公路桥梁后张法预应力箱梁的施工工艺

祝明

（扬州华建交通工程咨询监理有限公司，江苏 扬州 225000）

引言

公路桥梁后张法预应力箱梁施工技术相对于先张法具有操作更加简便、环境适应性更强等优点。这种施工技术的工艺步骤比较多，并且孔道预留、穿束、锚固、灌浆、封锚等工序对质量要求高，研究其施工工艺对规避质量缺陷和安全生产事故具有突出的指导意义。

一、后张法的原理和特点

（一）原理分析

后张法预应力施工是一种增加公路桥梁结构强度的技术措施，其施工原理是安装好模板、预埋预应力筋穿束的管道以及梁体钢筋框架，然后在模板中浇筑混凝土。当混凝土凝固到一定强度之后在预埋的孔道中穿过事先制备好的钢筋束、钢绞线或者钢丝束，并完成张拉，预应力筋受到千斤顶等装置的张拉作用，呈现出伸长的状态，等到张拉到位之后使用专门的锚具将预应力筋锚固在公路桥梁结构体的端面，原本处于伸长状态的预应力筋就会产生向内收缩的应力，此时桥梁结构体在这种应力的作用下，会增强结构增强、承载力增大的特点。公路桥梁由多节箱梁组装而成，箱梁的两端搭载在承台上，中间具有较大的跨度，当载荷作用于箱梁的中部时会形成较大的力矩，如果结构体强度、刚度不足，容易产生开裂或者其他类型的损坏。后张法所产生的应力使箱梁产生略微上拱的趋势，在很大程度上抵消了载荷产生的力矩，这是其能够提升箱梁结构安全性的根本原因[1]。

（二）后张法的工程特点

后张法和先张法都能实现预应力施工的目标，但是其施工特点不一样，后张法的特点如下：1）场地灵活，无承台要求。先张法为了使预应力筋产生特定的应力，必须借助台座承受张拉时产生的作用力。而后张法是借助浇筑凝固后的混凝土结构来充当台座，这样就可免去先张法对台座的依赖性，所以后张法具有更好的环境适应能力；2）需要预留孔道。由于后张法是先浇筑混凝土，后穿束张拉，因此在浇筑之前必须预留出穿束的孔道，一般采用纹波管。钢筋从孔道中穿过并张拉之后可使用混凝土将其填充，预埋的孔道可抽离，也可不抽离，这种作业方法属于有黏结后张法预应力工艺。如果始终不填充孔道，使其保持中空，这种施工方法也可采用，这种称之为无黏结后张法预应力工艺；3）锚具用具保留。与先张法不同，后张法的锚具对维持预应力筋的应力作用具有不可替代的作用，因此，这种施工技术要求锚具必须保留，由此带来的问题是这种工艺技术无法重复利用锚具，工程造价相对更高一些；4）适用范围。由于后张法的造价较高，在小型梁体的施工中一般不使用这种方法，公路桥梁工程的梁体跨度大，工程价值高，因而使用更为普遍[2]。

图1 后张法预应力施工的工艺流程

二、后张法预应力箱梁施工的前期准备工作

（一）预应力筋准备

单根预应力筋。钢筋的直径、钢材的类型对单根预应力筋的锚固方式具有重要影响，原材应符合《钢筋砼用热轧光圆钢筋(GB13013）》、《钢筋砼用热轧带肋钢筋(GB1499)》、《低碳钢热轧圆盘条（GB701）》的规定。单根预应力筋要采用合适的锚具，帮条锚具、螺丝端杆锚具以及墩头锚具的适用范围各有差异，例如，螺丝端杆锚具要求钢筋直径不得超过36mm。

钢绞线和钢筋束。锚具的承载能力和张拉设备的拉力大小直接决定了钢绞线束和钢筋束的长度，将下料长度记为L，张拉设备选用穿心式千斤顶，锚具使用XM 型或者JM 型，那么下料长度需满足表1 中的计算方法。

表1 钢筋束或者钢绞线束的下料长度计算方法

（二）锚具准备

锚具类型多样，但适用范围各有差异，锚具的设计和制作也都是依据特定的预应力材料来进行的。具体情况如下：1）锥形螺杆锚具主要用于锚固碳素钢，当单根的直径为5mm 时，一次性可锚固24 根。具体施工时先在椎体上套上钢丝，并做到整齐且均匀，接着在椎体外侧套上套筒，利用手锤敲击调节套筒，使其和椎体保持同心。拉伸机作用于椎体，而椎体可挤压钢丝和套筒，最终使这些机械结构锚固成一个稳定的整体；2）钢丝束墩头锚具。这种锚具可一次性锚固12 到54 根碳素钢丝，单根直径为5mm。其构成部分包括锚环和螺母，安装方法比较简便。

（三）张拉机具准备

后张法预应力施工中使用的张拉机具包括穿心式千斤顶、锥锚式千斤顶或者拉杆式千斤顶，其中使用最广泛的是穿心式，因为其适用范围最广，目前使用的各种预应力筋都可采用这种千斤顶来张拉。锚杆式千斤顶可用于张拉钢丝束、钢绞线以及钢筋束，在张拉后两种预应力筋时对锚具提出了要求，一般为KT-Z 型锚具。拉杆式千斤顶可用于张拉粗钢筋和钢丝束，张拉时要和锚具配合得当，粗钢筋时采用螺丝端杆锚具，预应力筋为钢丝束时采用DM5A 型镦头锚具或者锥形螺杆锚杆。

