大型预制混凝土箱梁预应力张拉施工技术探讨

吴艳伟 马巧遇

中交四航局二公司  项目部

摘要：结合胶州湾大桥土建工程施工经验,点明了后张法预应力技术的施工要点，详细论述了后张法预应力张拉施工中常见的质量问题,分析其产生的原因,并提出了合理的处理方法和预防措施。 

关键词：预制箱梁；张拉；常见问题；预防措施；

预应力体系作为桥梁主要的受力体系，在保证结构的整体安全方面起着极为重要的作用。随着道路桥梁建设规模的扩大，预应力技术在桥梁工程中的应用越来越广泛，然而出现的质量问题也不断增多。结合实际问题作出应有的分析和对策，是保证施工质量的重要手段。

1.工程概况

1.1设计情况

胶州湾大桥非通航孔桥采用跨径60m、高3.67m、顶板宽17m的箱形梁形式，箱梁预应力采用纵向和横向双向预应力体系,纵向通长预应力孔道共24道，均为空间曲线布置。孔道最大直径Φ115mm，最长为68.43m。

1.2预应力张拉施工特点

与国内同类型桥梁工程相比，本工程预应力体系具有以下特点：

（1）预应力钢束数量多，长度长，单束张拉吨位大；

（2）钢束空间布置复杂，平弯竖弯多；

（3）箱梁截面尺寸大，导致施工难度和危险性加大；

（4）箱梁预制为流水作业，作业效率要求高；

（5）预应力施工安全、环保防护要求高。

2.施工要点

2.1钢绞线理论伸长值计算

施工中对钢绞线张拉应力的控制一般采用引伸量与强度双控，以引伸量为主的控制方法，即要求实际伸长值与理论伸长值的差值满足设计要求。按照相关要求，施工前技术人员应根据施工现场情况对设计给出的理论伸长值进行校核，准确的计算出钢绞线的理论伸长值。在《公路桥涵施工技术规范》中理论伸长值的计算公式为：

ΔL＝（PpL）/（ApEp）

式中：ΔL――钢绞线理论伸长值（mm）

Pp――钢绞线的平均张拉力（N）

L――钢绞线的长度（mm）

Ap――钢绞线的截面面积（mm2）

Ep――钢绞线的弹性模量（N／mm2）

在运用上述公式进行计算时，应特别注意以下三个方面的问题，这也是在施工现场张拉控制时容易忽略的问题：

2.1.1预应力平均张拉力的计算

当预应力筋为直线筋时取张拉端的张拉力为平均张拉力，预应力筋为曲线筋时，其平均张拉力按下式计算：

Pp＝P（1－e-(kx+μθ)）／（kx＋μθ）

式中：P――钢绞线张拉端的张拉力（N）

x――从张拉端至计算截面的孔道长度（m）

θ――从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和（rad）          

k――孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数

μ――钢绞线与孔道壁的摩擦系数

曲线筋的平均张拉力计算时，k、μ可直接从规范附表G-8中查得，要特别注意的是x、θ如何取值的问题．在施工中预应力束采用单端张拉和采用两端张拉时x、θ的计算方法是不同的，这是由于同一束钢绞线在同等的张拉力下，单端张拉相对于两端张拉时的管道要长，其磨阻力也大，则钢绞线的伸长值也就随之较小，因此：

单端张拉时，x=L，θ=θ平弯+θ竖弯；

两端张拉时，x=L／2，θ=(θ平弯+θ竖弯)／2。

值得说明的是，“θ平弯+θ竖弯”是平弯角度和竖弯角度的矢量叠加，但实际施工中，当θ平弯、θ竖弯较小时，用矢量叠加值和数值叠加值分别计算出的结果相差极小，故为了计算简便，可直接采用数值叠加。

如果在计算钢绞线的理论伸长值时忽略了张拉采用的方式，不加区别的进行计算，计算的预应力平均张拉力难免会有偏差，这必然导致钢绞线理论伸长值计算有误，并将直接影响钢绞线的张拉控制质量，预应力构件的施工质量也随之受到影响，因此这是现场施工技术人员必须重视的问题。

2.1.2钢绞线长度L的取值

由于张拉时钢绞线引伸量是通过量测千斤顶活塞引伸量得到，因此计算钢绞线理论伸长值时，钢绞线长度应取锚固长度与张拉工作长度之和。张拉工作长度根据千斤顶及锚具型号确定。

