市政路橋施工中預應力技術的應用

袁瑞河

（北京市市政專業設計院股份公司山西分公司， 山西 太原 030000）

市政路橋工程在長期的使用過程中， 受外界荷載的影響， 容易發生形變， 加大養護難度的同時， 影響路橋工程項目的使用壽命， 而在路橋工程施工中應用預應力施工技術， 可以一定程度上提升路橋工程的承載力， 增加路橋結構的穩定性與安全性， 達成增加市政路橋工程實際使用壽命的目標。

1 預應力技術

預應力技術是在路橋施工中， 通過預先埋設波紋管后送筋張拉、 或先張拉后澆筑混凝土的方式， 來給路橋混凝土結構施加壓應力， 用來抵消實際運營過程中路橋結構所承受的部分荷載帶來的拉應力， 以此來達到提高路橋結構剛度、 增強路橋構件耐久性、 延長路橋結構使用壽命為目的的一種施工技術。 需要注意的是， 在市政路橋工程施工中應用預應力技術， 需要在路橋結構承受外荷載前， 依據橋梁規模和道路性質， 來劃分好橋梁所受荷載等級， 在會受荷載用變形的區域施加一定的壓應力， 進而改變路橋結構的使用性能及結構型式， 提升路橋結構的安全和穩定性。

2 預應力技術的分類

預應力技術分為先張法與后張法兩種， 先張法主要是先設好臺座， 按照要求水平鋪設預應力筋， 對預應力筋 (鋼絞線) 進行張拉， 張拉到設計要求后， 開始捆扎非預應力筋鋼籠， 澆筑混凝土結構， 待混凝土達到應用的強度后， 放張并切割預應力筋， 最后拆除臺座。 先張法具有施工簡單、 自身粘結力強、 錨具可以重復使用、 大批量生產質量穩定等桌優勢， 適用于中小型混凝土構件的批量化生產， 缺點是需要一定的施工場地， 且需要事先配好一些列生產設備， 如坐臺設備、 養護池等， 一次性投資較大， 且先張法由于是先固定后澆筑， 因此先張法的預應力筋多為直線布置， 曲線布置較為困難； 后張法是在澆筑混凝土構件的過程中先埋設波紋管， 待澆筑的混凝土達到設計要求后， 往波紋管內送入預應力筋 (鋼絞線)， 使用張拉機開始張拉， 后張法產生的張拉力能夠高達幾百噸， 同時， 與先張法相比， 后張法不需要事先固定臺座、 也不需要另外開辟加工場地， 可以直接在路橋施工過程中開展施工作業， 且后張法中的預應力筋布置較為靈活， 可以根據施工設計要求， 直線或曲線鋪設預應力筋， 能夠用來制作大型預應力混凝土構件。 缺點是后張法用來進行預應力固定的錨具， 會被永久固定在預應力混凝土構件中， 成為混凝土結構的一部分， 不僅能夠在張拉的過程中起到一定作用， 還能夠在混凝土結構的日后使用中起到傳遞預應力的作用。缺點是這種方法不適合用于小型預應力混凝土構件，費用較高。

3 市政路橋施工中預應力技術應用的價值

3.1 延長路橋結構的使用壽命

預應力施工技術在實際的市政路橋工程施工中，都是按照高標準、 高質量的要求， 來對鋼材、 混凝土、 波紋管等建筑材料進行選擇的， 能夠充分保障預應力混凝土構件的施工質量， 進而保障路橋工程整體質量。 同時， 混凝土構件作為路橋工程主體結構， 預應力技術在混凝土結構中施加的壓應力， 能夠將抵消部分路橋工程運營中受到的外部荷載產生的拉應力，防止混凝土裂縫的過早出現， 延長路橋結構的使用壽命，降低路橋工程養護成本， 能夠在很大程度上實現社會效益與經濟效益雙贏的局面， 節省當地財政開支。