三、后张法预应力箱梁施工工艺

（一）安装支架和模板

后张法预应力箱梁在张拉之前必须先将混凝土结构浇筑完成，因此，必须借助支架和模板系统形成箱梁浇筑施工的基本条件。1）支架系统安装。桥梁工程施工区域的地质条件不一定稳固，在搭建支架系统时要在底部支点枕木或者钢板，确保支架系统底部的承载力满足要求。支架搭建之后会产生一定的沉降，而这种沉降作用会影响到顶部的标高，等到其完全沉降之后再去安装模板。在前期的工程测量阶段将标高、跨度、剪刀撑的设置等作为重点。另外，由于支架的整体跨度比较大，拼装连接时具有一定的难度，要尽可能控制好各个节点的标高。2）模板安装。公路桥梁主体结构的尺寸比较大，这就要求模板系统必须达到足够的强度，尤其是底模和侧模，其承载的混凝土压力非常大。模板的连接和固定要控制好精度，尤其要避免漏浆，在安装模板的同时要将管道、钢筋以及其他的预埋件设置和固定到位。

（二）捆扎钢筋，安装预应力筋

预应力箱梁的底板、腹板以及顶板和翼板的浇筑时机存在差异，先浇筑底板和腹板，因此，这两处混凝土构筑物的钢筋要先安装到位，等到其浇筑完毕且顶板和翼板模板固定到位，再去安装这两处的钢筋。预应力筋的穿束孔道基本上都是采用纹波管，在安装之前要严格检查其是否存在堵塞、破损或者受污染的情况，纹波管破损会造成其内部漏浆。预应力筋可根据工程项目的实际情况选择适合的材料，以钢绞线居多。桥梁工程的钢筋在连接固定时可能会使用到焊接的工艺方法，此时要避免影响到纹波管，必要时在纹波管外侧设置隔板。预应力筋穿束要在混凝土结构浇筑完成且达到一定强度之后再进行，时间上一般是在桥梁混凝土浇筑完成三天之后，张拉时要使用张拉机具固定预应力筋的端头，一般要预留1m 的长度。

（三）混凝土施工

为了提高混凝土配置的标准化和快速化，采用专业的拌合站来提升各种物料称量的准确性，利用专业的运输车辆在合理的时间范围之内将其运输到现场，混凝土浇筑按照先底板、腹板，后顶板、翼板的顺序。浇筑之前严格检查支架系统、模板、钢筋以及纹波管等是否符合技术规范。振捣操作无论使用振捣器还是振捣棒，都可能因为操作不当而破坏纹波管或者其他类型的预制件，作业人员必须严格避免此类情况。混凝土材料中含有气体，振捣的作用是将内部密实到位，使骨料和浆液均匀分布，当表面不再向外冒泡时表明气体排除到位，即可停止振捣。浇筑混凝土的过程中有可能将混合料送入纹波管内部，为了防止这一现象，事先在纹波管内部预设了清孔器，其发挥作用的方法为施工人员在浇筑混凝土时来回拉动，也就是从梁体结构的一端拉至另一端，反复多次，尤其要在浇筑结束之后，混凝土未初凝之前，在彻底做一次清孔操作。纹波管一旦被混凝土堵塞，预应力筋穿束将无法完成。箱梁混凝土浇筑的厚度比较大，难以一次性完成，一般按照30cm 一层的厚度分层完成浇筑，上下分层处容易产生融合不到位的情况，振捣操作时要将振捣棒直接越过上下两层的交界面，深入5 到10 厘米。养护时间根据混凝土施工工艺来确定，通常为7 至28 天，在表面覆盖一层具有良好蓄水效果的遮盖物，如草帘或者麻袋，保持洒水润湿。

（四）拆除模板和支架

模板的拆除时间基本上按照条件分批次进行，顺序为侧模、内模和底模，混凝土的强度对拆模的时间具有非常重要的影响，为了在恰当的时机拆除模板，应该检查其孔道成型情况、混凝土是否脱落。模板及各种连接附件拆除完毕之后再按照从上到下的顺序依次拆除支架。

