橋梁工程中預(yù)應(yīng)力技術(shù)研究

摘" 要：針對車輛荷載不斷增加及自然災(zāi)害頻發(fā)情況下的橋梁結(jié)構(gòu)安全問題，以某橋梁工程為依托，詳細(xì)介紹預(yù)應(yīng)力技術(shù)原理，總結(jié)橋梁工程中預(yù)應(yīng)力技術(shù)的優(yōu)勢。結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力技術(shù)在橋梁工程中應(yīng)用，從預(yù)應(yīng)力體系構(gòu)建入手，明確預(yù)應(yīng)力工藝，預(yù)應(yīng)力構(gòu)件應(yīng)用，做好預(yù)應(yīng)力施工管理，強(qiáng)化預(yù)應(yīng)力檢測，以此確保橋梁工程順利實(shí)施。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;預(yù)應(yīng)力技術(shù);混凝土結(jié)構(gòu);受力分析;施工管理

中圖分類號：K928.78" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）11-0160-05

Abstract： In view of the safety of bridge structures under the condition of increasing vehicle loads and frequent natural disasters， based on a bridge project， the principle of prestress technology is introduced in detail and the advantages of prestress technology in bridge engineering are summarized. The results show that when applying prestress technology in bridge engineering， starting from the construction of prestress system， clarifying the prestress technology， application of prestressed members， doing a good job in prestress construction management， and strengthening prestress testing to ensure the smooth implementation of bridge engineering.

Keywords： bridge engineering; prestress technology; concrete structure; stress analysis; construction management

在橋梁工程建設(shè)中，預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用是確保橋梁結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定與安全的關(guān)鍵，在改變橋梁工程施工工藝的同時(shí)，提升其承載力、耐久性與經(jīng)濟(jì)性[1]。具體而言，預(yù)應(yīng)力技術(shù)可預(yù)先在橋梁構(gòu)件內(nèi)部設(shè)置預(yù)應(yīng)力孔道，在混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后，利用張拉應(yīng)力筋的方式向混凝土施加額外的壓力，進(jìn)而增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)在力量，使得其在面對外在荷載時(shí)可展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，避免產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫，延長橋梁的使用壽命，減少因維修和加固而產(chǎn)生的額外成本[2]。同時(shí)，預(yù)應(yīng)力技術(shù)還能使橋梁承載更大的荷載，滿足日益增長的城市交通需求，并為設(shè)計(jì)者提供更大的設(shè)計(jì)自由度，使橋梁可跨越寬闊的河流或山谷。

1" 工程概況

某橋梁工程為特大橋工程，路線里程53.143 km，橋梁全長2.2 km，溝谷最低處至橋面最大高差約為196 m，主橋構(gòu)造示意圖如圖1所示。道路等級為一級公路，汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，橋梁全寬為0.55 m（防撞護(hù)欄）+11.45 m（行車道）+0.565 m（防撞護(hù)欄）+2.87 m（分隔帶）+0.565 m（防撞護(hù)欄）+11.45 m（行車道）+0.55 m（防撞護(hù)欄）=28.0 m。綜合考量工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告結(jié)論，主橋抗震設(shè)防類別為A級，引橋抗震設(shè)防類別為B級，橋梁抗震措施等級為三級。主橋部分采用125 m+5 m×230 m+125 m矮塔斜拉橋方案，主梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土斷面，主橋主梁、主橋索塔均為C60混凝土，主橋墩身、引橋主梁為C50混凝土，引橋橋墩、主橋承臺為C40混凝土，引橋承臺、樁基、護(hù)欄為C30混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用鋼絞線，強(qiáng)度為1 860 MPa。