2.1.3预应力筋的截面面积（AP）、弹性模量（EP)取值

设计方计算钢绞线的理论伸长值时所采用的截面面积和弹性模量是标准值，现场计算钢绞线理论伸长值时应取实测的钢绞线截面面积和弹性模量。

2.2张拉分级及实测伸长值计算

张拉分级应既能保证预应力施加均匀，又能精确地控制张拉力，且不致张拉过程繁冗。本工程中张拉分级见表1：

表1 张拉分级表

二次张拉伸长值计算：分级张拉：0→10%σk（测引伸量L1）→20%σk（测引伸量L2）→25%σk（测引伸量L3）→25%σk（测引伸量L4）→50%σk（测引伸量L5）→75%σk（测引伸量L6）→100%σk（测引伸量L7）。总测伸长值ΔL =（L3+L2- 2L1）+( L7- L4)。

要控制好钢绞线的张拉质量，准确量测张拉时钢绞线的实际伸长值是必要条件之一。此外，计算实际伸长值还需考虑钢绞线的回缩量，即：

钢绞线实际伸长值=总测伸长值-工作段伸长值-回缩量。

回缩量的量测方法为：张拉前在钢绞线上做一处记号，张拉到总吨位时，量取钢绞线伸长值δ1，持荷结束千斤顶回油后再量取钢绞线伸长值δ2，回缩量=δ2-δ1。

2.3油表读数计算

现场对张拉力的控制是通过控制油表读数来实现的。千斤顶检测报告提供一个千斤顶张拉力与油表读数之间的线性关系，张拉前需根据此公式计算出各级张拉力对应的油表读数。表2给出了一组油表读数的计算方法：

钢绞线的下料采用砂轮切割。成捆钢绞线打开前先放置于特制的下料笼内(防止线捆崩散弹出)。下料前在场地上按计算下料长度作出记号，并在场地上预先放置足够高度的木方，用以支垫钢绞线。严格控制下料长度。穿束之前，下好的料用隔水布覆盖好。

采用特制的穿束器，卷扬机牵引整孔穿束。穿束器用圆铁管制成，根据各钢束钢绞线数量，采用不同直径的铁管。穿束器长约20cm，前端做成锥形，并用足够长的钢丝焊接其上，钢丝与卷扬机上的牵引绳扣接。尾端供整束钢绞线穿入。钢绞线穿入穿束器后，需用钢筋头或木楔等将钢束楔紧，防止穿束过程中脱落。穿束时配备必要的穿束架等辅助工具。单端张拉的钢束在浇筑混凝土前完成穿束，操作时为单根人工穿入。

2.5张拉

张拉过程：安装锚具、夹片、千斤顶→连接油泵和千斤顶→逐级加压，记录各级千斤顶活塞伸长值→持荷→计算钢束实际伸长值，判断是否合格→结束

各钢束张拉先后顺序为：边梁：W3'→B2'→W2'→B1'→W4'→B3'→W1'→B6'→B7'→B8'→T0'→T1'→横向束。中梁：W3→B2→W2→B1→W4→B3→W1→B6→B7→B8→横向束。

纵向张拉为两端张拉（部分顶板合拢束、边梁顶板纵向束除外），且遵循对称张拉原则，部分纵向束需进行初张拉。采用分级张拉的施工方法。横向束为单端张拉、单根张拉，仍采用分级张拉的施工方法。 