3.2 增強路橋結構的抗震性能

在市政路橋工程施工中應用預應力技術， 主要是使用鋼絞線張拉， 對預應力構件事先進行預應力處理， 并借助混凝土構件來增加路橋工程強度。 在實際的市政路橋工程施工中， 應用預應力技術產生的壓應力能夠與結構荷載相互抵消， 相關的技術人員可以根據混凝土構件的實際情況， 對預應力的受力方向及力度大小進行合理控制， 從而將外部荷載壓力對滬寧土結構的破壞效果降到最低， 增強路橋結構的抗震性能。

3.3 提高路橋結構的整體性

市政路橋工程在設計的過程中， 除了要考慮到工程本身的功能性外， 還要結合整個城市的規劃設計來進行綜合性考慮， 尤其是在路橋工程建設難度不斷增加的當下， 為了保障路橋工程施工安全， 人們對路橋的施工技術水平也有了更高要求， 再加上城市土地資源緊缺， 使得路橋工程在設計上， 不僅要節約空間占有率， 還應具有更高的承載力， 以滿足城市不斷增長的出行需求。 預應力具有的空間效應可以與路橋的彎矩內力相互抵消， 能夠在大大提升路橋荷載的同時，提高路橋結構的整體性。

3.4 提升路橋結構的耐久性

市政路橋工程的實際壽命與路橋結構的耐久性掛鉤，在市政路橋施工中， 預應力技術的應用能夠在最大限度上提升鋼筋混凝土的外部荷載承受能力， 延緩并減少鋼筋混凝土裂縫的產生， 從而提升路橋結構的耐久性。

4 后張法預應力施工技術的要點

4.1 預應力施工材料選擇

后張法預應力施工技術所要用到的施工材料種類較多， 有預應力錨具、 鋼絞線、 波紋管等， 應在施工前， 做好各類施工材料的質量檢查工作， 確保各類施工材料的性能參數與設計規范要求相符；

4.1.1 預應力錨具

預應力錨具進場時， 應嚴格依據相關的規范標準及設計要求， 對預應力錨具的硬度、 外觀、 尺寸等進行仔細檢查， 并對錨固的錨固性能進行檢測， 判斷即將被投入到實際使用中的預應力錨具的錨固性能夠達到預期要求。 其中， 在對預應力錨具外觀尺寸進行檢查時， 抽檢量應為預應力錨具總量的10%， 且參與抽檢的預應力錨具數量不得低于10 套。 針對部分有特殊硬度要求的部件， 如預應力錨具鏈接器 (如圖1)等， 還應對其進行硬度試驗。 需要注意的是， 在對預應力錨具的性能進行檢測時， 如果發現被檢測錨具的某個試件測試結果不達標， 應抽取不低于20 套的樣品錨具， 繼續進行檢測， 此次檢測結果仍舊不達標，那么該批次的所有預應力錨具都應被判定為不合格。

圖1 預應力錨具鏈接器

4.1.2 鋼絞線

在對鋼絞線 (如圖2) 進行分批驗收時， 要認真核對該批次鋼絞線的包裝、 標志、 規格、 質量證明書， 同時， 向鋼絞線經銷商或生產廠家所要對應批次鋼絞線的彈性模量值。 通過分批次對鋼絞線進行表面質量、 直徑偏差、 力學性能實驗， 獲得相關的檢測報告，并比對鋼絞線的彈性模量值， 如果二者誤差在規定的范圍內， 則判定該批次鋼絞線合格， 反之， 不合格。

圖2 鋼絞線

4.1.3 波紋管

預應力波紋管檢測內容應包括外觀、 柔韌性、 抗沖擊性、 抗彎曲滲漏、 局部橫向荷載等方面。 如果預應力波紋管為塑料波紋管， 其每批的檢查數量應不大于10000m。 此外， 波紋管的存放時間不能超過六個月， 如果是室外存放， 應在波紋管底部進行支墊并覆蓋保存， 不能讓波紋管與地面接觸， 也不能讓其直接暴露在空氣中。

