路桥施工中应用预应力混凝土的路径探究
时间：2023-02-23 16:15:07 来源：千叶帆 本文已影响人
蒋 勇
（重庆交通大学工程设计研究院有限公司，重庆 400074）
我国拥有庞大的交通网络，其中，公路总长度超过500万公里，各类现代桥梁总数量超过100万座，公路和桥梁贯穿了国家的东、西，连接了大江南北，是人们出行和社会经济发展的重要纽带。预应力混凝土作为一种新技术，具有结构强、成本低、耐用性高的特点，能有效改善传统路桥工程中的裂缝问题，保障路桥工程的质量。对预应力混凝土技术进行研究，总结预应力混凝土的质量控制策略，对于提升路桥工程质量、降低施工成本具有重要意义。
预应力混凝土技术的主要原理如下：施工单位在使用混凝土构件前，对混凝土构件中的钢筋结构进行承受能力范围的张拉，钢筋在张拉之后会有回缩，回缩的力量会使混凝土结构受到压力，而混凝土的钢筋结构会将这一部分压力存储起来，待施工后期和应用之后，混凝土结构所受到的压力会与钢筋结构中存储的压力相互抵消。采用预应力混凝土技术的混凝土构件具有较高的强度和抗裂性，能够提高工程整体质量，在施工中预应力混凝土技术还能节省钢筋和混凝土材料，减少施工成本。预应力混凝土主要分为三类：一是全预应力混凝土，这种混凝土构件不允许截面上出现拉应力构件，而且其预应力构件的截面尺寸和预应力梁的挠度控制也极为严格，且不允许混凝土构件上出现裂缝。二是部分预应力混凝土，这种混凝土构件允许有细小裂缝，但裂缝的宽度不能高于允许值。三是无粘结预应力钢筋，这类钢筋结构会在钢筋外层涂上沥青、防锈漆等隔离物质，涂抹该物质主要是为了增加钢筋的摩擦力，保证钢筋在张拉时能沿着纵向滑移，并且还能增强钢筋的抗腐蚀能力。
预应力混凝土张拉钢筋结构主要应用两种方法：一是先张法。该方法的特点是先张拉钢筋，后进行混凝土浇筑构件，这要求施工人员在台座上先按照规定标准将钢筋进行张拉，然后用锚件将钢筋暂时固定，上述工作完成后，开始混凝土浇筑工作，待混凝土构件的强度达到规定强度时，解除对于钢筋的固定，这时候钢筋会带动混凝土构件回缩，从而存储到一部分预压应力。该方法在施工中应用较为广泛，效果较好，但在施工前需要经过测试来确定张拉的标准强度，工程中混凝土构件的张拉强度应保持一致。二是后张法，即先浇筑混凝土构件，后插入钢筋进行拉伸。要求混凝土构件建筑中预留钢筋孔道，浇筑完成后将钢筋插入孔道内，并进行张拉，张拉完成后，使用专用的锚具将钢筋进行固定，然后在孔道缝隙内灌注水泥浆，让钢筋与混凝土构件凝为一体，最后再浇筑混凝土构件的端面，这样能有效防止锚具锈蚀。该方法需要应用直线或曲线预应力钢筋，施工复杂且成本高，通常用于现场制作的大型构件。
在路桥工程施工中广泛应用了预应力混凝土技术，如路面、桥面结构、箱梁、盖梁等。预应力混凝土的技术优势：应用预应力混凝土技术能够有效减轻路桥工程的结构自重，减少钢筋的应力循环幅值，从而提高抗疲劳性，能够有效推迟裂纹产生的时间，增加整体寿命，增强剪切能力，并能有效加强卸荷后的恢复能力。预应力混凝土技术的缺陷：预应力混凝土的施工较为复杂，施工流程和环节较多，尤其是后张法，施工时更加复杂，预应力混凝土技术对施工人员的施工技术有较高要求，钢筋拉伸程度、锚具的固定、混凝土的浇筑，各个环节都需要技术人员和施工人员一起完成，由技术人员进行指导，以确保施工质量。预应力混凝土施工中需要应用较多的机械设备，如钢筋张拉机和灌浆设备，这些设备都需要施工单位正确操作和维护。