3.常见问题分析及控制措施

在张拉过程中，有时会出现一些异常情况和问题，必须采取正确有效的措施进行处理或整改。施工过程中应采取相应预防措施。

3.1锚头处部位拉爆（砼、锚垫板）

产生原因：

（1）浇筑砼时锚头处振捣不到位，导致锚头处、锚垫板后出现砼不密实、空缺；

（2）锚垫板与设计不相符合或工作锚与锚垫板不配套；

（3）锚头处钢筋未安装齐全或安装错误（弹簧筋、钢筋网片、防崩钢筋等）；

（4）锚垫板等锚具质量问题；

（5）施加力远超过设计力值。

处理方案：检查并分析事故原因，用特定的修复材料对锚头处混凝土修复后重新换束张拉。

预防措施：

（1）加强锚头处混凝土振捣；

（2）安装锚垫板、工作锚前应仔细检查型号；

（3）严格控制锚头处各种钢筋的制作质量；

（4）材料到场抽样实验检测是否合格，如不合格需退换材料；

（5）张拉时准确控制油泵、压力。

3.2无法安装设计要求的千斤顶

产生原因：

（1）锚垫板安装严重偏位；

（2）其他工程设备及工程部位遮拦。

处理方案：若为锚垫板安装问题，需凿除锚头处混凝土，重新安装锚垫板。其它工程部位遮拦时，需设法为张拉提供必须的施工空间。

预防措施：

（1）按图施工，正确安装锚垫板，严格控制尺寸，浇筑混凝土前对预应力管道和锚垫板进行专项检查；

（2）正确安装，加固模板，防止跑模。

3.3断丝、滑丝

产生原因：

（1）施工时焊渣等其他灼伤、碰伤钢绞线；

（2）钢绞线自身质量问题；

（3）力度大于设计力度；

（4）夹片质量以及安装错位（工具、工作夹片）；

（5）曲线段摩阻过大。

处理方案：断丝、滑丝率在设计允许范围内时，对其它相似功效的钢束进行适当超张，以补偿损坏的钢绞线。断丝、滑丝率超出设计允许范围时，更换钢绞线重新张拉。

预防措施：

（1）施工时注意做好相应的保护措施，以防伤致钢绞线；

（2）重视材料抽样实验检测；

（3）严格控制油泵、压力在设计范围内；

（4）张拉前检查确保千斤顶与限位板、夹片与工作锚、工具锚配套并正确安装；

（5）施工时严格控制管道走向、弯曲度符合设计及规范要求。

3.4张拉后工具夹片回缩至工具锚孔里，导致预应力失效

产生原因：

（1）钢绞线于工具锚处弯曲使得安装工作夹片时不齐头；

（2）另一端工作锚板漏装工作夹片或夹片有损伤。

处理方案：退张后更换钢束重新张拉。    

预防措施：

（1）张拉前确保千斤顶、工具锚、限位板、工作锚板中轴同心，且与张拉面垂直；

（2）安装限位板前，确保工作锚板内夹片齐全、打紧，且夹片无损伤。

3.5伸长量偏差超出允许范围

产生原因：

（1）计算错误；

（2）偏长：断丝、锚固端锚具安装松弛；

（3）偏短：限位板限位量过大、局部孔道堵塞、孔道定位偏差超过设计允许范围；

（4）理论伸长值计算有误，各相关参数（k、 μ、Ap、Ep）取值时与实际情况有较大偏差。

处理方案：仔细分析，确定伸长量偏差过大的具体原因。若为锚固装置安装松弛，则以油泵油表读数为准控制张拉力，若为断丝则按照断丝处理方法进行。其它原因需更换钢绞线重新张拉。

预防措施：

（1）数据处理时仔细；

（2）严格控制钢绞线进场质量；

（3）安装锚固装置时，确保装置配套、衔接严密；

（4）施工中控制管道制作质量；

（5）钢绞线应按要求进行进场检验，若各项性能参数有较大变化时，需重新计算理论伸长值。

3.6预应力管道堵塞，无法进行张拉

产生原因：

（1）波纹管质量不合格，受压时产生变形；

（2）波纹管破损后未采取补救措施，管道内进入混凝土或其它杂物；

（3）其它原因导致预应力管道制作安装不合格。

处理方案：发生孔道堵塞时，只能在堵塞部位对梁体混凝土进行开凿，重新形成预应力孔道。

预防措施：

（1）建立检查制度，确保波纹管质量合格；

（2）浇筑混凝土时，在波纹管内穿入足够强度和合适尺寸的内衬管，确保波纹管不会受压变形；

（3）浇筑混凝土前严格检查管道制作、定位质量，混凝土浇筑完毕，及时检查孔道的通畅情况。

4.结语

60m预制箱梁张拉施工，重点在于对张拉力的精确控制。理论伸长值计算也是一个不容忽视的重要环节。此外，对于各种影响箱梁预应力形成的因素，需详加考虑。精心施工、靠前思考、过程控制是箱梁预应力建立成功的基础和保证。

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参考文献：

[1]王斌.路桥工程施工手册[K].北京：中国交通出版社，2004.

[2]秦顺全.大跨度桥梁设计与施工技术.北京：人民交通出版社2002.

[3]JTJ071-2000，公路桥涵施工技术规范[S].