高速公路橋梁施工中預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)的應(yīng)用分析

摘要 隨著社會的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國橋梁施工技術(shù)發(fā)展到了一個新的高度。當(dāng)前橋梁工程施工中大力推廣應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)。合理使用預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)可以提高橋梁的跨越能力，有效節(jié)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(zhì)量。文章簡要分析了預(yù)應(yīng)力技術(shù)在高速公路橋梁施工中的應(yīng)用，以及實際施工過程中可能出現(xiàn)的問題，提出了施工質(zhì)量的一些控制措施，為預(yù)應(yīng)力技術(shù)在后續(xù)橋梁施工中的應(yīng)用提供參考和建議。

關(guān)鍵詞 高速公路;橋梁施工;預(yù)應(yīng)力施工技術(shù);應(yīng)用

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

引言

我國橋梁發(fā)展進(jìn)入快車道，橋梁建設(shè)數(shù)量急劇增加，出現(xiàn)了懸索橋、斜拉橋、拱橋等多種結(jié)構(gòu)形式，跨越能力得到了提高。近年來，在我國大力發(fā)展和完善交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)浪潮中，預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)得到大力推廣和不斷優(yōu)化。預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于公路路基邊坡錨固、橋梁工程和臨時結(jié)構(gòu)加固，已成為公路建設(shè)領(lǐng)域不可或缺的工程技術(shù)[1]。預(yù)應(yīng)力技術(shù)具有獨特的施工優(yōu)勢和科學(xué)的結(jié)構(gòu)，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(shù)量急劇增加，施工質(zhì)量和安全要求顯著提高的新形勢下，要加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)的探索和應(yīng)用，分析研究預(yù)應(yīng)力施工工藝流程和實際效果，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，進(jìn)一步提高橋梁工程的承載力、施工質(zhì)量和使用壽命。

1 預(yù)應(yīng)力技術(shù)

1.1 預(yù)應(yīng)力技術(shù)概述

預(yù)應(yīng)力是為了提高結(jié)構(gòu)在使用過程中的性能，施工期間對結(jié)構(gòu)施加的預(yù)壓力，在使用期間結(jié)構(gòu)由于荷載作用引起的拉應(yīng)力可由預(yù)先施加的壓力抵消或者完全消除，使得結(jié)構(gòu)不被破壞。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在工程中經(jīng)常使用。其原理是使用預(yù)應(yīng)力可以減少甚至抵消荷載產(chǎn)生的張力。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是充分利用高強(qiáng)鋼筋和混凝土的抗壓強(qiáng)度，提高混凝土結(jié)構(gòu)的剛度，擴(kuò)大混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力范圍，提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，延緩裂縫的發(fā)生，限制裂縫的發(fā)展，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

1.2 預(yù)應(yīng)力技術(shù)的特點

在預(yù)應(yīng)力材料彈性限度范圍內(nèi)合理應(yīng)用預(yù)應(yīng)力，能有效提高構(gòu)件的抗?jié)B性、抗裂強(qiáng)度和抗疲勞性能，降低結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力和豎向剪力，提高結(jié)構(gòu)剛度，從而提高其承載力。同時可以減小截面尺寸，節(jié)省施工材料，減輕結(jié)構(gòu)重量，適當(dāng)增加橋梁的跨度，提高車輛在橋上行走的舒適性。橋梁建設(shè)中合理使用預(yù)應(yīng)力技術(shù)不僅可以延長橋梁的使用壽命，還能節(jié)約橋梁建設(shè)成本。預(yù)應(yīng)力技術(shù)施工工藝和結(jié)構(gòu)形式簡單，設(shè)計安全可靠，在橋梁工程設(shè)計和施工過程中應(yīng)充分利用，并不斷研究完善。

2 預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力技術(shù)在現(xiàn)有公路橋梁中的應(yīng)用不限于新結(jié)構(gòu)，還應(yīng)用于舊結(jié)構(gòu)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(gòu)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(xiàn)代技術(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和擴(kuò)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(xiàn)代交通和人們安全出行的需求。隨著交通建設(shè)進(jìn)程的不斷深入，預(yù)應(yīng)力被運用到橋梁加固施工中。對于存在質(zhì)量缺陷的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，可采用預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)進(jìn)行維修、加固，為施工質(zhì)量提供可靠保證。預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)一般用于懸臂梁、連續(xù)體系梁和簡支梁橋的加固，有助于降低橋體內(nèi)局部裂縫的概率，減少梁體的撓度，提高橋梁的安全性和穩(wěn)定性。