4.2 預應力施工設備

路橋工程施工中實施后張法， 需要用到張拉設備、 孔道壓漿機等， 其中， 張拉設備又分為張拉千斤頂、 張拉機等； 需要注意的是使用張拉設備進行預應力筋張拉前， 要對張拉設備的安全性及設備運轉情況進行檢查， 為后續的預應力施工做好基礎。

在使用過程中， 實際張拉工作狀態與標定千斤頂的活塞運動方向相同時， 如果千斤頂出現千斤頂或壓力表異常、 張拉次數大于300 次、 使用時間大于6 個月、 千斤頂檢修或更換過配件等情況， 應及時對其進行重新標定。

4.3 安裝波紋管

為充分保障波紋管的安裝施工質量， 相關的技術人員應依據施工圖紙要求， 對波紋管的定位位置進行精確計算， 確保波紋管安裝位置的準確性。 由于后張法預應力施工技術是先將波紋管固定在鋼筋構件中，穿越鋼筋管道， 而后進行澆筑， 澆筑后在通過應力張拉機， 將應力筋穿過波紋管進行張拉， 一旦澆筑， 便不能再改變波紋管的安裝位置， 因此為了確保后續張拉的效果， 波紋管的定位位置必須準確無誤， 將誤差控制在規定的范圍內。 具體的允許偏差參數如表1 所示。

表1 后張法預應力管道安裝允許偏差

在預應力波紋管的安裝時， 選用直徑為5mm的Ⅰ級鋼筋來制作用于固定波紋管的井字形定位架或U形定位架， 波紋管的直線段每隔80cm安裝一個用來固定波紋管的定位架， 曲線段則每隔40cm裝一個定位架， 同時在施工中要確保梁體鋼筋管道與定位鋼筋間的連接可靠、 牢固， 且確保波紋管固定位置與設計要求相符合。

其次， 需要注意的是波紋管連接處的接頭不能存在角度變化， 避免在波紋管后續的混凝土澆筑中發生移動， 同時對波紋管接頭處進行較為嚴密的纏裹， 避免水泥砂漿滲入到波紋管內， 從而影響后續的預應力筋穿束或張拉效果。

4.4 安裝鋼絞線

先張法使用的鋼絞線為單根， 多跟鋼絞線水平放置同時， 用坐臺固定進行張拉； 而后張法用的鋼絞線則是多股線扎結成束， 在實際的施工中， 鋼絞線的安裝有四個步驟， 即開盤、 下料、 穿束、 錨固， 為了保障張拉效果， 應各個控制鋼絞線各個安裝環節的安裝參數與細節， 具體如下。

4.4.1 開盤

在開盤前， 要借助支架將鋼絞線進行牢固固定，避免鋼絞線在張拉的過程中散開彈傷人。

4.4.2 下料

在用料時， 鋼絞線離地高度為20cm左右， 防止鋼絞線在穿束時， 發生銹蝕。 相關的施工人員要結合實際情況， 對預應力孔道長度、 千斤頂長度、 工具夾具厚度等進行詳細分析， 以此來對下料長度進行應嚴格控制， 過長會導致鋼絞線浪費， 過短會發生脫錨。確定好鋼絞線下料長度后， 使用砂輪或切斷機切斷鋼絞線。

4.4.3 穿束

在穿束的過程中， 為了避免鋼絞線穿破孔道， 降低穿束阻力， 可以用錐形套對鋼絞線進行包裹后， 在送入穿束機穿入端時， 如果孔道較長， 可以使用穿束機對鋼絞線進行逐根穿入。 為了保障穿束安全， 避免鋼絞線在穿束時， 因擺動過大而傷人， 必須在穿束作業區周邊設置警示牌， 禁止非作業人員靠近。 如果孔道較短， 可以對鋼絞線進行編束， 而后整體穿入孔道。 在這個過程中， 要將鋼絞線理順， 確保編束后的鋼絞線松緊一致、 牢固， 不會再穿束過程中散開， 增加穿束難度。 為了防止后續張拉過程中， 鋼絞線在預應力的作用下刺破管道， 在對鋼絞線編束時， 用20號鋼絲， 每隔1m對鋼絞線進行綁扎， 且鋼絲扣必須插入到鋼束內側， 不得外露。

