商周二期高速公路工程箱梁竖向预应力施工技术研究

陈明刚

（商丘市睢阳区水务局，河南 商丘 476000）

1 设计单位关于箱梁竖向预应力筋布置的必要性

近年来发现在水利水电及高速公路工程施工中，有的箱梁有开裂现象（特别是箱梁腹板开裂），在商周二期高速公路及南水北调中线工程箱梁施工中，发现有多条竖向或斜剪细小裂缝同时发生在腹板的薄弱部位，有的甚至延伸到箱梁的顶板或底板。箱梁腹板裂纹使整体结构的抗扭转能力、抗剪能力、跨越能力乃至结构承载力下降，桥梁结构的安全性受到不同程度的威胁。

箱梁腹板开裂的原因是相当复杂的。大致如下：

⑴设计时对结构构造、主拉应力等问题考虑不周；

⑵施工中对质量要求不严，张拉时未考虑各种环境条件下预应力损失问题，导致纵向预应力损失过大，未达到设计要求；

⑶大型车辆急剧增多，车辆荷载严重超载等等。混凝土的破坏是由拉伸劈裂造成的，破坏面多与最大拉应力方向正交，从腹板裂缝来看，主要表现出斜截面上抗主拉应力不够。因此设计部门提出有必要在箱梁腹板布置竖向预应力。

2 双轴应力状态下混凝土强度准则

在大跨度三向预应力混凝土桥梁箱梁结构竖向预应力设计中,提高混凝土结构的强度是一个很重要的指标。参考国内外大量的实验研究结果显示，混凝土在双轴压缩状态下，主应力比为0.5时得到的最大混凝土强度提高约为20%～25%，仅仅依靠混凝土结构的主拉应力为零而计算竖向预应力是不够的。因此可以利用混凝土强度准则。分析混凝土在双轴应力状态下强度提高和预应力混凝土箱梁之斜截面抗剪强度提高的程度，从而提出混凝土结构强度提高的竖向预应力计算方法，为大跨度三向预应力混凝土结构提供理论依据。

3 竖向预应力筋施工质量控制措施

在商周高速公路及南水北调中线工程箱梁施工中，笔者经过深入研究，总结主要施工控制措施如下：

3.1 根据设计图纸要求对预应力束管道的坐标进行放样，精确安装预应力筋组件。

3.2 在安装预应力筋组件时，要检查管道是否畅通、波纹管是否刮破有孔、接头是否牢固、螺帽是否齐全。鉴于金属波纹管易于被振捣棒捣破，在后期施工时使用塑料波纹管代替了金属波纹管，实践证明较好地防止了波纹管破裂漏浆问题。

3.3 预应力筋下料前，如有扁折必须调直并清除表面浮绣、污物、泥土，预应力筋表面如有明显凹坑及其他缺陷，则应剔除该段，另外还应去除由于钢厂裁剪造成的偏头。采用砂轮机切割下料，切割后需去除端头毛刺。

3.4 在金属波纹管附近电焊钢筋时，要对波纹管加以防护，以防烧破管道，焊完再仔细检查，并严格禁止电焊火花和氧割靠近预应力束，防止电焊手线触及预应力管道，造成波纹管漏浆，影响施工质量。

3.5 金属或塑料波纹管都应尽量不设接头或少设接头，在波纹管不可避免的接头处，需用大一号的接头套接，套接长度在30cm左右；接管处及管道与喇叭口连接处应用胶带或冷缩塑料管将其密封防止漏浆，并用黑胶布胶封接头，要求接头牢固可靠。波纹管定位时用定位钢筋焊接在箍筋或主筋上，定位后的管道轴线偏差应符合设计要求；定位钢筋焊接牢固，波纹方向与穿束方向要一至；预应力束孔道要求锚垫板与锚束垂直，扩孔中心、束孔中心、锚固中心与锚垫板中心应同心。

3.6 安装竖向预应力管道和竖向预应力筋锚固端时，预应力筋下端要支垫牢固，以防下坠；锚固端螺母与锚垫板之间要拧紧，并用黄油将其间隙填满，防止水泥浆从下部进入管道；波纹管下口与固定端要密封好。

