高速公路橋梁施工中預應力施工技術的應用分析

摘要 隨著社會的不斷發展和科學技術的進步，我國橋梁施工技術發展到了一個新的高度。當前橋梁工程施工中大力推廣應用預應力技術。合理使用預應力施工技術可以提高橋梁的跨越能力，有效節約施工材料，降低施工成本，提高橋梁的承載力、抗震能力和施工質量。文章簡要分析了預應力技術在高速公路橋梁施工中的應用，以及實際施工過程中可能出現的問題，提出了施工質量的一些控制措施，為預應力技術在后續橋梁施工中的應用提供參考和建議。

關鍵詞 高速公路;橋梁施工;預應力施工技術;應用

中圖分類號 U445.57文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2022）09-0105-03

引言

我國橋梁發展進入快車道，橋梁建設數量急劇增加，出現了懸索橋、斜拉橋、拱橋等多種結構形式，跨越能力得到了提高。近年來，在我國大力發展和完善交通基礎設施的建設浪潮中，預應力施工技術得到大力推廣和不斷優化。預應力技術應用于公路路基邊坡錨固、橋梁工程和臨時結構加固，已成為公路建設領域不可或缺的工程技術[1]。預應力技術具有獨特的施工優勢和科學的結構，可以有效彌補建筑材料的不足，但在具體施工過程中仍存在一些問題。在我國公路橋梁工程數量急劇增加，施工質量和安全要求顯著提高的新形勢下，要加強預應力施工技術的探索和應用，分析研究預應力施工工藝流程和實際效果，充分發揮其優勢，進一步提高橋梁工程的承載力、施工質量和使用壽命。

1 預應力技術

1.1 預應力技術概述

預應力是為了提高結構在使用過程中的性能，施工期間對結構施加的預壓力，在使用期間結構由于荷載作用引起的拉應力可由預先施加的壓力抵消或者完全消除，使得結構不被破壞。預應力混凝土結構在工程中經常使用。其原理是使用預應力可以減少甚至抵消荷載產生的張力。預應力混凝土結構是充分利用高強鋼筋和混凝土的抗壓強度，提高混凝土結構的剛度，擴大混凝土結構的應力范圍，提高混凝土結構的抗疲勞性能，延緩裂縫的發生，限制裂縫的發展，提高混凝土結構的耐久性。

1.2 預應力技術的特點

在預應力材料彈性限度范圍內合理應用預應力，能有效提高構件的抗滲性、抗裂強度和抗疲勞性能，降低結構的主拉應力和豎向剪力，提高結構剛度，從而提高其承載力。同時可以減小截面尺寸，節省施工材料，減輕結構重量，適當增加橋梁的跨度，提高車輛在橋上行走的舒適性。橋梁建設中合理使用預應力技術不僅可以延長橋梁的使用壽命，還能節約橋梁建設成本。預應力技術施工工藝和結構形式簡單，設計安全可靠，在橋梁工程設計和施工過程中應充分利用，并不斷研究完善。

2 預應力的應用

預應力技術在現有公路橋梁中的應用不限于新結構，還應用于舊結構的加固與維修、模板工程施工、邊坡錨固、混凝土路面施工、大型構件吊裝、頂推、懸臂施工，移動模架施工等方面[2]。

2.1 加固公路橋梁

公路橋梁加固主要是通過各種現代技術對橋梁結構進行加固和擴建，有效提高公路橋梁的承載力和耐久性，滿足日益增長的現代交通和人們安全出行的需求。隨著交通建設進程的不斷深入，預應力被運用到橋梁加固施工中。對于存在質量缺陷的結構或構件，可采用預應力加固技術進行維修、加固，為施工質量提供可靠保證。預應力加固技術一般用于懸臂梁、連續體系梁和簡支梁橋的加固，有助于降低橋體內局部裂縫的概率，減少梁體的撓度，提高橋梁的安全性和穩定性。

在橋梁施工過程中，采用預應力技術加固橋梁的方法很多。常見的有體外預應力筋、增加截面和鋼筋。通過對結構的分析，改變梁的受力體系，對應力或集中力較大的地方進行加強，能有效提高梁的整體受力穩定性，增加其使用時長。采用預應力對梁進行加固實際上就是對梁預先施加一個內力作用，用來與施工或使用荷載相互抵消減小，相互平衡。預應力加固方法相當于在原有結構上增加一個中間彈性支撐，在橋梁受到外部荷載之前施加預應力，在加固施工期間降低混凝土的初始應變值，并在構件的受壓區和受拉區預先產生拉應力和壓應力，從而提高工程的結構標準和基礎內容，使初始彎矩作用下的拉伸和壓縮應變減小;當構件達到極限受力狀態時，鋼筋的應變增量和應力增大，最大限度地利用鋼材的強度。

2.2 受彎構件施工

混凝土受彎構件的補強加固主要是利用預應力筋向構件或結構傳遞一個預加力，使構件或結構的整體受力能力增加。其施加應力的目的是改變原有的結構內力，對高應力部位進行外力加持，減少應力集中，進一步提高結構的抗彎承載力。預應力加固法適用于大跨度結構或高應力大型結構，用一般方法無法達到預期效果。采用預應力筋可以提高構件的承載力，改善構件在使用階段的性能，在不增加構件截面尺寸，也不影響使用空間的情況下減小裂縫寬度（如圖1）。