4.4.4 錨固

固定端錨具安裝應在穿束結束后進行， 工程使用的預應力筋、 夾具、 錨具應配套使用。 預埋在混凝土內部的波紋管， 在端部設置了錨墊板與螺旋筋， 在預應力鋼絞線穿束完畢后， 安裝上相應的錨具， 進行固定， 保障每根鋼絞線都能牢固夾住， 錨墊板與錨具間緊密接觸， 不留間隙。

4.5 張拉施工

預應力鋼絞線安裝固定后， 也要對端部留出的鋼絞線長度進行仔細檢查， 確認其是否能夠滿足設計要求， 如果鋼絞線的長度不符合要求， 應及時調整混凝土構件兩段伸出的鋼絞線長度， 使其長度符合預期要求。 在張拉施工時， 相關的技術人員應嚴格按照相關規范標準， 對工具錨、 限位板、 千斤頂等設備進行安裝， 盡可能讓千斤頂、 工具錨、 限位板扥設備的中心點位于同一水平軸線上， 只有這樣才能讓應力筋中心線與張拉方向保持一致。 張拉前， 技術人員應對混凝土質量進行檢測， 鋼筋混凝土構件的強度與彈性模量必須達到設計要求， 符合設計要求， 且達到合同要求， 并經過現場檢驗人員復檢合格后， 才能進行預應力張拉， 嚴格按照設計要求來進行張拉。

張拉完畢后， 待鋼絞線回縮達到設計要求后， 用砂輪機切除多余鋼絞線， 需要注意的是錨段外鋼絞線預留長度不得低于3cm， 最后用水泥砂漿封閉錨頭。

4.6 孔道壓漿

預應力孔道壓漿的目的是防止鋼絞線銹蝕， 減輕錨具負擔， 充分發揮預應力筋與混凝土應有的作用，為充分保障預應力孔道壓漿質量， 應注意以下事項。

4.6.1 確保水泥漿制備質量

通常選用強度大于42.5 的低堿硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥， 來制備孔道壓漿用的水泥漿， 同時，制備泥漿用水中的氯化物含量應低于350mg/L， 且水中不能含有會破壞水泥性能與預應力筋性能的有害成分選用鈣礬系膨脹劑或復合型膨脹劑來制備水泥漿，同時， 孔道壓漿用水泥漿的水灰比為0.3 ～0.35。 最后， 水泥砂漿在制備完成后3h 的泌水率為2%～3%，而且水泥砂漿能在24h 內將泌水全部吸收。

4.6.2 嚴把孔道壓漿施工細節

壓漿前要對孔道進行清理， 待壓漿泵口流出的漿體稠度達到設計要求時， 開始壓漿作業。 如果孔道屬于水平類型或彎曲較短時， 壓漿泵壓力為 0.5 ～0.7MPa， 如果孔道較長時， 壓漿泵壓力最大值為1.0MPa。 為了保障孔道壓漿， 在對同一孔道進行壓漿時， 應確保漿體的連續、 均勻、 緩慢進行， 必須一次完工， 不得中途斷掉。 當壓漿充盈度達到規定要求后， 要及時關閉出漿口。

4.6.3 壓漿施工注意事項

壓漿應從低到高、 由下向上有序進行； 同一孔道壓漿必須一次完成， 中途不得打斷， 如果中間停頓超過20min， 必須將已壓入的水泥漿清洗干凈， 重新進行孔道壓漿。

5 結語

綜上所述， 預應力技術的應用， 能夠在最大限度上提升市政路橋結構的使用壽命、 抗震性能、 整體性、 耐久性， 為此， 我們要在不斷的摸索與研究中，進一步提升預應力技術在市政路橋工程中的實際應用效果， 更好地保障市政路橋工程的安全質量。