预应力技术在公路桥梁施工中的优化应用策略

陈刚

（中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州450001）

0 引言

预应力技术是桥梁建设的重要环节，其实际操作过程不是简单的牵拉过程。在施工过程中，工程师应制定完备的预应力工程方案，并在施工过程中注意施工细节，从而达到建造高质量桥梁的目的。

1 预应力技术在施工中的应用概念

首先了解预应力筋的概念：预应力筋由钢丝、钢绞线或钢筋组成。由于预应力筋在桥梁支撑力方面起关键性作用，桥梁建设需要对预应力筋进行严格要求：预应力筋品种、级别需要符合设计要求，达到桥梁建设要求的强度。在检验人员进场检测时，不仅要检测预应力筋的证书、规格等基础信息是否正确，还应注意测量其弹性模具等信息。并选择配套的锚具、锚垫板和局部加强筋从而加强桥梁整体强度。再了解预应力技术：预应力技术分为先张法和后张法。先张法顾名思义在桥梁建设时，先张拉预应力筋，后浇筑混凝土。后张法是预留出预应力筋的洞口前提下，先浇筑混凝土，后张拉预应力筋的工程办法。

两种预应力技术在施工中有异同，相同点人混凝土强度都应达到标准值的75%；不同点在于先张法在浇筑混凝土后需要切断钢筋，其预应力的传递靠的是混凝土与钢筋之间的“粘结力”即握裹力；后张法在浇筑混凝土后需要张拉钢筋，“锚具”是其预应力传递的主要工具。在施工中应用预应力，不仅节省工程成本、降低桥梁自身承重力，还具有提升桥梁抗渗透性和抗拉裂性能等优势。

2 预应力技术在公路桥梁施工中面对的问题

预应力技术面对的最大问题在于预应力的损失，预应力损失分为瞬间损失和长期损失。瞬间损失主要在于张拉预应力筋阶段：孔道摩擦损失、锚固损失、弹性压缩损失。长期损失存在于张拉后阶段：预应力筋应力松弛损失、混凝土收缩徐变损失。

2.1 孔道摩擦损失

孔道摩擦损失是后张法施工孔道注浆过程中出现的问题。其损失程度不同，造成后果也不同，轻则影响桥梁承重，重则造成桥梁坍塌等严重事故。引起孔道摩擦的原因包括在施工时使用的预应力筋的类型、混凝土的性质以及施工时的做工精细程度有关，在施工后对孔道注浆的质量检测过程中也可能对孔道摩擦产生影响。制订施工方案时对于孔道摩擦损失部分最大的难题在于难以计算出预应力筋的摩擦系数，使得管道在成型后的管道摩阻损失大于理论上的管道摩阻损失。

2.2 锚固损失

锚固损失是预应力技术中先张法与后张法中均存在的问题。钢筋锚固的机制是混凝土接触面与钢筋表面之间存在的握裹力，当损伤握裹力时，就导致接触面积增加，钢筋直径固定，其周长就固定，导致锚固长度增加。在桥梁完工后，若锚固损失，就会影响桥梁握裹力，从而影响桥梁质量。锚固损失不仅包含直线筋的锚固损失，还包括反向摩阻力的影响。若桥梁建造工程师在设计过程中计算的直线预应力筋越长，其误差越大。

2.3 弹性压缩损失

弹性压损损失是先张法和后张法施工中出现的问题。弹性压缩损失是预应力传递时由于构件压缩短引起的预应力损失。用通俗的话描述，即：若在分批张拉的情况下，混凝土会因后张拉的预应力缩短，而先前已经锚固好的钢束处的混凝土会产生弹性压缩。所以在不同张法的构建中，计算损失的方式也不同。

对于先张法：全部预应力筋一次放张计算。

对于后张法：多根预应力筋分批张拉，构建逐步缩短，先张拉的预应力筋产生不同程度的弹性压缩损失，若只有一根预应力筋或虽有多根预应力筋但一次同时张拉，则构件在张拉过程中的缩短不产生弹性压缩损失。

