预应力混凝土技术对道路桥梁施工的影响分析

文/孙庚华

1 前言

预应力混凝土构件指的是利用预应力材料对混凝土结构内部施加压力，以此抵消外部存在的拉应力。该技术通过利用高性能材料，并以先进的设计方式整合，以达到使混凝土结构更牢固耐用的目的。该技术核心为采取高强度的钢材和混凝土，并且加之以现代设计方式的预应力混凝土结构。本文通过对照普通混凝土构件来分析预应力混凝土构件的优劣性，分析道路桥梁施工中采用预应力混凝土遇到的问题，并针对道路桥梁施工中选择预应力构件及施工工艺需求提出对策。

2 背景

谈到预应力混凝土技术，我们不得不引入预应力这个概念。从广义上讲，预应力就是有目的地施加某种数值与分布的内应力，不仅仅预压力是预应力，根据工程需要，也可以预先施加拉力，这也是预应力。举个常用的例子：扎木桶。如图1 所示，预先张拉拧紧环向竹箍，给木桶板施加预先压力，封闭木板桶间缝隙，以防止渗水。

图1

回到混凝土结构，混凝土抗拉能力和抗压能力相差太过悬殊。根据使用过程中的荷载特点，我们可以预先给使用过程中的受拉区施加压力（与此同时，将来的受压区可能也会受到拉力），以此平衡拉力与压力，防止混凝土过早开裂。

3 预应力混凝土构件特点分析

首先，采用的预应力混凝土构件应具有较好的刚度且抗裂性好。因为构件内部的预应力筋会使构件受到张力，而构件在正常使用阶段，使用荷载和预应力会相互作用抵消，避免拉裂结构，从而进一步提升混凝土结构的耐久性；其次，选择预应力构件能够有效降低自身机构重量，同时起到节材的作用。通常，预应力混凝土构件必须采用较高强度的材料，所以在为预应力混凝土构件计算配筋时，可根据规范要求减少构件钢筋使用量和截面积（截面尺寸），这样就可以节约钢材和混凝土，很大程度上减轻了结构自重，同时制作预应力混凝土构件也可有效减小混凝土梁的拉应力以及垂向上存在的剪切力。梁构件的内置弯曲钢筋会对混凝土结构产生压力；另外，构件截面具有拉应力，其会使荷载作用下的主拉应力相应减小。因此，梁结构的厚度可以适当缩减，采取预应力混凝土构件可使预应力混凝土梁的重量进一步减轻。该技术对于大跨度和重荷载结构尤其是大跨桥梁具有明显的优越性。对于大跨度结构、高耸结构和重荷载结构，预应力技术能有效缓解以上结构变形，有利于抵抗可变荷载以及偶然荷载，明显提升结构的整体效用；再次，预应力混凝土构件可以很大程度上提高受压构件的稳定性。例如，普通构件形状细长且占地体积比较大的时候，当受到较大压力时极易被压弯，压力增大导致丧失稳定，就会使构件进一步被损坏。若采用预应力技术处理，纵向受力钢筋被拉伸且自身处于紧张状态，预应力钢筋本身不会轻易受弯变形，钢筋受到其周围混凝土的握裹影响，提高了其周围混凝土的稳定性；最后，预应力技术有助于提升构件的耐疲劳性能，因为构件内部具有预应力较大的钢筋，当处于使用阶段，构件外部荷载增加，抵消一部分预应力产生的荷载，因此导致荷载的变化量不大，可以有效改善构件的耐久性。

虽然预应力混凝土技术在道路桥梁中拥有很多优势，但是相比于普通的混凝土工程也存在一些缺点。施工技术比较复杂，无论是对工程所使用的设备，还是施工行为质量都有较精确的要求，所以在实际施工中如果应用预应力技术除了要为其配备精通工艺且操作娴熟的专业施工技术人员，同时还需要配备一定数量的符合条件的专门设备，例如校对仪表、张拉机具、灌浆设备。另外，除了工艺复杂、操作专业，预应力技术对混凝土结构的要求也相对高，在对混凝土结构施加预应力过程中，若操作不当，就会容易造成反拱现象，即反拉应力，反拉应力会严重影响到公路桥梁隧道工程质量；最后，预应力混凝土费用远大于非预应力工程费用，相较于不使用预应力技术的工程，该技术成本花费较大。

