预应力混凝土在路桥施工中的应用

2010-12-31肖启涛孙天生亓建新

中国新技术新产品 2010年8期

肖启涛孙天生亓建新

（山东省公路建设（集团）有限公司，山东济南 250101）

前言

为了弥补混凝土过早出现裂缝的现象，在构件使用（加载）以前，预先给混凝土一个预压力，即在混凝土的受拉区内，用人工加力的方法，将钢筋进行张拉，利用钢筋的回缩力，使混凝土受拉区预先受压力。这种储存下来的预加压力，当构件承受由外荷载产生拉力时，首先抵消受拉区混凝土中的预压力，然后随荷载增加，才使混凝土受拉，这就限制了混凝土的伸长，延缓或不使裂缝出现，这就叫做预应力混凝土。

1 预应力混凝土的忧缺点：

①有效地利用了高强度的钢筋和混凝土，可以形成比普通混凝土跨度大而自重轻、截面小的承重结构物；

②可以改善钢筋混凝土的使用性，从而防止混凝土开裂或将裂缝的宽度限制到无害的程度，提高了耐久性；

③混凝土的变形可保持在很小的范围，即使是部分预应力，在使用负荷的作用下，承重结构所受拉应力也在允许的较小范围内；

④承重结构有很高的疲劳强度。这是由于在预加应力的作用下，钢筋应力的变化幅度大大减小，远远低于疲劳强度；

⑤只要钢筋应力不超过其应变极限，可以承受相当大的的过载而不会引起永久性的破坏。超载引起的裂缝就会重新闭合。

其主要缺点在于：

①工艺较复杂，对质量要求高，因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍。

②需要有一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。

③预应力混凝土结构的开工费用较大，对构件数量少的工程成本较高

2 预应力混凝土的施工方法

测量定位。为保证预应力混凝土结构物满足设计要求的承载力、外形尺寸和预加应力的效果，在施工前，必须采用精密先进的测量仪器，对预应力混凝土结构物的外形和锚束布置的三维方位进行精确定位。如水工隧洞环形预应力混凝土施工，要求测量定位的项目有：环形预应力混凝土结构体的分块位置、预应力筋下料和编束：钢绞线下料长度应经计算，要考虑各中锚具的特性、锚固形式、张拉伸长值、构件长度等因素的影响，并根据实际情况和试验确定。

墩头锚具钢丝的下料，长度误差控制在1/3000~1/8000之间，下料后断面与母材垂直。钢丝下料前如有弯曲（1M长度范围内，弯曲矢高大于5MM）应作调直处理。

钢筋、预应力筋的支撑筋、架立筋的定位和安装

锚束（无粘结）或预留孔道（粘结式）及其它预埋件、观测仪器的定位安装预留孔道：埋设钢管或金属波纹管，或在混凝土中抽拔成孔。管道固定，可利用结构钢筋，必要时应专门支撑。

