市政路桥施工中预应力技术的应用

2022-08-12袁瑞河

建材发展导向 2022年15期

袁瑞河

（北京市市政专业设计院股份公司山西分公司，山西太原 030000）

市政路桥工程在长期的使用过程中，受外界荷载的影响，容易发生形变，加大养护难度的同时，影响路桥工程项目的使用寿命，而在路桥工程施工中应用预应力施工技术，可以一定程度上提升路桥工程的承载力，增加路桥结构的稳定性与安全性，达成增加市政路桥工程实际使用寿命的目标。

1 预应力技术

预应力技术是在路桥施工中，通过预先埋设波纹管后送筋张拉、或先张拉后浇筑混凝土的方式，来给路桥混凝土结构施加压应力，用来抵消实际运营过程中路桥结构所承受的部分荷载带来的拉应力，以此来达到提高路桥结构刚度、增强路桥构件耐久性、延长路桥结构使用寿命为目的的一种施工技术。需要注意的是，在市政路桥工程施工中应用预应力技术，需要在路桥结构承受外荷载前，依据桥梁规模和道路性质，来划分好桥梁所受荷载等级，在会受荷载用变形的区域施加一定的压应力，进而改变路桥结构的使用性能及结构型式，提升路桥结构的安全和稳定性。

2 预应力技术的分类

预应力技术分为先张法与后张法两种，先张法主要是先设好台座，按照要求水平铺设预应力筋，对预应力筋 (钢绞线) 进行张拉，张拉到设计要求后，开始捆扎非预应力筋钢笼，浇筑混凝土结构，待混凝土达到应用的强度后，放张并切割预应力筋，最后拆除台座。先张法具有施工简单、自身粘结力强、锚具可以重复使用、大批量生产质量稳定等桌优势，适用于中小型混凝土构件的批量化生产，缺点是需要一定的施工场地，且需要事先配好一些列生产设备，如坐台设备、养护池等，一次性投资较大，且先张法由于是先固定后浇筑，因此先张法的预应力筋多为直线布置，曲线布置较为困难；后张法是在浇筑混凝土构件的过程中先埋设波纹管，待浇筑的混凝土达到设计要求后，往波纹管内送入预应力筋 (钢绞线)，使用张拉机开始张拉，后张法产生的张拉力能够高达几百吨，同时，与先张法相比，后张法不需要事先固定台座、也不需要另外开辟加工场地，可以直接在路桥施工过程中开展施工作业，且后张法中的预应力筋布置较为灵活，可以根据施工设计要求，直线或曲线铺设预应力筋，能够用来制作大型预应力混凝土构件。缺点是后张法用来进行预应力固定的锚具，会被永久固定在预应力混凝土构件中，成为混凝土结构的一部分，不仅能够在张拉的过程中起到一定作用，还能够在混凝土结构的日后使用中起到传递预应力的作用。缺点是这种方法不适合用于小型预应力混凝土构件，费用较高。

3 市政路桥施工中预应力技术应用的价值

3.1 延长路桥结构的使用寿命

预应力施工技术在实际的市政路桥工程施工中，都是按照高标准、高质量的要求，来对钢材、混凝土、波纹管等建筑材料进行选择的，能够充分保障预应力混凝土构件的施工质量，进而保障路桥工程整体质量。同时，混凝土构件作为路桥工程主体结构，预应力技术在混凝土结构中施加的压应力，能够将抵消部分路桥工程运营中受到的外部荷载产生的拉应力，防止混凝土裂缝的过早出现，延长路桥结构的使用寿命，降低路桥工程养护成本，能够在很大程度上实现社会效益与经济效益双赢的局面，节省当地财政开支。

3.2 增强路桥结构的抗震性能

在市政路桥工程施工中应用预应力技术，主要是使用钢绞线张拉，对预应力构件事先进行预应力处理，并借助混凝土构件来增加路桥工程强度。在实际的市政路桥工程施工中，应用预应力技术产生的压应力能够与结构荷载相互抵消，相关的技术人员可以根据混凝土构件的实际情况，对预应力的受力方向及力度大小进行合理控制，从而将外部荷载压力对沪宁土结构的破坏效果降到最低，增强路桥结构的抗震性能。

3.3 提高路桥结构的整体性

市政路桥工程在设计的过程中，除了要考虑到工程本身的功能性外，还要结合整个城市的规划设计来进行综合性考虑，尤其是在路桥工程建设难度不断增加的当下，为了保障路桥工程施工安全，人们对路桥的施工技术水平也有了更高要求，再加上城市土地资源紧缺，使得路桥工程在设计上，不仅要节约空间占有率，还应具有更高的承载力，以满足城市不断增长的出行需求。预应力具有的空间效应可以与路桥的弯矩内力相互抵消，能够在大大提升路桥荷载的同时，提高路桥结构的整体性。