（五）预应力张拉

孔道的预留方式会影响到预应力张拉的方法。1）抽芯法孔道预应力筋张拉方式。当采用抽芯法形成穿束的孔道时，应该根据预应力筋的长度和线型选择适当的张拉方式。如果预应力筋的长度不超过24m，并且线型为直线，张拉方式为一端张拉。长度超过24m 的直线型孔道或者曲线孔道基本都采用两端张拉的方式来处理。2）纹波管孔道预应力筋张拉方式。当线型为直线且长度不超过30m，仅从一端张拉预应力筋即可。如果线型为曲线，或者长度超过30m 的直线孔道，一般从两端张拉预应力筋。3）张拉顺序。预应力筋张拉要做到均匀，一端张拉时比较容易控制，两端张拉时要做到对称施行，张拉设备定位之后应该避免位置移动，尤其在开始张拉之后，否则原有的张拉效果会释放掉。有些混凝土结构中不止一根预应力筋，难以一次性张拉到位，此时应该分批次进行，操作过程中要控制好拉力和对称性，必须注意的是分批次张拉时不同预应力筋之间会存在一定的应力损失，作业过程中要计算好损失值，做好平衡。4）拉力和预应力筋的校验。预应力张拉对拉力值的大小具有非常精确地控制要求，同样的，预应力筋的伸长量也具有相同的控制要求。只有精确测量相关数据，才能保证不同预应力筋的张拉效果。如果经过校验发现张拉值出现了偏差，应该先暂停，分析其中的原因，适当调整设备。另外，预应力张拉不能操作得过快，这样容易损坏预应力筋，放慢速度，逐级增加拉力。比如两端纹波管孔道预应力筋张拉程序：

0 →初应力（划标线）→бk(持荷2min，锚固）

张拉力对称进行，采用张拉力及引伸量双控制的方法检查张拉的质量，施工中应做好各项记录，以备检查。

张拉力校核：预应力钢材张拉以控制应力为主,以张拉时的伸长值进行校核.

a.理论伸长值计算:

预应力筋平均张拉应力公式：

式中:

k——考虑孔道（每米）局部偏差对摩擦影响的系数（0.0015）

x——从张拉端至计算截面的孔道长度（m）

μ——预应力筋与波纹管之间的摩擦系数（0.20～0.25）

θ——从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和（rad)

b.实际伸长值的量测及计算方法如下：

实际伸长值除量测的伸长值外，再加上初应力时的推算伸长值。

△L ＝△L1+△L2

式中:△L1——从初应至最大张拉应间的实测伸长值

△L2——初应力б0 推算伸长值,采用相邻级的伸长值。

张拉完成以后，实际测量的伸长值与理论伸长值之差不超过6%，否则采取措施予以调整。

（六）孔道压浆

制备灌浆材料。预应力筋穿过孔道之后依然不能填满其内部空间，采用有粘结的方法来处理时，要在孔道内灌浆。原材料为水泥、砂以及各种外加剂。在配置混合料时要选用优质的普通硅酸盐水泥，通常砂和水泥之间的比例为3:1。第二，清理孔道。纹波管在运输、安装过程中会落入灰尘、异物，在混凝土结构浇筑时可能会混入一部分浆料，堵塞孔道，施工时要积极利用清孔器，必要时使用洗涤剂将其内部清理干净。第三，压浆。水泥浆液在重力的作用下会自然地从高处向低处流动，但是这样难以保证灌浆的密实性，工程实践中从孔道上位置最低的一端开始灌浆，然后借助压力作用使浆液将孔道填满。孔道行设计有专门的泌水孔和排气孔，为压浆的顺利实施创造了必要的条件。

（七）封锚

后张法预应力施工要求永久保留锚具，预应力张拉结束之后使用锚具将其锚固到位，然后将多余部分的预应力筋截掉，不过要留出余量，通常留出3cm 即可。最后使用水泥封锚，混凝土构筑物在封锚时早已凝固，和水泥之间的粘结效果存在差异，可在水泥中加入适量的胶体材料，提高黏结效果。另外，封锚的水泥在凝固的过程中容易因为快速失水而开裂，所以在养护阶段可使用塑料薄膜，覆盖在其外层，减少水分的风干流失。封锚时要仔细检查孔道是否存在漏气、漏浆的情况。

四、后张法施工质量控制措施

（一）施工材料质量控制

(1)水泥、钢材及其它成品半成品进场必须有出厂合格证，并做材质试验，水泥在有效期内用完。

(2)地方材料先调查料源，取样试验,试验合格方可进料。

(3)现场设专人收料，不合格的材料拒收.施工过程中如发现不合格的材料及时清理出现场。

（二）人员培训

预应力张拉作业是后张法成败的关键，并且操作过程中还具有一定的安全风险，其技术规范也相对复杂，各个工序之间要配合得当。鉴于此，施工单位在作业之前应该对张拉作业班组开展严格的技术培训和安全培训。重点培训内容包括预应力张拉的时机、锚具的使用方法、张拉机具的使用方法、张拉过程中可能出现的安全风险因素等。优先选用具有预应力施工经验的人员组建施工班组。

（三）现场管理措施

第一，预应力张拉的班组成员一旦固定下来，坚决不可随意更换个别成员，如果要更换，新的人员必须全面接受相关的培训活动，确保技术和安全意识达标。第二，预应力张拉对精确度具有极高的要求，整个作业过程中按照逐级增加张力的方式来张拉，安排专门的人员记录相关数据。由于梁体跨度大，张拉端比较容易出现异常情况，作业人员要保持实时通信，发现异常及时报警，终止张拉。

图2 质量保证体系示意图

五、结束语

后张法预应力箱梁施工技术在公路桥梁工程中的应用非常广泛，在作业过程中应该针对以上各个环节中可能存在的质量缺陷进行全面系统的控制。