理方法來降低孔道摩擦部分的預應力的損失。解決措施包括預應力筋鋼絞線方面影響孔道摩擦和施工工藝導致的孔道摩擦以及綜合性因素。

3.1.1 減少預應力筋鋼絞線導致的孔道摩擦損失措施

①預應力筋鋼絞線質量低，會很大程度上影響孔道摩擦因素。故在施工過程中，對于未使用的鋼絞線或預應力筋應盡可能妥善保管，避免其受到損害，影響工程質量。一般來說，預應力筋在未使用時宜存放在干燥的室內進行存放，避免其與大量氧氣接觸，使金屬氧化甚至生銹，進而對預應力筋在預應力方面的使用及后續作用產生影響。

②預應力筋編束不規范，也會影響橋體的抗張拉力。所以在預應力筋編束時，應該規范編束行為：梳順理直每一束預應力筋，捆扎牢固整束預應力筋，尤其在編束后，要及時應用圓錐形物體套住預應力筋的端頭部，其目的在于避免穿束過程對波紋管造成損壞，從而影響橋體整體結構。

③孔道摩擦損失之所以會影響工程質量，其原因是在理論上無法精準預測摩擦力多少。所以建造師應該盡量在施工過程中確定預應力筋的實際摩擦系數，以便及時修改施工計劃方案，避免理論方案與實際結果摩擦力誤差過大，從而影響整體橋梁建筑。

3.1.2 減少施工工藝導致的孔道摩擦損失措施

①有經驗的建造師在解決大跨度預應力橋梁施工過程中采取減少使用長預應力束，施行節段施工工藝，從而降低管道的摩阻損失。所以在跨中預應力損失較大區段，宜適當增加預應力筋的數量，從而彌補整體預應力照施工計劃的不足。

3.1.3 減少綜合因素導致的孔道摩擦損失措施

波紋管直徑應按大一號于正常情況選擇的波紋管直徑。其目的在于減少孔道填充量，避免整個孔道分節段，一部分密實，一部分疏松，造成壓力不均，承重力不均的現象，造成孔道摩擦力不均勻，對橋梁預應力造成影響。

3.2 采取基于沖擊彈性波法對注漿孔道進行質量檢測

傳統的對注漿孔道進行質量檢測的辦法是直接鉆孔取芯進行檢測。這種方法應盡量避免或在此基礎上改進，其主要原因是檢測過程破壞孔道結構，進而對整個橋體的穩固性、抗壓性等性能造成破壞。近期，隨著科技的發展，研究人員優化注漿孔道檢測方法，研究發明了一種基于沖擊彈性波法的檢測方式，其原理是沖擊彈性波在質地均勻的管道內產生相同頻率的回射。當孔道注漿質量存在缺陷時，會在缺陷位置上先反射，與管道底部反射波產生時間差。利用這種原理可進行無破壞式孔道檢測，從而減輕對橋梁預應力的損失。

3.3 人為因素避免預應力筋應力損失

人為因素是施工過程中，施工方最大程度上控制對預應力的影響因素，包括可以避免的對預應力筋的損害和對預應力筋的保護防護措施。下面介紹四種可以控制的人為因素對預應力筋的策略，供相關技術人員參考。

3.3.1 超張拉工藝

在鋼絞線的長度大于等于100m 時，鋼絞線會自松弛。鋼絞線松弛的主要原因是鋼絞線是金屬，金屬具有高應力狀態會形變的性質。預應力筋鋼絞線在橋梁中，鋼絞線自身的因素，如：緊繃程度、自身重量，也會導致自松弛。為了減少鋼絞線松弛帶來的影響，超張拉工藝應運而生。超張拉工藝是指在拉張鋼絞線過程中，先按超張拉的5%長度張拉，再持續負荷2 分鐘。這樣操作過后的鋼絞線，經試驗及計算，應力損失減少48%以上。

3.3.2 常溫養護鋼絞線

由于金屬的熱脹冷縮性質，在拉張預應力筋鋼絞線后，熱脹冷縮會影響預應力鋼絞線的長度，同時降低鋼絞線的拉應力。在施工過程中若想避免鋼絞線受到影響，可以選擇盡量在晝夜溫差小的天氣下進行鋼絞線的張拉。或者選擇常溫養護鋼絞絲。常溫養護鋼絞絲即構件蒸氣養生時，逐漸升溫，當混凝土達到一定的抗壓強度時，再逐漸升溫。

3.3.3 施工中選擇錨具形變小的錨具、緩慢移走張拉機械

張拉預應力筋，如果張拉到預應力筋張拉控制應力后，若立刻撤走張拉預應力筋的張拉機械，導致預應力筋回縮，錨具形變，造成預應力筋降低緊張程度，從而引起預應力筋的應力損失。

其解決方法一方面在其他因素上解決：在施工中選用錨具形變小的錨具，預應力筋縮短的長度受到限制，其縮短距離的預應力筋產生的負面效果會得以降低；在另一方面，從源頭上解決預應力筋縮短的問題：在預應力張拉達到標準后，張拉機械在原處停留五分鐘，留給預應力筋足夠的時間形變，再關閉機器，進行鎖死螺母移開張拉機器等一系列操作。

3.3.4 減少預應力筋與相鄰物體摩擦帶來的損失

在預應力筋的張拉過程中，預應力筋會沿著張拉端產生螺旋式伸長的形變。在此過程中，預應力筋必然會與相鄰物體進行摩擦。物體之間摩擦產生摩擦阻力，摩擦阻力的存在將引起預應力的損失。