在橋梁施工過程中，采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固橋梁的方法很多。常見的有體外預(yù)應(yīng)力筋、增加截面和鋼筋。通過對結(jié)構(gòu)的分析，改變梁的受力體系，對應(yīng)力或集中力較大的地方進(jìn)行加強(qiáng)，能有效提高梁的整體受力穩(wěn)定性，增加其使用時長。采用預(yù)應(yīng)力對梁進(jìn)行加固實際上就是對梁預(yù)先施加一個內(nèi)力作用，用來與施工或使用荷載相互抵消減小，相互平衡。預(yù)應(yīng)力加固方法相當(dāng)于在原有結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力，在加固施工期間降低混凝土的初始應(yīng)變值，并在構(gòu)件的受壓區(qū)和受拉區(qū)預(yù)先產(chǎn)生拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，從而提高工程的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)內(nèi)容，使初始彎矩作用下的拉伸和壓縮應(yīng)變減小;當(dāng)構(gòu)件達(dá)到極限受力狀態(tài)時，鋼筋的應(yīng)變增量和應(yīng)力增大，最大限度地利用鋼材的強(qiáng)度。

2.2 受彎構(gòu)件施工

混凝土受彎構(gòu)件的補強(qiáng)加固主要是利用預(yù)應(yīng)力筋向構(gòu)件或結(jié)構(gòu)傳遞一個預(yù)加力，使構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的整體受力能力增加。其施加應(yīng)力的目的是改變原有的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，對高應(yīng)力部位進(jìn)行外力加持，減少應(yīng)力集中，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的抗彎承載力。預(yù)應(yīng)力加固法適用于大跨度結(jié)構(gòu)或高應(yīng)力大型結(jié)構(gòu)，用一般方法無法達(dá)到預(yù)期效果。采用預(yù)應(yīng)力筋可以提高構(gòu)件的承載力，改善構(gòu)件在使用階段的性能，在不增加構(gòu)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(yù)應(yīng)力加固過程需要在加固受拉截面外添加并張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，將其錨固在梁（板）端部。加固后暴露預(yù)應(yīng)力筋的加固梁，預(yù)應(yīng)力筋僅在錨固點和支撐點與原梁接觸。當(dāng)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(yù)應(yīng)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(guān)。預(yù)應(yīng)力筋張拉后，如果在其上澆筑混凝土保護(hù)層形成整體梁，預(yù)應(yīng)力筋和原梁將一起變形。當(dāng)外部作用力增大時，預(yù)應(yīng)力筋和混凝土包裹的原梁鋼筋的內(nèi)力同步增加。當(dāng)梁損壞時，受拉鋼筋可能有兩種情況：一種是梁中的預(yù)應(yīng)力筋和受拉鋼筋均達(dá)到屈服強(qiáng)度，即適筋加固梁;另一種是超筋加固梁。

2.3 多跨連續(xù)梁施工

多跨連續(xù)梁的承重結(jié)構(gòu)（板、T梁和箱梁）連續(xù)跨越多個橋孔，屬于超靜定結(jié)構(gòu)。它的結(jié)構(gòu)剛度較大，在外力作用下產(chǎn)生的變形較小，由于多跨梁聯(lián)結(jié)在一起，減少了梁端伸縮縫的數(shù)量，這樣行車更加舒適平穩(wěn)。與同跨度簡支梁相比，具有截面尺寸小、重量輕、節(jié)材等優(yōu)點。從結(jié)構(gòu)層面上，多跨連續(xù)梁應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)主要部位是梁腹板的正彎矩區(qū)和頂板的負(fù)彎矩區(qū)，正彎矩區(qū)多位于梁的跨中位置，由于跨中位置彎矩較大，需要利用負(fù)彎矩來平衡，故將相鄰跨聯(lián)系起來，在墩頂支座處形成負(fù)彎矩區(qū)。在多跨連續(xù)梁施工中，當(dāng)抗剪承載力和抗彎承載力不能滿足設(shè)計要求時，使用預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固效果顯著，保證了橋梁施工的質(zhì)量和安全。