2.4 预应力筋应力损失

预应力筋应力损失包括预应力钢绞线松弛引起的损失、钢绞线受温差引起的损失、钢绞线挤压混凝土引起的损失、钢绞线与各种相连物摩擦引起的损失和张拉端锚具的变形和预应力筋回缩引起的损失。预应力筋的应力损失是在所难免的问题，其应对策略也只能简单进行缓解，无法长期避免，但撇去其他自然因素，人工因素带来误差，可以人为避免。

2.5 混凝土收缩徐变损失

混凝土的收缩与徐变一直以来都是施工工程中长期存在的难题。混凝土受外界因素干扰会产生相应的形变，如热胀冷缩的物理性质。其混凝土收缩是指混凝土从半固体状态到凝固状态时产生的形变。其徐变是指混凝土长期经外界因素的作用力影响下带来的形变。在预应力技术的实际应用中，混凝土的收缩徐变将会导致预应力的损失。而就桥梁工程而言，混凝土的收缩与徐变会影响桥梁的承重能力，这对于道路与桥梁工程是一个很大的安全隐患。

3 预应力技术在公路桥梁施工中的优化应用策略

3.1 人工避免孔道摩擦预应力损失

在桥梁建筑中，工人行为不规范会导致桥梁预应力损失，从而导致桥梁整体强度下降，严重时会因为一点小失误导致严重的事故发生。所以在施工过程中，施工方对工人行为进行规范，使其采取物理方法来降低孔道摩擦部分的预应力的损失。解决措施包括预应力筋钢绞线方面影响孔道摩擦和施工工艺导致的孔道摩擦以及综合性因素。

3.1.1 减少预应力筋钢绞线导致的孔道摩擦损失措施

①预应力筋钢绞线质量低，会很大程度上影响孔道摩擦因素。故在施工过程中，对于未使用的钢绞线或预应力筋应尽可能妥善保管，避免其受到损害，影响工程质量。一般来说，预应力筋在未使用时宜存放在干燥的室内进行存放，避免其与大量氧气接触，使金属氧化甚至生锈，进而对预应力筋在预应力方面的使用及后续作用产生影响。

②预应力筋编束不规范，也会影响桥体的抗张拉力。所以在预应力筋编束时，应该规范编束行为：梳顺理直每一束预应力筋，捆扎牢固整束预应力筋，尤其在编束后，要及时应用圆锥形物体套住预应力筋的端头部，其目的在于避免穿束过程对波纹管造成损坏，从而影响桥体整体结构。

③孔道摩擦损失之所以会影响工程质量，其原因是在理论上无法精准预测摩擦力多少。所以建造师应该尽量在施工过程中确定预应力筋的实际摩擦系数，以便及时修改施工计划方案，避免理论方案与实际结果摩擦力误差过大，从而影响整体桥梁建筑。

3.1.2 减少施工工艺导致的孔道摩擦损失措施

①有经验的建造师在解决大跨度预应力桥梁施工过程中采取减少使用长预应力束，施行节段施工工艺，从而降低管道的摩阻损失。所以在跨中预应力损失较大区段，宜适当增加预应力筋的数量，从而弥补整体预应力照施工计划的不足。

3.1.3 减少综合因素导致的孔道摩擦损失措施

波纹管直径应按大一号于正常情况选择的波纹管直径。其目的在于减少孔道填充量，避免整个孔道分节段，一部分密实，一部分疏松，造成压力不均，承重力不均的现象，造成孔道摩擦力不均匀，对桥梁预应力造成影响。

3.2 采取基于冲击弹性波法对注浆孔道进行质量检测

传统的对注浆孔道进行质量检测的办法是直接钻孔取芯进行检测。这种方法应尽量避免或在此基础上改进，其主要原因是检测过程破坏孔道结构，进而对整个桥体的稳固性、抗压性等性能造成破坏。近期，随着科技的发展，研究人员优化注浆孔道检测方法，研究发明了一种基于冲击弹性波法的检测方式，其原理是冲击弹性波在质地均匀的管道内产生相同频率的回射。当孔道注浆质量存在缺陷时，会在缺陷位置上先反射，与管道底部反射波产生时间差。利用这种原理可进行无破坏式孔道检测，从而减轻对桥梁预应力的损失。