4 在公路桥梁施工中对预应力技术的应用

随着公共交通运输基础设施加快建设和发展，全国各地正在大量建设道路桥梁。预应力混凝土桥梁具有自重轻、跨度大、使用荷载较高、设计经济合理、施工便利易行、施工工艺成熟且临时设施投入较少等众多优点[1]。在公路桥梁工程建设中，其项目越大，涉及的方方面面各种因素就有很多，其结构也相对复杂，尤其是多跨桥梁，这种桥梁的结构和位置是不同的，且荷载的弯矩效应也是不同的。通常来看，大部分桥梁整体的中间位置具有正弯矩，即桥梁整体的底部会受到张力的作用。另外，混凝土结构的剪切和拉伸性能是有限的，很难符合大型桥梁工程对质量的要求。由此可以得出，在跨度较多的桥梁工程的施工中，采用预应力技术来处理混凝土构件，有利于提高桥梁主体中间位置抗拉和抗剪切力；与此同时，还能在很大程度确保多跨桥梁的稳定性，提高安全性能。

5 公路桥梁施工中预应力问题及对策

在公路桥梁工程施工过程中，采用预应力混凝土技术虽然有效提高了工程质量，但是也同时衍生出了其他的一些问题，若这些问题不能得到妥善处置，那么同样会影响公路桥梁工程的建设质量，所以施工单位有必要对这些问题加以关注，确保施工质量过关。

5.1 施工工艺问题及对策

预应力材料问题。采用业内规模较大、品牌过硬的厂家生产的产品，严格依照“三证”制度管理，即预应力材料的生产商应出具的质量保证书、各项检验通过的合格证书、产品出厂时进行检验得出的相关报告。

张拉时间的问题。预应力混凝土构件施工中，通常需要等到混凝土强度达到75%以上，才能开始进行张拉。夏季预计要3 天，冬季（气温不低于5℃）预计不会少于7 天。

张拉力控制问题。张拉长度L’=P×L/(E×S)，L’为张拉长度（mm）；P 为张拉力(kN)；L 为预应力筋夹持 长度(mm)；S 为 预 应 力筋 截 面 积(mm2)；E 为 预 应 力筋弹性模量（GPa；1GPa=1000MPa)。

孔道压浆问题。通常采用水泥净浆进行孔道压浆，然后配合添加外加剂；操作时先用清水冲洗孔道，然后将水泥净浆从孔的一端以一定压力注入，直至另一端有浓浆后溢出，稳压一定时间后进行封闭；尽快完成压浆，按照规定时长不宜超14 天；在压浆过程中，必须见到排水孔、排气孔有浓浆流出，随后封孔；水泥浆应确保充分，且稳压时间不少于2min。

5.2 锚具问题及对策

预应力锚具也是张拉环节的要素之一，一般在桥梁施工中常用，实际施工可根据设计和规范采取不同的措施，使用时进行安装定位。

5.2.1 锚具的材料问题。生产锚具的厂商必须有相关资质，并按设计图纸要求加工。锚具材料的好坏程度对锚夹片的影响很大，例如同一生产厂家采用不同材料也会造成锚具差别较大，其生产质量容易产生波动。

5.2.2 锚具的尺寸问题。国内的建筑市场中，锚具价格偏低，锚具生产厂家利润减少。为了确保获利，无良生产者很可能采取非标准的方式提高生产，以保证利润，如：一些生产者的锚具夹片长度减小，厚度、孔距等也不符合标准，锚具质量难以达标。另外，非标准的锚具很容易影响工程质量，进而产生安全隐患；其解决方式就是强化对锚具生产的检查和抽查力度。对于锚具尺寸而言，工作人员务必要严格筛选，例如夹片的长度未达到5cm，一定要禁止采购和使用，同时还要依据相关具体预应力混凝土构件重点关注相关尺寸方面的问题。

5.3 滑丝和断丝问题及对策

油污、钢绞线严重锈蚀、锚圈放置不准等是可能造成滑丝的主要原因；另外，锚具与夹片不能密贴也会导致滑丝甚至断丝；当钢绞线未被理顺而发生受力不均或者钢绞线受到摩擦挤压等情况就可能会造成断丝的情况[2]。为了防止出现滑丝和断丝情况，穿束前，工作人员应按要求对钢束完成梳理编束、绑扎；在张拉前检验锚夹具，严格按照规范测定夹片的硬度，未通过检测的应进行调整；另外，确定锚具、千斤顶位置并进行安装，随后开始张拉。张拉过程中，油压表示数达到要求值后迅速回落，据此推测可能会出现断丝的情况，如果发生断丝，应立即更换相关材料，重新执行张拉操作。如需焊接，不允许把预应力筋作接地线，以避免出现波纹管被烧伤的状况。张拉前，清理钢束并检查是否有修锈蚀部位，对发生锈蚀的地方进行调整和调换。此外，千斤顶和油压表需要由有资质的单位或部门对其进行标定，如出现断丝情况，应补足断丝造成的应力损失[3]。

6 结语

目前，交通运输基础建设不断发展，预应力混凝土技术将越来越广泛应用于道路桥梁工程中。在道路施工中，我们要总结经验，扬长避短，对多方面的要素进行管控，以此进一步提升施工质量。