2" 預(yù)應(yīng)力技術(shù)原理

預(yù)應(yīng)力技術(shù)是混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的一項(xiàng)革新性技術(shù)，核心在于利用混凝土材料的特性，通過預(yù)先引入拉應(yīng)力提升結(jié)構(gòu)性能，可在控制預(yù)應(yīng)力筋張拉的過程中，將拉應(yīng)力有效傳遞至混凝土內(nèi)部，激發(fā)其潛在的致密效應(yīng)，進(jìn)而有效提升混凝土的抗張性能以及結(jié)構(gòu)延展性，保證橋梁工程結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性[3]。預(yù)應(yīng)力技術(shù)的關(guān)鍵在于“預(yù)”和“應(yīng)”的有機(jī)結(jié)合，“預(yù)”強(qiáng)調(diào)在混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求之前，采用張拉預(yù)應(yīng)力筋的方式為其內(nèi)部預(yù)先施加一個(gè)拉應(yīng)力，“應(yīng)”強(qiáng)調(diào)技術(shù)的適應(yīng)性與實(shí)效性，可靈活應(yīng)對各種復(fù)雜多變的工程環(huán)境與荷載條件，在預(yù)應(yīng)力大小與方向控制下優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能[4]。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)施工方式與場景的不同，可分為預(yù)應(yīng)力預(yù)制和現(xiàn)場預(yù)應(yīng)力2種類型，前者可在工廠化環(huán)境中完成預(yù)應(yīng)力筋的加工、安裝與張拉等工序，適應(yīng)于大型、復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn);后者可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際狀況與設(shè)計(jì)需求，在已經(jīng)完成的混凝土構(gòu)件上施加預(yù)應(yīng)力，即時(shí)提升結(jié)構(gòu)性能。

3" 預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用

3.1" 預(yù)應(yīng)力體系構(gòu)建

在本工程中，主橋箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系，主橋縱向預(yù)應(yīng)力采用Φs15.2 mm規(guī)格的鋼絞線束，鋼束張拉錨下控制應(yīng)力為1 395 MPa，箱梁豎向預(yù)應(yīng)力采用Φ16-3無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 420 MPa，張拉控制應(yīng)力為923 MPa，一組3支鋼棒中單支張拉力為185.5 kN。箱梁頂板橫向預(yù)應(yīng)力束為3ΦS15.2 mm鋼絞線，單端交錯(cuò)張拉，配15-3型扁錨，縱向間距為50 cm。縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用兩端對稱張拉或單端張拉的形式，波紋管定位鋼筋采用Φ12鋼筋焊接成井字型框架，與箱梁鋼筋綁扎在一起，定位鋼筋縱向間距不超過0.6 m，曲線段基本間距0.3 m，從而確保預(yù)應(yīng)力鋼束可準(zhǔn)確定位，預(yù)應(yīng)力管道定位鋼筋如圖2所示。

3.2" 預(yù)應(yīng)力工藝

在橋梁工程建設(shè)中，預(yù)應(yīng)力工藝的精準(zhǔn)實(shí)施是保障結(jié)構(gòu)安全與性能穩(wěn)定的核心要素，以下對預(yù)應(yīng)力工藝的管道定位與固定、張拉時(shí)機(jī)的把握與應(yīng)力控制、張拉過程的雙控策略與數(shù)據(jù)記錄、孔道壓漿與質(zhì)量要求進(jìn)行詳細(xì)說明。

3.2.1" 預(yù)應(yīng)力管道定位與固定

為確保預(yù)應(yīng)力高效傳遞與結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)受力，預(yù)應(yīng)力管道定位需遵循施工圖紙坐標(biāo)，采用定位鋼筋進(jìn)行穩(wěn)固、加固，而且定位鋼筋與箱梁腹板箍筋采用點(diǎn)焊連接的方式，有效強(qiáng)化管道的穩(wěn)固性，并預(yù)防錯(cuò)位與下垂問題出現(xiàn)[5]。面對管道與鋼筋的潛在沖突，應(yīng)堅(jiān)守管道位置不變的原則，靈活調(diào)整鋼筋布局，確保兩者和諧共存。此外，澆筑前的波紋管密封性檢查同樣不可或缺，以防混凝土侵入導(dǎo)致管道堵塞。施工過程中，對預(yù)應(yīng)力鋼束及管道的任何非必要觸碰均應(yīng)嚴(yán)格禁止，以維護(hù)其預(yù)設(shè)形態(tài)與受力特性。