預應力加固過程需要在加固受拉截面外添加并張拉預應力鋼筋，將其錨固在梁（板）端部。加固后暴露預應力筋的加固梁，預應力筋僅在錨固點和支撐點與原梁接觸。當梁隨著外荷載的增加而彎曲時，原梁鋼筋也隨著曲率的增加而延伸，但預應力鋼筋的變形與原梁鋼筋不同，它只與支撐點和錨固點處梁的位移有關。預應力筋張拉后，如果在其上澆筑混凝土保護層形成整體梁，預應力筋和原梁將一起變形。當外部作用力增大時，預應力筋和混凝土包裹的原梁鋼筋的內力同步增加。當梁損壞時，受拉鋼筋可能有兩種情況：一種是梁中的預應力筋和受拉鋼筋均達到屈服強度，即適筋加固梁;另一種是超筋加固梁。

2.3 多跨連續梁施工

多跨連續梁的承重結構（板、T梁和箱梁）連續跨越多個橋孔，屬于超靜定結構。它的結構剛度較大，在外力作用下產生的變形較小，由于多跨梁聯結在一起，減少了梁端伸縮縫的數量，這樣行車更加舒適平穩。與同跨度簡支梁相比，具有截面尺寸小、重量輕、節材等優點。從結構層面上，多跨連續梁應用預應力技術主要部位是梁腹板的正彎矩區和頂板的負彎矩區，正彎矩區多位于梁的跨中位置，由于跨中位置彎矩較大，需要利用負彎矩來平衡，故將相鄰跨聯系起來，在墩頂支座處形成負彎矩區。在多跨連續梁施工中，當抗剪承載力和抗彎承載力不能滿足設計要求時，使用預應力技術加固效果顯著，保證了橋梁施工的質量和安全。

3 橋梁施工中應用預應力技術存在的問題

3.1 預應力管道問題

預應力管道堵塞在公路橋梁施工中是很常見的現象。預應力管道堵塞使預應力筋無法穿束或導致預應力筋張拉不對稱，容易出現張拉過度或張拉力不符合設計要求，影響預應力施加效果，導致預應力理論計算值與實際伸長值之間存在較大誤差，進而影響施工進度。

預應力管道堵塞的主要原因是預應力管道的損壞。鋼筋焊接、鋼絞線穿線和混凝土澆筑過程可能會損壞或影響預應力管道的位置。預應力管道有接頭時，應加接頭套管。兩個相連波紋管的接頭應頂緊，接頭套管的長度應符合要求，以避免水泥漿進入波紋管。

3.2 張拉控制缺乏有效性

預應力張拉和灌漿主要采用智能張拉和智能循環灌漿系統[3]。施工中只需要人工輸入張拉力，張拉系統自動完成整個張拉過程，操作簡單。但在張拉前，要對千斤頂和油壓表進行校準，建立校準方程，計算各張拉階段的油壓表讀數。第一次張拉時，應對張拉設備進行調試，并逐一復核輸入數據和計算數據。在實際使用過程中，未按規定要求進行匹配校準，或張拉設備出現問題而未再次校準，張拉力計算或輸入錯誤，鋼絞線穿線不當，張拉順序錯誤，都會影響張拉力的控制。

3.3 預應力混凝土梁發生損壞的問題

預應力混凝土梁在張拉前表面經常出現裂縫，嚴重影響梁的質量。梁的表面出現裂縫的具體因素有：在溫度變化或混凝土徐變的影響下形成裂縫;過度振搗會導致離析，表面水泥含量高，收縮增加;養護期間的早期拆模或干擾;混凝土早期養護不到位，表面失水過快，造成內外收縮不均，表面混凝土開裂。混凝土澆筑時要加強對混凝土的振搗控制。混凝土澆筑完成后，及時灑水養護，避免陽光暴曬。

在預應力施工過程中，張拉順序不正確、曲線半徑過小或張拉力過大往往會導致梁的橫向變形和腹板的橫向開裂。預應力現澆箱梁在結構本身重量的作用力下會出現扭矩。對于曲線箱梁橋，在預應力作用下，除了扭矩外，還會產生徑向力。這些扭矩和徑向力將使曲線梁橋產生明顯的橫向效應，并產生腹板橫向開裂的病害，為更好地承受預應力鋼束沿梁底曲線布置產生的徑向力，底板箍筋的間距和直徑必須合理設置，使箍筋產生的拉應力平衡大部分徑向壓應力;同時，還需增加短鉤鋼筋，以提高箱梁底板上下鋼筋的強度，起到防崩的作用。