解決問題時應從大化小：解決預應力筋的摩擦問題轉化為如何降低摩擦，其解決方法就躍然紙上：

①用潤滑劑涂抹底座與張拉器具，降低摩擦系數，從而減少摩擦系數；

②盡量縮減預應力筋的布置長度；

③避免單端張拉，選擇兩端張拉，減少摩擦損失。

為減少預應力的損失，對預應力筋的損失應盡量避免，除了上述的四大方面提供的人為因素影響方面及技術手法帶來的影響以外，施工方還應該注意對預應力筋鋼絞線進行合適的張拉方法、張拉順序與張拉程序，安全有效的進行預應力筋的施工作業。

3.4 減少混凝土收縮徐變

3.4.1 提高混凝土質量

公路橋梁需要很強的承重能力，其橋梁強度，抗張拉能力及熱脹冷縮性質很大程度上受混凝土強度影響。故需要提高混凝土質量，以確保橋梁安全質量。

3.4.2 通過改變混凝土的配比減少收縮徐變

預應力結構對混凝土強度要求較高，其目的在于減小公路橋梁施工結束后混凝土徐變和橋梁預應力的損失。而混凝土的強度等級我們可以通過改變配比用量來進行改變。在水灰比一定的情況下，水泥用量越大，則徐變越大，我們可以在適當的范圍內減少水泥的用量。我們可以在不影響其他指標和性能的情況下靈活地調配混凝土，使其符合預應力結構的需要。

3.4.3 對混凝土構件的厚度及尺寸的改變

構件的尺寸越大，混凝土產生的收縮徐變效應理論上越低。混凝土的收縮徐變是構件的體積與表面積的比的函數，體積越大或者說表面積越小，導致混凝土的收縮與徐變越低。因此在設計過程中適當地加大預應力構件的尺寸可以降低混凝土收縮徐變帶來的負面影響。

3.5 利用臨時束降低彈性壓縮損失及其研究

方法策略應用于后張法。預應力筋在后張法構件中數量較多，常規采取鋼束分批拉張、錨固施工，一般情況下采取逐束張拉。一般采取的策略為盡量減少張拉的分批次數、在分批張拉時讓先批張拉的束數多于后批張拉的束數和合理的張拉次序，即先張拉靠近截面中和軸的鋼束，后張拉遠離中和軸處的鋼束。但是只能起一部分緩解作用。同濟大學吳培峰、鄭步全、陳艾榮發表論文，在理論上證明使用臨時束可更有效的降低彈性壓縮損失。其主要方式是利用設計鋼束的最下排空道，在孔道內穿入比設計束強度更高的臨時束，并張拉錨固，在全部設計束張拉錨固完畢后再拆除臨時束，再穿入設計束并張拉到設計要求錨固。其優點在于不需要專門設置臨時束構造，若臨時束的數量適當，一般可使鋼束的平均彈性壓縮損失降低50%。

3.6 低鈣粉煤灰基地聚物混凝土技術的發展

低鈣粉煤灰基地聚物混凝土是指利用固體廢棄物——粉煤灰與一定的堿激發劑混合，輔以少量高爐礦渣，經過高溫養護加速固化后，以硅一氧四面體與鋁一氧四面體為凝膠體主要存在形式的新型建筑材料，相比傳統普通水泥混凝土具有優異的早期學性能、熱穩定性以及耐腐蝕性。改進傳統普通水泥混凝土的原因在于早期收縮特性。若混凝土收縮嚴重，導致開裂風險大，降低橋梁承重能力，極大程度增加事故發生風險。與早期收縮開裂密切相關的因素是混凝土的拉伸徐變特性。徐變可以松弛張拉的混凝土，降低混凝土的開裂趨勢，只有混凝土的抗拉強度極限小于等于凈拉應力時，橋面就有可能發生開裂。有部分專家表示，低鈣粉煤灰基地聚物混凝土可以在早期收縮和受壓徐變方面強于普通混凝土，為各大施工負責人提供思考方向，但由于缺少對地聚物混凝土拉伸徐變特性的專業論文與實踐案例，不推薦在實際工程中進行應用，但希望為相關方面的研究人才提供科研思路。

3.7 錨固加固

錨固在預應力中人一項重要因素。首先錨下采用的鋼纖維混凝土中鋼纖維的材料尺寸、抗張拉強度、抗腐蝕能力都需要達到標準，符合企業規范。如果上述內容沒有達到標準，就需要重新購料。對于自錨體系錨具，錨固損失和錨圈摩擦都具有一個最佳磨損值，在施工前需要不斷進行調試，以調整到最合適的值。

3.8 優化監督施工管理機制

論文上述部分描述了許多人為因素造成的預應力損失，公路橋梁施工對自身質量要求極高，幾乎不允許出現任何人為失誤，一點小的影響都會不斷放大，失誤放大后，一旦產生事故，后果不堪設想。所以在公路橋梁施工過程中，需要優化監督施工管理機制，施工管理人員對預應力技術相關知識以及施工方案資料進行一定量的了解。施工人員不論在管理員工方面，還是施工方面，都需要以專業的眼光審視全部過程，確保每一步施工過程都是準確無誤的，保證施工質量。

4 結束語

預應力技術作為一項安全且成熟的工程技術，已經被廣泛地施用于建筑施工工程中。在橋梁道路的建設維修及保養當中，預應力技術更是一項不可或缺的技術。當然，再成熟的技術也會面臨許多的技術難題以及缺陷，例如前文提到的孔道摩擦損失等等。因此對于預應力技術的優化與改進是必然的。以上的幾條策略針對現存的一些問題提出了一些想法與建議，希望能夠為攻克技術難關提供一些思路。當然建筑工程中安全是一切工程作業的基本準則。希望施工單位在技術的應用過程中嚴謹規范，以對生命負責的態度建設好每一座建筑。