3.2.2" 張拉時(shí)機(jī)的把握與應(yīng)力控制

張拉預(yù)應(yīng)力鋼束的時(shí)機(jī)選擇，是預(yù)應(yīng)力工藝中的關(guān)鍵，需待箱梁混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)（設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%以上）且齡期滿足要求（不小于7 d），同時(shí)確保混凝土彈性模量不低于其28 d標(biāo)準(zhǔn)的90%，方可啟動張拉作業(yè)。對于預(yù)制梁內(nèi)的正、負(fù)彎矩鋼束，應(yīng)采取兩端同步張拉策略，以實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的均勻分布。錨下控制應(yīng)力的設(shè)定需嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)規(guī)范，一般為0.75 fpk=1 395 MPa，并考慮實(shí)際張拉過程中鋼束與錨圈口存在的摩擦損失（暫按3%計(jì)），對錨外終張拉控制應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，也就是鋼束錨外終張拉控制應(yīng)力為1 437 MPa。然而，無論何種情況下，錨外張拉控制應(yīng)力均不得逾越設(shè)計(jì)強(qiáng)度的0.8倍界限，以防對結(jié)構(gòu)造成不可逆損害[6]。

3.2.3" 張拉過程的雙控策略與數(shù)據(jù)記錄

為提升預(yù)應(yīng)力張拉的精準(zhǔn)度與可靠性，可引入張拉力與引伸量雙控策略，在達(dá)到設(shè)計(jì)張拉力之際，同步監(jiān)測并記錄實(shí)際引伸量值，通過與理論值的比對分析，評估張拉過程的精確程度，一般實(shí)際引伸量值和理論引伸量值的誤差控制在6%以內(nèi)。對于實(shí)際引伸量值的計(jì)算，需剔除鋼束非彈性變形的影響因素，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[7]。同時(shí)，為便于后續(xù)查閱與參考，各鋼束的引伸量數(shù)據(jù)（兩端之和）應(yīng)被詳細(xì)記錄在案（表1），為工程質(zhì)量追溯提供有力支撐。

3.2.4" 孔道壓漿與質(zhì)量要求

在完成預(yù)應(yīng)力筋張拉錨固后，還需及時(shí)實(shí)施孔道壓漿作業(yè)，通常情況下在張拉錨固后的48 h內(nèi)完成壓漿作業(yè)，以確保預(yù)應(yīng)力傳遞的連續(xù)性與有效性。在壓漿材料的選擇上，C50水泥漿因其優(yōu)異的性能而被優(yōu)先采用，同時(shí)需嚴(yán)格控制水膠比在合理范圍內(nèi)（0.26%～0.28%），以保障壓漿的飽滿度與強(qiáng)度。在壓漿過程中，還需密切關(guān)注壓漿情況的變化趨勢，嚴(yán)防氣泡與漏漿現(xiàn)象的發(fā)生，待水泥漿強(qiáng)度達(dá)標(biāo)（如50 MPa）后，方可進(jìn)行箱梁的吊裝作業(yè)，從而保護(hù)預(yù)應(yīng)力筋免受外界環(huán)境的侵蝕作用，并顯著提升橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性與安全性水平。

3.3" 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件應(yīng)用

3.3.1" 預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)用

在本橋梁工程中，按照GB/T 5224—2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》的規(guī)定選擇鋼絞線，其中單根鋼絞線的直徑為ΦS15.2 mm，鋼絞線面積為Ay=140 mm2，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105 MPa。

3.3.2" 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒應(yīng)用

在本橋梁工程中，主橋箱梁橫向、豎向預(yù)應(yīng)力鋼束的布置，采用Φ16-3無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒，單支單端張拉，鋼棒兩端采用Φ16-3配套錨具。按照GB/T 5223.3—2017《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒》的規(guī)定，采用高強(qiáng)度低松弛類型，彈性模型E=201 GPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 420 MPa，箱梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級90%以上才可張拉豎向無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒，張拉齡期要求不少于7 d，錨下張拉控制應(yīng)力采用σcon=0.65fpk=923 MPa，一組3支鋼棒中的單支張拉力為185.5 kN，理論上每米的伸長量為4.591 mm，預(yù)應(yīng)力鋼棒張拉后，用C60封錨，張拉示意圖如圖3所示。此外，豎向無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒張拉施工，在進(jìn)行鋼棒穿筋安裝的過程中，張拉端鋼棒端頭距離錨墊板外側(cè)要預(yù)留出5.5 cm的螺紋工作長度，固定端為6.0 cm。同時(shí)，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒在張拉的過程中，采用“雙控”控制措施，以張拉力控制為主，伸長值校核。需要注意的是，張拉程序應(yīng)進(jìn)行0—0.1σcon—1.0σcon的同步旋進(jìn)錨固螺母，持荷2 s后緊固螺母進(jìn)行錨固，實(shí)際引伸量與理論引伸量的差值應(yīng)控制在6%以內(nèi)。