路桥工程施工中，预应力混凝土技术在以下两方面经常出现问题：一是钢筋结构张拉中的问题。许多施工单位在钢筋的张拉环节中没有匀速完成张拉，尤其是在大量钢筋批量张拉时，在操作上不够严谨，导致钢筋张拉不均匀；
部分路桥工程施工中没有明确横向钢筋的分布情况，没有按照顺序进行张拉作业，导致侧向扭曲的问题。二是孔道堵塞问题。在后张法的施工中，需要先完成混凝土构件，后在预留的孔道内插入钢筋并进行张拉，但许多工程中由于施工不严谨，导致孔道堵塞，其中波纹管的使用不当是造成该问题的主要原因，还有施工人员在堵塞后使用冲击钻进行打孔作业，造成混凝土结构出现裂缝，这些问题都亟须解决。
3.1 预应力混凝土质量控制策略
（1）钢材的选择。作为预应力混凝土构件的主要载体，钢材的质量起着至关重要的作用，预应力混凝土有专用的钢筋、钢丝和钢绞线，其中钢绞线由六根钢丝和一根钢芯沿着同一方向扭结而成，具有质地柔软、加工方便的特点，是先张法和后张法中常用的材料，高强度钢丝也拥有良好的应力性。钢材在使用前还需要进行一定的处理，如刷涂防腐材料、用塑料膜包裹等。在选择钢材时，应从成本、工程需求等角度出发，综合考量。
（2）锚具的使用。在预应力混凝土施工中需要应用到大量的锚具来固定钢筋，因此，锚具的选择尤为重要。先张法施工流程中需要先拉伸钢筋，钢筋拉伸后用锚具临时固定，再进行混凝土浇筑工作，待混凝土构件的强度达到设计标准的75%左右，即可取下锚具让钢筋回弹。后张法需要先浇筑混凝土并留孔，锚具主要是将后插入孔中并拉伸好的钢筋固定在混凝土构件的端面上，这里的锚具是永久性的，为防止锚固生锈、松动，还需浇筑混凝土固定。
（3）混凝土的配置与浇筑。张拉钢筋结构只能增加混凝土结构强度的上限，混凝土配置与浇筑工作决定着强度的下限。混凝土要选用硅酸盐水泥，骨料应选择直径在5～25mm的碎石，水泥的总占比不要超过550kg/m3，添加的外掺剂中不能含有氯化物，否则会影响混凝土结构质量。浇筑环节需要对锚固位置和钢筋位置进行细致的振捣作业，振捣中尽量不要发生碰撞，长距离泵送混凝土容易造成混凝土强度下降，因此，需要大功率的输送泵。
（4）预应力筋的张拉。施工时需要注意预应力筋伸长值、初应力和内缩量。预应力筋的伸长值是指张拉之后筋增加的长度，实际伸长值与设计标准之间的误差应在6%以内，在张拉作业中需要调整初应力，初应力应在张拉应力的12%左右，并使用预应力筋张拉记录表记录作业情况（见表1）。在张拉作业预应力筋的应力稳定后，需要对预应力筋进行锚固，锚固时，需要将预应力筋的内缩量控制在标准内。
表1 预应力筋张拉记录表
（5）预应力孔道布置。该作业主要存在于后张法中，施工技术人员需要根据需求规划好合适的预应力筋和孔道的直径，并在振捣作业中谨慎操作，避免破坏预应力管道和混凝土结构。后张法需要先浇筑混凝土，再将混凝土运输至施工地，因此，要注意运输中混凝土的防护工作，避免损伤混凝土构件。
3.2 路桥工程中加固施工与受弯构件施工策略
路桥工程中的加固施工和受弯构件都需要应用到预应力混凝土技术。首先，加固施工。加固施工主要目的是避免混凝土结构裂缝延伸。混凝土构件的加固可以使用黏贴钢板，这种方式不需要改变桥梁结构，施工较为简单，该方法一般应用在桥梁结构拉伸零件和薄弱区，用粘合剂或相关设备进行固定，能增加加固区域的抗弯性和抗剪性。其次，受弯构件施工。桥梁工程中受弯构件一般是梁，为了增强受弯构件的性能，我国一般使用变截面的连续预应力混凝土箱梁，应用碳纤维加固受弯部分的构件，增加受弯构件的承载力。
3.3 预制小箱梁施工策略
路桥工程需要应用大量的小箱梁（见图2）。为节省施工成本，这些小箱梁通常都在施工现场进行预制，在箱梁制作过程中会充分应用预应力混凝土技术，该技术能够增强箱梁构件的载荷能力。小箱梁制作要点如下：