3.4 提升路桥结构的耐久性

市政路桥工程的实际寿命与路桥结构的耐久性挂钩，在市政路桥施工中，预应力技术的应用能够在最大限度上提升钢筋混凝土的外部荷载承受能力，延缓并减少钢筋混凝土裂缝的产生，从而提升路桥结构的耐久性。

4 后张法预应力施工技术的要点

4.1 预应力施工材料选择

后张法预应力施工技术所要用到的施工材料种类较多，有预应力锚具、钢绞线、波纹管等，应在施工前，做好各类施工材料的质量检查工作，确保各类施工材料的性能参数与设计规范要求相符；

4.1.1 预应力锚具

预应力锚具进场时，应严格依据相关的规范标准及设计要求，对预应力锚具的硬度、外观、尺寸等进行仔细检查，并对锚固的锚固性能进行检测，判断即将被投入到实际使用中的预应力锚具的锚固性能够达到预期要求。其中，在对预应力锚具外观尺寸进行检查时，抽检量应为预应力锚具总量的10%，且参与抽检的预应力锚具数量不得低于10 套。针对部分有特殊硬度要求的部件，如预应力锚具链接器 (如图1)等，还应对其进行硬度试验。需要注意的是，在对预应力锚具的性能进行检测时，如果发现被检测锚具的某个试件测试结果不达标，应抽取不低于20 套的样品锚具，继续进行检测，此次检测结果仍旧不达标，那么该批次的所有预应力锚具都应被判定为不合格。

图1 预应力锚具链接器

4.1.2 钢绞线

在对钢绞线 (如图2) 进行分批验收时，要认真核对该批次钢绞线的包装、标志、规格、质量证明书，同时，向钢绞线经销商或生产厂家所要对应批次钢绞线的弹性模量值。通过分批次对钢绞线进行表面质量、直径偏差、力学性能实验，获得相关的检测报告，并比对钢绞线的弹性模量值，如果二者误差在规定的范围内，则判定该批次钢绞线合格，反之，不合格。

图2 钢绞线

4.1.3 波纹管

预应力波纹管检测内容应包括外观、柔韧性、抗冲击性、抗弯曲渗漏、局部横向荷载等方面。如果预应力波纹管为塑料波纹管，其每批的检查数量应不大于10000m。此外，波纹管的存放时间不能超过六个月，如果是室外存放，应在波纹管底部进行支垫并覆盖保存，不能让波纹管与地面接触，也不能让其直接暴露在空气中。

4.2 预应力施工设备

路桥工程施工中实施后张法，需要用到张拉设备、孔道压浆机等，其中，张拉设备又分为张拉千斤顶、张拉机等；需要注意的是使用张拉设备进行预应力筋张拉前，要对张拉设备的安全性及设备运转情况进行检查，为后续的预应力施工做好基础。

在使用过程中，实际张拉工作状态与标定千斤顶的活塞运动方向相同时，如果千斤顶出现千斤顶或压力表异常、张拉次数大于300 次、使用时间大于6 个月、千斤顶检修或更换过配件等情况，应及时对其进行重新标定。

4.3 安装波纹管

为充分保障波纹管的安装施工质量，相关的技术人员应依据施工图纸要求，对波纹管的定位位置进行精确计算，确保波纹管安装位置的准确性。由于后张法预应力施工技术是先将波纹管固定在钢筋构件中，穿越钢筋管道，而后进行浇筑，浇筑后在通过应力张拉机，将应力筋穿过波纹管进行张拉，一旦浇筑，便不能再改变波纹管的安装位置，因此为了确保后续张拉的效果，波纹管的定位位置必须准确无误，将误差控制在规定的范围内。具体的允许偏差参数如表1 所示。

表1 后张法预应力管道安装允许偏差

在预应力波纹管的安装时，选用直径为5mm的Ⅰ级钢筋来制作用于固定波纹管的井字形定位架或U形定位架，波纹管的直线段每隔80cm安装一个用来固定波纹管的定位架，曲线段则每隔40cm装一个定位架，同时在施工中要确保梁体钢筋管道与定位钢筋间的连接可靠、牢固，且确保波纹管固定位置与设计要求相符合。

其次，需要注意的是波纹管连接处的接头不能存在角度变化，避免在波纹管后续的混凝土浇筑中发生移动，同时对波纹管接头处进行较为严密的缠裹，避免水泥砂浆渗入到波纹管内，从而影响后续的预应力筋穿束或张拉效果。

4.4 安装钢绞线

先张法使用的钢绞线为单根，多跟钢绞线水平放置同时，用坐台固定进行张拉；而后张法用的钢绞线则是多股线扎结成束，在实际的施工中，钢绞线的安装有四个步骤，即开盘、下料、穿束、锚固，为了保障张拉效果，应各个控制钢绞线各个安装环节的安装参数与细节，具体如下。