模板的就位、测量和调整定位。

此前工序的检查验收

混凝土浇筑及拆模、养护浇筑混凝土：严禁吊罐碰撞预应力管道；振捣器离管道应有一定距离，以免管道变形或损坏。浇筑时要防止砂浆进入孔道。

预留张拉槽（无粘结）或预留孔道（粘结式）的清理修整及混凝土缺陷的检查处理预应力张拉设备仪器的配套率定和张拉试验

3 预应力混凝土路面类型

据现有资料,国外做法大致可将预应力路面分为两大类:“单独型”板的路面和“连续型”板的路面。“单独型”路面就是配置一定数量的预应力钢筋，由间隔较长的膨胀缝相隔离的路面组成。按施加预应力的先后次序又可分为先张法和后张法两种，这与房屋、桥梁上的做法相同，一般多采用后张法。“连续型”路面就是无筋路面，因无膨胀缝而得名，这种路面可以做得很长，按照施加预应力的方法可分为千斤顶加力和自加应力。千斤顶加力是一般在两个固定的锚固端间浇筑混凝土，并留有空隙放置加力千斤顶，待混凝土硬化达到规定强度后，用千斤顶从两端加力，达到规定压力时，将两端空隙封闭。自应力路面不用千斤顶加力，而是选用膨胀水泥，混凝土硬化，体积增大，由于两端受有约束而使混凝土自动产生内压应力。一般认为，“单独型”板的路面要好于“连续型”板的路面。主要原因一是扣除路基摩阻后的预应力在有膨胀缝路面中几乎保持常量，而在“连续型”板中，板不能自由膨胀，且又很长。从而使其应力随外界温度、湿度变化很大，很难对所需的预应力进行估计。因此，工程上多采用“单独型”路面，“连续型”路面还处于研究、试验阶段，实际应用不多。

4 材料要求

预应力混凝土路面需要高质量的混凝土(高强度、低收缩和低徐变)。水灰比应尽可能小，以避免由于收缩和徐变引起过大的预应力损失。国外有报道，28d的抗压强度为21-56MPa，变拉模量为 2.10-5.25MPa 一些实例中还使用矾土水泥，但其记载除了早期的一些室内试验外，很少有使用促凝剂或增加混凝土和易性的外加剂。

5 设计方法

目前，世界各国对预应力混凝土路面的设计仍然没有一个统一的方法体系，而且在某种程度上都是经验性的，一般施工加足够的纵向预应力来防止横向收缩开裂。一般认为：板收缩时，温度翘曲约束应力使板底受压，这有助于预应力抵消由荷载和收缩引起的张拉应力；板膨胀时，由荷载和白天翘曲约束应力所抵消。因此，所施加的预应力主要由：交通荷载；由温度和湿度所引起的翘曲约束；板收缩期间的板底摩擦约束。三个因素所决定。

6 路基约束

在任何混凝土板和其下的基层间都存在摩阻约束，该约束阻止板随温度、湿度的变化而移动。在预应力混凝土路面中，尽量减小该摩擦力是非常重要的，因为它是引起预应力损失的主要因素，同时它也决定着板的长度。尽管国外在这方面已做了不少工作，但摩擦系数的大小仍难以确定。有些部门建议摩擦的砂或石屑所组成的滑动层中也发现其值为1.25-2.0。许多室内试验所确定的摩擦系数都比现场的小，这是因为室内未能真实反映现场的状况条件所致。为了减小摩擦，通常采用一层砂土覆盖防水纸、砂和油毛毡或砂和聚乙烯薄膜。在这方面进行了许多尝试，还有使用沥青材料作滑动层的，但未见有成功报道，许多研究表明采用一薄层的同一二粒径的球形颗粒(砂、石屑等)对于减小摩擦效果很好，其作用如同滚珠轴承。

7 发展前景及研究

就目前而言，仍然缺少对预应力混凝土路面各方面的认识。作者认为预应力混凝土路面的设计理论和施工方法的发展将主要围绕以下几个方面：对各种板长所需的恰当的预应力。

板的膨胀、收缩和翘曲特性；板的承载特性，其中包括研究预应力对板的承载能力的影响，以及对板疲劳特性等的影响。在确定预应力时，不仅要防止在最不利的情况下开裂，而且还需考虑混凝土的疲劳特性；板与地基的摩擦特性及处理方法，或经济的方法。已建的绝大多数预应力混凝土路面都属于“单独型”的，但该类路面不能做得很长(一般可达120m)。如果路基的摩擦问题解决了，并且对“连续型”的路面有了一定认识，那么修建长达300m或更长的路面是可能的。我们可从“单独型”和“连续型”路面的一些特性中看出：将这两类路面联合使用会更有利,“连续型”路面可用于路基状况好的直路上，“单独型”路面用于路基情况稍差和曲线路上。随着预应力混凝土路面的理论体系的成熟和施工技术的发展，预应力混凝土路面将会有良好的发展前景。