3.3 人为因素避免预应力筋应力损失

人为因素是施工过程中，施工方最大程度上控制对预应力的影响因素，包括可以避免的对预应力筋的损害和对预应力筋的保护防护措施。下面介绍四种可以控制的人为因素对预应力筋的策略，供相关技术人员参考。

3.3.1 超张拉工艺

在钢绞线的长度大于等于100m 时，钢绞线会自松弛。钢绞线松弛的主要原因是钢绞线是金属，金属具有高应力状态会形变的性质。预应力筋钢绞线在桥梁中，钢绞线自身的因素，如：紧绷程度、自身重量，也会导致自松弛。为了减少钢绞线松弛带来的影响，超张拉工艺应运而生。超张拉工艺是指在拉张钢绞线过程中，先按超张拉的5%长度张拉，再持续负荷2 分钟。这样操作过后的钢绞线，经试验及计算，应力损失减少48%以上。

3.3.2 常温养护钢绞线

由于金属的热胀冷缩性质，在拉张预应力筋钢绞线后，热胀冷缩会影响预应力钢绞线的长度，同时降低钢绞线的拉应力。在施工过程中若想避免钢绞线受到影响，可以选择尽量在昼夜温差小的天气下进行钢绞线的张拉。或者选择常温养护钢绞丝。常温养护钢绞丝即构件蒸气养生时，逐渐升温，当混凝土达到一定的抗压强度时，再逐渐升温。

3.3.3 施工中选择锚具形变小的锚具、缓慢移走张拉机械

张拉预应力筋，如果张拉到预应力筋张拉控制应力后，若立刻撤走张拉预应力筋的张拉机械，导致预应力筋回缩，锚具形变，造成预应力筋降低紧张程度，从而引起预应力筋的应力损失。

其解决方法一方面在其他因素上解决：在施工中选用锚具形变小的锚具，预应力筋缩短的长度受到限制，其缩短距离的预应力筋产生的负面效果会得以降低；在另一方面，从源头上解决预应力筋缩短的问题：在预应力张拉达到标准后，张拉机械在原处停留五分钟，留给预应力筋足够的时间形变，再关闭机器，进行锁死螺母移开张拉机器等一系列操作。

3.3.4 减少预应力筋与相邻物体摩擦带来的损失

在预应力筋的张拉过程中，预应力筋会沿着张拉端产生螺旋式伸长的形变。在此过程中，预应力筋必然会与相邻物体进行摩擦。物体之间摩擦产生摩擦阻力，摩擦阻力的存在将引起预应力的损失。

解决问题时应从大化小：解决预应力筋的摩擦问题转化为如何降低摩擦，其解决方法就跃然纸上：

①用润滑剂涂抹底座与张拉器具，降低摩擦系数，从而减少摩擦系数；

②尽量缩减预应力筋的布置长度；

③避免单端张拉，选择两端张拉，减少摩擦损失。

为减少预应力的损失，对预应力筋的损失应尽量避免，除了上述的四大方面提供的人为因素影响方面及技术手法带来的影响以外，施工方还应该注意对预应力筋钢绞线进行合适的张拉方法、张拉顺序与张拉程序，安全有效的进行预应力筋的施工作业。

3.4 减少混凝土收缩徐变

3.4.1 提高混凝土质量

公路桥梁需要很强的承重能力，其桥梁强度，抗张拉能力及热胀冷缩性质很大程度上受混凝土强度影响。故需要提高混凝土质量，以确保桥梁安全质量。

3.4.2 通过改变混凝土的配比减少收缩徐变

预应力结构对混凝土强度要求较高，其目的在于减小公路桥梁施工结束后混凝土徐变和桥梁预应力的损失。而混凝土的强度等级我们可以通过改变配比用量来进行改变。在水灰比一定的情况下，水泥用量越大，则徐变越大，我们可以在适当的范围内减少水泥的用量。我们可以在不影响其他指标和性能的情况下灵活地调配混凝土，使其符合预应力结构的需要。