4.4.1 开盘

在开盘前，要借助支架将钢绞线进行牢固固定，避免钢绞线在张拉的过程中散开弹伤人。

4.4.2 下料

在用料时，钢绞线离地高度为20cm左右，防止钢绞线在穿束时，发生锈蚀。相关的施工人员要结合实际情况，对预应力孔道长度、千斤顶长度、工具夹具厚度等进行详细分析，以此来对下料长度进行应严格控制，过长会导致钢绞线浪费，过短会发生脱锚。确定好钢绞线下料长度后，使用砂轮或切断机切断钢绞线。

4.4.3 穿束

在穿束的过程中，为了避免钢绞线穿破孔道，降低穿束阻力，可以用锥形套对钢绞线进行包裹后，在送入穿束机穿入端时，如果孔道较长，可以使用穿束机对钢绞线进行逐根穿入。为了保障穿束安全，避免钢绞线在穿束时，因摆动过大而伤人，必须在穿束作业区周边设置警示牌，禁止非作业人员靠近。如果孔道较短，可以对钢绞线进行编束，而后整体穿入孔道。在这个过程中，要将钢绞线理顺，确保编束后的钢绞线松紧一致、牢固，不会再穿束过程中散开，增加穿束难度。为了防止后续张拉过程中，钢绞线在预应力的作用下刺破管道，在对钢绞线编束时，用20号钢丝，每隔1m对钢绞线进行绑扎，且钢丝扣必须插入到钢束内侧，不得外露。

4.4.4 锚固

固定端锚具安装应在穿束结束后进行，工程使用的预应力筋、夹具、锚具应配套使用。预埋在混凝土内部的波纹管，在端部设置了锚垫板与螺旋筋，在预应力钢绞线穿束完毕后，安装上相应的锚具，进行固定，保障每根钢绞线都能牢固夹住，锚垫板与锚具间紧密接触，不留间隙。

4.5 张拉施工

预应力钢绞线安装固定后，也要对端部留出的钢绞线长度进行仔细检查，确认其是否能够满足设计要求，如果钢绞线的长度不符合要求，应及时调整混凝土构件两段伸出的钢绞线长度，使其长度符合预期要求。在张拉施工时，相关的技术人员应严格按照相关规范标准，对工具锚、限位板、千斤顶等设备进行安装，尽可能让千斤顶、工具锚、限位板扥设备的中心点位于同一水平轴线上，只有这样才能让应力筋中心线与张拉方向保持一致。张拉前，技术人员应对混凝土质量进行检测，钢筋混凝土构件的强度与弹性模量必须达到设计要求，符合设计要求，且达到合同要求，并经过现场检验人员复检合格后，才能进行预应力张拉，严格按照设计要求来进行张拉。

张拉完毕后，待钢绞线回缩达到设计要求后，用砂轮机切除多余钢绞线，需要注意的是锚段外钢绞线预留长度不得低于3cm，最后用水泥砂浆封闭锚头。

4.6 孔道压浆

预应力孔道压浆的目的是防止钢绞线锈蚀，减轻锚具负担，充分发挥预应力筋与混凝土应有的作用，为充分保障预应力孔道压浆质量，应注意以下事项。

4.6.1 确保水泥浆制备质量

通常选用强度大于42.5 的低碱硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，来制备孔道压浆用的水泥浆，同时，制备泥浆用水中的氯化物含量应低于350mg/L，且水中不能含有会破坏水泥性能与预应力筋性能的有害成分选用钙矾系膨胀剂或复合型膨胀剂来制备水泥浆，同时，孔道压浆用水泥浆的水灰比为0.3 ～0.35。最后，水泥砂浆在制备完成后3h 的泌水率为2%～3%，而且水泥砂浆能在24h 内将泌水全部吸收。

4.6.2 严把孔道压浆施工细节

压浆前要对孔道进行清理，待压浆泵口流出的浆体稠度达到设计要求时，开始压浆作业。如果孔道属于水平类型或弯曲较短时，压浆泵压力为 0.5 ～0.7MPa，如果孔道较长时，压浆泵压力最大值为1.0MPa。为了保障孔道压浆，在对同一孔道进行压浆时，应确保浆体的连续、均匀、缓慢进行，必须一次完工，不得中途断掉。当压浆充盈度达到规定要求后，要及时关闭出浆口。

4.6.3 压浆施工注意事项

压浆应从低到高、由下向上有序进行；同一孔道压浆必须一次完成，中途不得打断，如果中间停顿超过20min，必须将已压入的水泥浆清洗干净，重新进行孔道压浆。