3.3.3" 斜拉索應(yīng)用

在本案例工程中，斜拉索采用型號為15-43環(huán)氧涂層鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，彈性模量E=1.95×105 MPa，公稱直徑Φ15.2 mm，其外熱擠為HDPE護(hù)層，斜拉索外套雙層HDPE護(hù)套管，內(nèi)層為黑色，外層為彩色，其材料符合GJ/T 297—2016《橋梁纜索用高密度聚乙烯護(hù)套料》的要求，外呼套管表面設(shè)置抗風(fēng)雨振雙螺旋線。張拉錨具由錨板、夾片、螺母、保護(hù)罩、密封桶和防腐灌注料等構(gòu)成，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不會侵蝕周圍材料。

在斜拉索中，索鞍采用圓管形分絲管結(jié)構(gòu)，需提供足夠的抗滑力（平均每根鋼絞線的抗滑力不低于3.5 t），同時(shí)需要滿足后期斜拉索的更換要求[8]。在完成斜拉索張拉后，要將多余的斜拉索鋼絞線切斷，需注意要預(yù)留出足夠的工作長度，便于后期更換。

3.4" 預(yù)應(yīng)力施工管理

在橋梁工程預(yù)應(yīng)力技術(shù)施工中，每一步操作都至關(guān)重要，直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。對此，需要做好預(yù)應(yīng)力技術(shù)管理。

3.4.1" 材料檢驗(yàn)與準(zhǔn)備

鋼絞線作為橋梁工程預(yù)應(yīng)力施工的核心材料，在鋼絞線進(jìn)場之后，需要嚴(yán)格按照國家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對其強(qiáng)度、外形尺寸、物理及力學(xué)性能進(jìn)行全面實(shí)驗(yàn)，并對錨頭進(jìn)行裂縫探傷檢驗(yàn)，對夾片進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，對錨具進(jìn)行錨具-鋼絞線組裝件的錨固性能試驗(yàn)，確保材料質(zhì)量的可靠性，為后續(xù)施工奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，在試驗(yàn)過程中，還需要實(shí)時(shí)測量鋼絞線的彈性模量和截面積，并據(jù)此對張拉引伸量進(jìn)行修正，以提升張拉精度，確保預(yù)應(yīng)力可按照設(shè)計(jì)要求精確施加于混凝土結(jié)構(gòu)中。

3.4.2" 預(yù)應(yīng)力管道定位與安裝

預(yù)應(yīng)力管道的定位必須嚴(yán)格按照施工圖紙所給的坐標(biāo)進(jìn)行，確保管道的走向和位置準(zhǔn)確無誤。同時(shí)，管道的連接處也要保證質(zhì)量，采用密封性良好的連接方式，以杜絕因漏漿造成的預(yù)應(yīng)力管道堵塞問題。此外，在安裝過程中，還需注意管道的穩(wěn)固性和保護(hù)措施，避免在后續(xù)施工中受到損壞，并定期對管道進(jìn)行檢查和維護(hù)，確保其始終處于良好狀態(tài)。

3.4.3" 預(yù)應(yīng)力張拉與控制

在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉之前，必須確?；炷翗?gòu)件已充分固化并達(dá)到既定的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。具體而言，混凝土齡期至少7 d，強(qiáng)度為設(shè)計(jì)值的90%，即可視為滿足張拉的前提條件，以確保張拉過程的規(guī)范性和安全性。在張拉方式選擇上，針對鋼束采用雙重控制機(jī)制，即同時(shí)監(jiān)控張拉應(yīng)力與伸長量，針對箱梁采用對稱機(jī)制，即在縱向預(yù)應(yīng)力張拉過程中確保其橫截面的對稱性，從而減小張拉過程中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高結(jié)構(gòu)的整體性能。針對張拉順序的設(shè)定，本橋梁工程中主橋縱、橫、豎向預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉順序需按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，通常先張拉n節(jié)段縱向鋼束后，再張拉n-1節(jié)段的橫、豎向預(yù)應(yīng)力鋼束（筋），待全橋合攏后需張拉剩余節(jié)段的所有鋼束，采取張拉時(shí)先張拉長束再張拉短束的原則有助于平衡結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，提高張拉效果。