3.4.3 对混凝土构件的厚度及尺寸的改变

构件的尺寸越大，混凝土产生的收缩徐变效应理论上越低。混凝土的收缩徐变是构件的体积与表面积的比的函数，体积越大或者说表面积越小，导致混凝土的收缩与徐变越低。因此在设计过程中适当地加大预应力构件的尺寸可以降低混凝土收缩徐变带来的负面影响。

3.5 利用临时束降低弹性压缩损失及其研究

方法策略应用于后张法。预应力筋在后张法构件中数量较多，常规采取钢束分批拉张、锚固施工，一般情况下采取逐束张拉。一般采取的策略为尽量减少张拉的分批次数、在分批张拉时让先批张拉的束数多于后批张拉的束数和合理的张拉次序，即先张拉靠近截面中和轴的钢束，后张拉远离中和轴处的钢束。但是只能起一部分缓解作用。同济大学吴培峰、郑步全、陈艾荣发表论文，在理论上证明使用临时束可更有效的降低弹性压缩损失。其主要方式是利用设计钢束的最下排空道，在孔道内穿入比设计束强度更高的临时束，并张拉锚固，在全部设计束张拉锚固完毕后再拆除临时束，再穿入设计束并张拉到设计要求锚固。其优点在于不需要专门设置临时束构造，若临时束的数量适当，一般可使钢束的平均弹性压缩损失降低50%。

3.6 低钙粉煤灰基地聚物混凝土技术的发展

低钙粉煤灰基地聚物混凝土是指利用固体废弃物——粉煤灰与一定的碱激发剂混合，辅以少量高炉矿渣，经过高温养护加速固化后，以硅一氧四面体与铝一氧四面体为凝胶体主要存在形式的新型建筑材料，相比传统普通水泥混凝土具有优异的早期学性能、热稳定性以及耐腐蚀性。改进传统普通水泥混凝土的原因在于早期收缩特性。若混凝土收缩严重，导致开裂风险大，降低桥梁承重能力，极大程度增加事故发生风险。与早期收缩开裂密切相关的因素是混凝土的拉伸徐变特性。徐变可以松弛张拉的混凝土，降低混凝土的开裂趋势，只有混凝土的抗拉强度极限小于等于净拉应力时，桥面就有可能发生开裂。有部分专家表示，低钙粉煤灰基地聚物混凝土可以在早期收缩和受压徐变方面强于普通混凝土，为各大施工负责人提供思考方向，但由于缺少对地聚物混凝土拉伸徐变特性的专业论文与实践案例，不推荐在实际工程中进行应用，但希望为相关方面的研究人才提供科研思路。

3.7 锚固加固

锚固在预应力中人一项重要因素。首先锚下采用的钢纤维混凝土中钢纤维的材料尺寸、抗张拉强度、抗腐蚀能力都需要达到标准，符合企业规范。如果上述内容没有达到标准，就需要重新购料。对于自锚体系锚具，锚固损失和锚圈摩擦都具有一个最佳磨损值，在施工前需要不断进行调试，以调整到最合适的值。

3.8 优化监督施工管理机制

论文上述部分描述了许多人为因素造成的预应力损失，公路桥梁施工对自身质量要求极高，几乎不允许出现任何人为失误，一点小的影响都会不断放大，失误放大后，一旦产生事故，后果不堪设想。所以在公路桥梁施工过程中，需要优化监督施工管理机制，施工管理人员对预应力技术相关知识以及施工方案资料进行一定量的了解。施工人员不论在管理员工方面，还是施工方面，都需要以专业的眼光审视全部过程，确保每一步施工过程都是准确无误的，保证施工质量。

4 结束语

预应力技术作为一项安全且成熟的工程技术，已经被广泛地施用于建筑施工工程中。在桥梁道路的建设维修及保养当中，预应力技术更是一项不可或缺的技术。当然，再成熟的技术也会面临许多的技术难题以及缺陷，例如前文提到的孔道摩擦损失等等。因此对于预应力技术的优化与改进是必然的。以上的几条策略针对现存的一些问题提出了一些想法与建议，希望能够为攻克技术难关提供一些思路。当然建筑工程中安全是一切工程作业的基本准则。希望施工单位在技术的应用过程中严谨规范，以对生命负责的态度建设好每一座建筑。