3 橋梁施工中應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)存在的問題

3.1 預(yù)應(yīng)力管道問題

預(yù)應(yīng)力管道堵塞在公路橋梁施工中是很常見的現(xiàn)象。預(yù)應(yīng)力管道堵塞使預(yù)應(yīng)力筋無法穿束或?qū)е骂A(yù)應(yīng)力筋張拉不對稱，容易出現(xiàn)張拉過度或張拉力不符合設(shè)計要求，影響預(yù)應(yīng)力施加效果，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力理論計算值與實際伸長值之間存在較大誤差，進(jìn)而影響施工進(jìn)度。

預(yù)應(yīng)力管道堵塞的主要原因是預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力管道的位置。預(yù)應(yīng)力管道有接頭時，應(yīng)加接頭套管。兩個相連波紋管的接頭應(yīng)頂緊，接頭套管的長度應(yīng)符合要求，以避免水泥漿進(jìn)入波紋管。

3.2 張拉控制缺乏有效性

預(yù)應(yīng)力張拉和灌漿主要采用智能張拉和智能循環(huán)灌漿系統(tǒng)[3]。施工中只需要人工輸入張拉力，張拉系統(tǒng)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(jìn)行校準(zhǔn)，建立校準(zhǔn)方程，計算各張拉階段的油壓表讀數(shù)。第一次張拉時，應(yīng)對張拉設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，并逐一復(fù)核輸入數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)。在實際使用過程中，未按規(guī)定要求進(jìn)行匹配校準(zhǔn)，或張拉設(shè)備出現(xiàn)問題而未再次校準(zhǔn)，張拉力計算或輸入錯誤，鋼絞線穿線不當(dāng)，張拉順序錯誤，都會影響張拉力的控制。

3.3 預(yù)應(yīng)力混凝土梁發(fā)生損壞的問題

預(yù)應(yīng)力混凝土梁在張拉前表面經(jīng)常出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重影響梁的質(zhì)量。梁的表面出現(xiàn)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(dǎo)致離析，表面水泥含量高，收縮增加;養(yǎng)護(hù)期間的早期拆?；蚋蓴_;混凝土早期養(yǎng)護(hù)不到位，表面失水過快，造成內(nèi)外收縮不均，表面混凝土開裂。混凝土澆筑時要加強(qiáng)對混凝土的振搗控制?；炷翝仓瓿珊螅皶r灑水養(yǎng)護(hù)，避免陽光暴曬。

在預(yù)應(yīng)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(dǎo)致梁的橫向變形和腹板的橫向開裂。預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆箱梁在結(jié)構(gòu)本身重量的作用力下會出現(xiàn)扭矩。對于曲線箱梁橋，在預(yù)應(yīng)力作用下，除了扭矩外，還會產(chǎn)生徑向力。這些扭矩和徑向力將使曲線梁橋產(chǎn)生明顯的橫向效應(yīng)，并產(chǎn)生腹板橫向開裂的病害，為更好地承受預(yù)應(yīng)力鋼束沿梁底曲線布置產(chǎn)生的徑向力，底板箍筋的間距和直徑必須合理設(shè)置，使箍筋產(chǎn)生的拉應(yīng)力平衡大部分徑向壓應(yīng)力;同時，還需增加短鉤鋼筋，以提高箱梁底板上下鋼筋的強(qiáng)度，起到防崩的作用。

3.4 預(yù)應(yīng)力筋滑絲與斷絲的問題

預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(huán)、錨塞和夾片）的質(zhì)量存在問題。預(yù)應(yīng)力筋斷絲的主要原因是預(yù)應(yīng)力筋的質(zhì)量缺陷或損壞，千斤頂未按規(guī)定校準(zhǔn)，穿筋時預(yù)應(yīng)力筋纏繞，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋受力不均斷絲。施工過程中，當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線每束滑絲、斷絲不超過1根，且每段斷絲總數(shù)不超過該段鋼絲總數(shù)的1%時，應(yīng)按要求進(jìn)行補拉處理。如果整捆或大量滑絲和斷絲，應(yīng)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(yù)應(yīng)力技術(shù)施工質(zhì)量控制