3.4.4" 預(yù)應(yīng)力復(fù)拉與壓漿

豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋需逐根張拉到位，并在第一次張拉完成后約20 d的時(shí)間進(jìn)行二次復(fù)拉，從而進(jìn)一步鞏固預(yù)應(yīng)力效果并檢查張拉質(zhì)量。通常情況下，復(fù)拉工作應(yīng)由熟練技術(shù)工人操作，由技術(shù)干部監(jiān)督監(jiān)理嚴(yán)格檢查，以確保施工質(zhì)量。在本橋梁工程中，針對縱、橫、豎向預(yù)應(yīng)力，可采用真空輔助壓漿技術(shù)進(jìn)行壓漿，漿體配方需符合相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并在壓漿前進(jìn)行必要的試驗(yàn)以確定壓漿實(shí)施規(guī)程，且壓漿工作應(yīng)由專業(yè)隊(duì)伍施工以確保壓漿質(zhì)量和效果。在完成預(yù)應(yīng)力鋼束張拉作業(yè)后，要迅速轉(zhuǎn)入壓漿工序，在操作前還需要進(jìn)行管道檢查，以消除潛在的堵塞或滲漏隱患，確保壓漿通道的暢通無阻。在壓漿過程中，還需密切關(guān)注漿液流動狀態(tài)，及時(shí)應(yīng)對和處理各種突發(fā)問題，確保壓漿作業(yè)順利實(shí)施。此外，在完成壓漿作業(yè)后，還需對箱梁的表面進(jìn)行高壓水沖洗處理，以清除殘留的浮漿。

3.4.5" 封錨與后續(xù)處理

封錨處理對于保護(hù)預(yù)應(yīng)力筋免受外界環(huán)境侵蝕具有重要作用，必須盡早進(jìn)行錨頭封錨槽口的封錨處理，并在封錨混凝土中適當(dāng)增加微膨脹劑，從而提高封錨效果。對于施工過程中未使用的備用鋼束，應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行穿束，在端部預(yù)留足夠的工作長度，同時(shí)進(jìn)行防腐保護(hù)處理，以留在運(yùn)營期間使用，確保橋梁在運(yùn)營過程中的安全性和可靠性。針對施工圖紙中未全部示出的預(yù)應(yīng)力定位鋼筋構(gòu)造，應(yīng)按照施工規(guī)范每50 cm設(shè)置一道定位鋼筋，在鋼束平彎、豎彎段應(yīng)適當(dāng)加密，且定位后的管道偏差應(yīng)不大于0.5 cm，以確保預(yù)應(yīng)力管道的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3.5" 預(yù)應(yīng)力檢測

橋梁工程中預(yù)應(yīng)力技術(shù)在應(yīng)用過程中，還需要強(qiáng)化質(zhì)量控制，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力檢測。一是預(yù)應(yīng)力筋張拉質(zhì)量檢測，要對比實(shí)際引伸量值與理論引伸量值，評估張拉精度與可靠性，檢查張拉后預(yù)應(yīng)力筋的錨固情況，確保無滑移、無斷裂現(xiàn)象。二是孔道壓漿質(zhì)量檢測，著重檢測壓漿材料的性能指標(biāo)（如強(qiáng)度、水膠比等）是否符合設(shè)計(jì)要求，觀察壓漿過程是否飽滿、無氣泡、無漏漿現(xiàn)象，并對壓漿后的孔道進(jìn)行取樣檢測，驗(yàn)證壓漿質(zhì)量。三是結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測，根據(jù)橋梁實(shí)際施工情況和結(jié)構(gòu)對稱性，合理選擇主梁沿縱向的測試斷面，如墩頂、四分點(diǎn)、跨中，并對其進(jìn)行縱向正應(yīng)變、剪應(yīng)力和主應(yīng)力測試，全面、準(zhǔn)確地評估橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能。

4" 結(jié)束語

針對橋梁工程中預(yù)應(yīng)力技術(shù)展現(xiàn)研究，應(yīng)充分考慮橋梁工程地質(zhì)條件、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，明確主要材料與預(yù)應(yīng)力工藝，從而增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)承載能力，改善受力性能，增強(qiáng)耐久性。

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