3.4 預應力筋滑絲與斷絲的問題

預應力筋滑移的原因是：錨限位板的極限深度太深;錨墊板未清理干凈;預應力筋和千斤頂卡盤有油污;錨具偏離下底板的止動塊;錨具（錨環、錨塞和夾片）的質量存在問題。預應力筋斷絲的主要原因是預應力筋的質量缺陷或損壞，千斤頂未按規定校準，穿筋時預應力筋纏繞，導致預應力筋受力不均斷絲。施工過程中，當預應力鋼絞線每束滑絲、斷絲不超過1根，且每段斷絲總數不超過該段鋼絲總數的1%時，應按要求進行補拉處理。如果整捆或大量滑絲和斷絲，應拆除錨頭，檢查并更換鋼絞線，然后重新張緊。

4 橋梁工程中預應力技術施工質量控制

4.1 原材料控制

嚴格控制進場材料的質量。進場時應分批驗收，除檢查其質量證明書、包裝、標志和規格外，還應嚴格按照規范要求進行抽檢或送檢。

4.2 管道安裝定位

預應力管道的安裝精度對預應力的施加效果起著至關重要的作用。施工過程中要嚴格控制管道線型和定位坐標，保證波紋管在澆筑混凝土后不滲漏、不堵塞、不歪斜、不變形。管道成型后，應按照質量檢驗程序逐一檢查整體線形、坐標、定位筋的牢固性和接頭的緊密性。管道線型應平滑，中心線應垂直于末端預埋錨墊板;發現波紋管有裂紋，定位筋松動，應及時處理;波紋管接頭應用防水包布密封;混凝土施工時要注意保護管道，施工作業人員不能踩踏管道，混凝土振搗時不得碰撞、擠壓管道;波紋管安裝好后，可在管道中放入直徑較小的塑料管，避免管道受到外力擠壓變形或損壞，插入的塑料管具有一定的剛度，可保證管道的線型和位置準確;在混凝土初凝前，應不時使用通孔裝置進行檢查和疏通。如果提前放入預應力鋼絞線，要隨時拉動，避免因混凝土堵塞而影響預應力張拉。當堵塞孔嚴重無法疏通時，應檢查堵塞孔的位置，并鑿出混凝土疏通孔道。

4.3 預應力筋下料及穿束

鋼絞線應采用整體編束和穿孔。鋼絞線下料要考慮張拉工作長度，下料長度要精準。鋼絞線下料口必須齊平，不得散落，以觀察斷絲和滑絲情況。編束時鋼絞線應相互平行，不得纏繞。綁扎好的鋼絞線兩端應編號并掛孔號。預應力筋編束后，應整體穿過孔道。鋼絞線前端應設置鋼絲網套管或專用牽引頭，由牽引車牽引。鋼絞線安裝完畢后，應及時封堵兩端波紋管，外露鋼絞線應及時包裹，以防銹蝕。

4.4 張拉控制

預應力的施加對預應力混凝土的質量影響較大，施工時應嚴格控制各道工序，嚴格遵守操作規程。張拉前，在試壓相同條件下的試塊并進行現場強度回彈試驗，確認混凝土強度滿足要求方可張拉。張拉前應嚴格檢查錨具、千斤頂和現場安全防護設施，嚴格按照張拉力計算值和張拉操作規程及要求進行張拉。預應力鋼束張拉后應立即灌漿，并按設計要求及時對錨端進行封閉保護或防腐處理。

張拉理論伸長量計算如下：

（1）計算公式：

（1）

（2）

式中，Pp——預應力筋的平均張拉力（N）;L——預應力筋的長度;Ap——預應力筋的截面面積（mm2）;Ep——預應力筋的彈性模量（N/mm2）;P——預應力筋張拉端的張拉力（N）;x——從張拉端至計算截面的孔道長度（m）;θ——從張拉端至計算截面的孔道部分切線的夾角之和（rad）;k——孔道每米局部偏差對摩擦的影響系數;μ——預應力筋與孔道壁的摩擦系數。

（2）計算理論伸長值，要先確定預應力筋的工作長度和線型段落的劃分。后張法鋼絞線型既有直線又有曲線，由于不同線型區間的平均應力會有很大差異，因此需要分段計算伸長值，然后累加。于是上式中：

（3）

（4）

5 結語

預應力不僅是一種結構手段，也是一種基于分段施工與施工方法相結合的工程技術。在既有橋梁的改造加固、延長橋梁使用壽命、新型橋梁結構的研究等方面發揮著主導作用。在未來的發展中將有更廣闊的應用領域。在實際使用中，要注意預應力施工中常見的問題，控制預應力混凝土施工各階段的施工質量，加強對預應力施工技術各種效果的分析，根據公路橋梁工程的實際情況，制定切實可行的橋梁維修方案，合理應用預應力施工技術，針對預應力施工技術應用中可能出現的問題，提前預防，及時解決，不留安全隱患，確保公路橋梁建設的安全和質量。

參考文獻

[1]楊曉翔. 公路橋梁施工中預應力技術應用[J]. 中國高新技術企業， 2010（7）： 166-167.

[2]張健. 論道路與橋梁施工中預應力的應用及存在的問題[J]. 黑龍江科技信息， 2014（7）： 185.

[3]馬劍飛. 大跨徑預應力連續橋梁施工控制關鍵技術研究[D]. 武漢： 武漢理工大學， 2006.

收稿日期：2022-02-16

作者簡介：楊雄旺（1994—），男，本科，助理工程師，從事高速公路施工工作。