4.1 原材料控制

嚴(yán)格控制進(jìn)場材料的質(zhì)量。進(jìn)場時應(yīng)分批驗收，除檢查其質(zhì)量證明書、包裝、標(biāo)志和規(guī)格外，還應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行抽檢或送檢。

4.2 管道安裝定位

預(yù)應(yīng)力管道的安裝精度對預(yù)應(yīng)力的施加效果起著至關(guān)重要的作用。施工過程中要嚴(yán)格控制管道線型和定位坐標(biāo)，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(yīng)按照質(zhì)量檢驗程序逐一檢查整體線形、坐標(biāo)、定位筋的牢固性和接頭的緊密性。管道線型應(yīng)平滑，中心線應(yīng)垂直于末端預(yù)埋錨墊板;發(fā)現(xiàn)波紋管有裂紋，定位筋松動，應(yīng)及時處理;波紋管接頭應(yīng)用防水包布密封;混凝土施工時要注意保護(hù)管道，施工作業(yè)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(zhǔn)確;在混凝土初凝前，應(yīng)不時使用通孔裝置進(jìn)行檢查和疏通。如果提前放入預(yù)應(yīng)力鋼絞線，要隨時拉動，避免因混凝土堵塞而影響預(yù)應(yīng)力張拉。當(dāng)堵塞孔嚴(yán)重?zé)o法疏通時，應(yīng)檢查堵塞孔的位置，并鑿出混凝土疏通孔道。

4.3 預(yù)應(yīng)力筋下料及穿束

鋼絞線應(yīng)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(zhǔn)。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(yīng)相互平行，不得纏繞。綁扎好的鋼絞線兩端應(yīng)編號并掛孔號。預(yù)應(yīng)力筋編束后，應(yīng)整體穿過孔道。鋼絞線前端應(yīng)設(shè)置鋼絲網(wǎng)套管或?qū)Ｓ脿恳^，由牽引車牽引。鋼絞線安裝完畢后，應(yīng)及時封堵兩端波紋管，外露鋼絞線應(yīng)及時包裹，以防銹蝕。

4.4 張拉控制

預(yù)應(yīng)力的施加對預(yù)應(yīng)力混凝土的質(zhì)量影響較大，施工時應(yīng)嚴(yán)格控制各道工序，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。張拉前，在試壓相同條件下的試塊并進(jìn)行現(xiàn)場強(qiáng)度回彈試驗，確認(rèn)混凝土強(qiáng)度滿足要求方可張拉。張拉前應(yīng)嚴(yán)格檢查錨具、千斤頂和現(xiàn)場安全防護(hù)設(shè)施，嚴(yán)格按照張拉力計算值和張拉操作規(guī)程及要求進(jìn)行張拉。預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后應(yīng)立即灌漿，并按設(shè)計要求及時對錨端進(jìn)行封閉保護(hù)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(yù)應(yīng)力筋的平均張拉力（N）;L——預(yù)應(yīng)力筋的長度;Ap——預(yù)應(yīng)力筋的截面面積（mm2）;Ep——預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量（N/mm2）;P——預(yù)應(yīng)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(shù);μ——預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁的摩擦系數(shù)。

（2）計算理論伸長值，要先確定預(yù)應(yīng)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(qū)間的平均應(yīng)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(jié)語

預(yù)應(yīng)力不僅是一種結(jié)構(gòu)手段，也是一種基于分段施工與施工方法相結(jié)合的工程技術(shù)。在既有橋梁的改造加固、延長橋梁使用壽命、新型橋梁結(jié)構(gòu)的研究等方面發(fā)揮著主導(dǎo)作用。在未來的發(fā)展中將有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。在實際使用中，要注意預(yù)應(yīng)力施工中常見的問題，控制預(yù)應(yīng)力混凝土施工各階段的施工質(zhì)量，加強(qiáng)對預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)各種效果的分析，根據(jù)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(yīng)用預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)，針對預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題，提前預(yù)防，及時解決，不留安全隱患，確保公路橋梁建設(shè)的安全和質(zhì)量。

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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。