3.7 预应力高强精轧螺纹钢筋在固定端露出锚具的长度应等于或大于钢筋的直径；在张拉端露出锚具的长度应满足张拉工作长度的需要。张拉完毕后用砂轮切割多余部分，割后露出锚具长度与固定端相同。

3.8 浇注混凝土时，用黄油或纱布将固定端及张拉端锚具缝隙堵塞好，振捣人员应熟悉预应力筋埋设位置，严禁振捣棒长时间接触波纹管而造成管道偏移或损伤，致使成孔尺寸偏差过大或波纹管漏浆；在混凝土浇筑完成后一定要及时试通水洗管，并及时清理预应力张拉端面，并将每块梁上的预应力筋编号，张拉过程依号进行，做好张拉记录。

3.9 预应力张拉前必须将张拉油表和千斤顶配套标定，按标定后的回归方程进行张拉计算，必要时有选择地安装锚下应力传感器进行张拉力控制，有条件的情况下建议使用二次测力扳手（亦称扭矩扳手）控制。张拉顺序为：0→初始控制力（10%设计应力）→持荷2min→张拉设计应力→持荷2min→锚固。张拉时要边张拉边拧紧螺母。

4 环境温度对竖向预应力的影响

预应力筋一般都在室外张拉，如果在梁段混凝土由于水化热产生的温度场还未完全稳定的情况下张拉并进行管道压浆和封锚，将会导致粱段混凝土及管道内的水泥浆水化热传递到预应力筋上。由于混凝土热传导性差而钢束热传导性好，使得温度难以扩散到外界而导致钢束温度升高。预应力筋受热后自由膨胀，因此预应力筋中的应力将随温度的升高而降低。待其管道内的水泥浆已有较高的强度并和预应力筋黏结成整体后，预应力筋中的应力已不能恢复到原有的应力值。因此在孔道浆体达到一定强度且与预应力筋具有足够的黏结力之前，预应力筋相对其初始张拉时刻的温升会引起预应力较大的损失。类似于先张法构件施工时由于加热养护造成的温差损失，该损失与预应力筋的长度无关。若钢材的温度线膨胀系数和弹性模量分别取为1.0×10-5/℃和2.0×105MPa，温差为△T，按照《公路桥规》该预应力损失为2△T。如果按保守估计△T=10℃计算，其损失可达20MPa，可见这一损失不容忽视。

此外在施工过程中还加强观测了日照温差对竖向预应力的影响。由于钢束热传导性好，因此其温度一般与其所接触的周边温度较高处混凝土的温度基本一致。而对于一天中7：00-12：00，箱粱顶板受到太阳辐射的作用，混凝土温度急剧升高，而此时处于腹板外侧的混凝土由于箱粱翼缘板的遮挡而未受到阳光直射，其温升相对于顶板混凝土要小得多。而腹板竖向预应力筋在其整个长度上的温度与其顶板接触处的温度基本相同，因此腹板外侧的预应力筋与顶板以下腹板外侧面混凝土存在正温差，使得预应力筋内产生压应力增量而导致其内的预应力变化。

结语

箱梁设计施工的理论和实践表明：竖向预应力是抵抗剪应力和主拉应力的关键，没有设置竖向预应力筋的箱梁腹板，开裂更为严重，箱梁竖向预应力对于弥补梁体结构的应力损失问题尤为重要，三向预应力张拉工艺的运用，使得预应力损失准确计算的重要非常突出，其计算结果直接影响施工过程中及成桥后的结构强度和变形。对于后张拉预应力砼结构，较好地弥补了预留孔道摩擦、锚具变形和构件弹性压缩等引起的瞬时预应力损失和钢束应力松驰、砼干缩、徐变等引起的后期预应力损失。在施工过程中，结构的实际纵向预应力与设计值有一些差异，只有通过施工监测监控工作，一方面保证结构有足够的竖向预应力和纵向预应力大小；另一方面通过实际测量的纵向预应力大小，来合理配置和调整竖向预应力，以提高结构的抗破坏能力。

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