图2 小箱梁
（1）模板的制作。模板决定着小箱梁的外观和质量，许多工程中需要制作新的模板，模板应平整光洁，具要有一定的刚度和稳定性，保证在安装和施工中不变形，模板长和高的误差应小于1mm，使用前需要涂刷漆料，方便脱模，完成拼装时需要进行检测，防止发生变形、位移和漏浆事故。
（2）钢筋绑扎作业。在绑扎前要确定钢筋骨架的稳定性，然后绑扎底板和腹板的钢筋，并安装预应力管道，在绑扎作业时要注意控制钢筋保护层的厚度，技术人员要对绑扎作业进行验收，再开始下一步作业。
（3）波纹管道的安装。波纹管道安装时要注意对管道的检查，包括内部有无杂物、是否破裂等。波纹管道安装时，管道接头应处理平整，防止出现孔道堵塞问题，接缝处要做好密封处理，防止水泥渗入，安装完毕后需要由技术人员进行验收。
（4）浇筑与养护环节。箱梁的建筑往往采用斜层法，该方法浇筑时需要具有连续性，否则会影响箱梁质量，混凝土振捣作业应采用插入式振捣器和附着式振捣器协同作业，振捣作业不能触碰波纹管道和钢筋结构，并且需要进行喷淋养护，保持湿度。
（5）预应力张拉作业。该部分需要注意混凝土构件的强度和弹性达标，作业流程为穿束、张拉、封锚、切割、孔道压浆。穿束前应保持孔道畅通，张拉作业要对伸长值和张拉应力进行控制，灌浆前要用快凝水泥或石膏对锚具进行封锚，灌浆作业应注意压力的控制，最好以0.7MPa进行恒压作业。
3.4 混凝土盖梁跨路道路中的应用策略
对于路面较宽的桥梁来说，采用后张法制作预应力混凝土盖梁能有效节省施工成本，这部分桥梁的跨径往往在16m以上，最长可达45m。这种路桥工程的施工需要注意以下两点：一是钢绞线的制备（见图3）。钢绞线在加工前需要逐根进行检查，确保质量合格，同时，应捆扎好切口，端头用黑胶布包扎，然后根据施工标准进行穿束、张拉作业，张拉作业中要调整好工作锚与工具锚的孔位排列，防止各束钢绞线在千斤顶穿心孔中不平行。二是做好施工规划与质量监督工作，提高施工效率。作业中运用的设备、人力较多，良好的施工规划能有效提高人员与设备的利用率，缩减施工时间和成本。工程中应成立质量监督小组，对预应力混凝土盖梁施工进行监督，对成品进行检验与验收，有效提高工程的整体质量。
图3 钢绞线张拉作业
3.5 路、桥面结构中的应用策略
桥面和路面需要直接承受来自各方面的荷载力，桥面和路面的质量直接决定着路桥工程的寿命和行车的舒适性，因此，应注意以下几点：一是要根据桥梁的实际情况确定路、桥面板的参数和所施加的预应力参数。这些参数都能从路、桥面的设计参数、行车荷载、预计车流量、气候条件等数据中综合得出，根据这些计算得出预应力路面板的长度在0.9～2.1m之间，预应力路面的厚度是普通混凝土路面的0.65倍，但我国的交通道路超载问题严重，实际应用中路面板的厚度应增加至0.7倍左右。二是路面板的混凝土浇筑作业。作业前需要先确定标高，浇筑需要一步步完成，底层浇筑混凝土初凝前不能中断作业，每次浇筑厚度在30cm左右，避免分层，混凝土振捣间距要保持在30cm左右，插入式振捣设备深度在8～10cm，避免触碰到预埋件和钢筋。
综上所述，预应力混凝土技术在路桥施工中应用非常广泛，能够有效提升路桥工程的质量，延长其使用寿命，并能有效降低事故风险。应深入研究该技术在路桥施工中存在的问题，不断优化施工技术，规范施工流程，提高施工设备的使用率，全面提高施工质量与效率。
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