预应力施工质量控制

济南市纬六路道桥工程预应力施工质量控制熊南京中铁大桥局三处摘要：本文以济南市纬六路道桥工程为例探讨了预应力施工在管道定位、穿钢绞线、伸长量计算、张拉及压浆等方面的施工要点及应注意的问题。关键词：预应力、管道定位、伸长量、张拉、压浆1、工程概况济南市纬六路道桥工程，南起经七路，北至无影山中路，全长3322米。其中经七路至经一路长1228米；宝华街至无影山中路长1390米。纬六路跨铁路大桥南引桥桥面宽30米，长260米；北引桥桥面宽18.5米，长993米，跨越堤口路后在无影山路落地；堤口路以南设上、下匝道各一条，匝道宽12米。该工程按都市主干道原则设计，设计行车速度60千米/小时；设计荷载：汽车-20，验算荷载：挂车-100，人群荷载：3.5KN/m2。2、预应力设计与施工预应力技术的采用能使桥梁构造有效地运用现代高强度材料，减小构件截面，使构造轻型化，增大跨越能力,并且能有效地防止混凝土开裂，故预应力技术在现代化桥梁设计中被广泛采用；则在施工中预应力的质量控制就显得尤为重要。纬六路道桥工程预应力(PC)体系采用符合ASTMA416—87a（270级）原则的高强度低松弛钢绞线，公称直径15.24mm，原则强度Rｙｂ=1860Mpa，弹性模量Ey=1.9×105Mpa，设计控制应力σk=0.72Rｙｂ。2.1PC持续箱梁的设计与施工纬六路道桥引桥及匝道主梁采用大悬臂PC持续箱梁,悬臂长222厘米，梁高130厘米，截面形式为单箱多室箱型截面，顶板厚22厘米，底板20厘米，腹板宽56厘米；跨堤口路、经一路采用变截面箱形梁，梁高从130厘米按二次抛物线渐变至200(250)厘米；除跨越交叉口部分跨径有特殊规定外，桥跨径均为25米。主梁混凝土强度等级为C50，砼方量约15505m3，预应力钢筋约410吨。在箱室腹板内布置两排共6束φj15-7纵向预应力束（跨堤口路、经一路力束采用三排共9束φj15-9），桥墩处横梁布置一排共4束φj15-9或8束φj15-7横向预应力束，锚具采用HVM群锚体系。预应力施加措施采用后张法，主梁采用满堂支架现浇施工，施工用模板为优质竹胶板，其施工工艺流程是：搭设支架→支架预压→铺设底模→绑扎钢筋→安装定位波纹管→穿钢绞线→安装侧模→安装内模→绑扎顶板钢筋→浇注混凝土→预应力筋张拉→孔道灌浆→梁端封堵→支架拆除。2.2PC简支预制梁的设计与施工纬六路道桥桩号2+007.71～2+257.71主梁共十跨（跨径25米）采用PC简支预制梁，其截面形式为单箱单室箱形截面，梁高1.2m，宽0.99m，共166片，混凝土强度等级为C50，每片梁平均14.1m3砼、预应力钢筋700kg；预应力钢筋布置形式为：底板两束φj15-4，两侧腹板各两束φj15-4，锚具采用YMB扁锚体系。预制梁在混凝土台座上施工，施工用模板为定型钢板，其施工工艺流程与持续梁大体相似：绑扎钢筋→安装定位波纹管→安装锚具→穿钢绞线→安装侧模→浇注底板混凝土→安装箱室内模→绑扎顶板钢筋→浇注腹板及顶板混凝土→预应力筋张拉→孔道灌浆→梁端封堵→拆模。3、预应力施工各环节质量控制本工程预应力钢筋用量大、布置较为复杂，施工较困难，施工技术和质量控制规定高，因此，必须规定施工人员对预应力施工的全过程纯熟掌握，包括管道定位、穿钢绞线、张拉及压浆等各方面的施工技术要点及应注意的问题，并且制定控制点，便于技术人员及监理工程师检查。详细施工要点分述如下：3.1管道定位管道位置是图纸预应力束在构造中的真实反应，因此，管道位置的对的与否直接关系到构造内力。因此，管道定位作为预应力施工的第一种环节同步也是最重要的环节，应引起施工人员的重视。3.1.1波纹管安装前管道定位要精确，在铺设底模后，应在底模上将箱室轮廓线(腹板、横梁)完整标示出来，这不仅有助于绑扎一般钢筋，也为管道定位提供了量尺基准。本工程PC持续箱梁预应力配筋大多为曲线，但设计图中预应力束只有竖曲线转点坐标及特性点断面图，这不能满足施工规定。因此，对于曲线配筋的预应力束必须此外画图，并按水平距离每米标示出竖向高度（以底模为基准），有平曲线的应标示出至轮廓线的水平距离；同步应标示出曲线转点坐标或特性点坐标。3.1.2波纹管安装定位一般钢筋绑扎完后，即可穿波纹管。本工程波纹管采用金属螺旋管道，由专门的机器制造，为以便施工、减少管道接头，25米如下的波纹管整根制造，较长的可按每20或25米一节制造；穿波纹管时应注意其大体位置，以便定位时减少波纹管与一般钢筋的冲突。波纹管穿完后按所画图纸坐标并结合设计图按每米一道安顿定位钢筋（定位前应认真检查一般钢筋保护层并注意定位钢筋处一般钢筋要牢固），并保证曲线转点或特性点处要有定位钢筋，使其牢固地位于设计位置。定位完后应观测管道整体线型，保证曲线持续圆顺无死弯，然后安装锚垫板、螺旋筋及钢筋网片，锚垫板、螺旋筋应垂直于孔道中心线。对于管道定位，由于管道直径毕竟不小于钢绞线直径，并考虑到预应力施加后钢绞线位置，笔者认为：对于曲线管道应按远离曲线圆心的误差定位，这样愈加真实的反应了预应力束的设计位置，请读者批评指正。3.2穿钢绞线钢绞线使用前应按规范规定抽样检查作试验，合格后方可用于本工程。3.2.1钢绞线下料钢绞线的下料长度应通过计算确定，计算时应考虑构造的孔道长度、锚夹具（含工具锚）厚度、连接器长度、千斤顶长度、镦头预留量和外露长度等原因。钢绞线的切取，应采用切断机或砂轮锯，不得采用电弧切割或氧气割。3.2.2穿束为防止钢绞线在管道内扭结在一起，钢绞线要进行编号成束，再每束整体穿，较长的力束分批穿过后再按编号梳理或在管道中间预留接头作为穿束时的接力点。穿束前钢绞线前端应用封箱纸或塑料套筒包裹好以免穿束时划破波纹管。钢绞线应防止锈蚀无泥土等杂物，并且应防止被电焊所伤。钢绞线穿完后应检查波纹管有无被划破，有孔洞的地方用封箱纸封好；浇筑混凝土时防止振捣棒直接接触波纹管以免振破管道，混凝土初凝前可向管道内通风或通水，不通的管道应来回抽动钢绞线，保证管道贯穿。3.3预应力筋张拉现代预应力工程的预应力控制愈加严格，规定采用“双控”即应力控制与伸长量控制，故预应力的施加也是至关重要的环节。本工程预应力施加措施采用后张法超张拉工艺施工，按如下设计规定程序进行张拉：0→0.1σcon→0.2σcon→0.75σcon→1.03σcon(荷载持续2分钟)锚固。3.3.1准备工作3.3.1.1试验准备工作①锚具、夹片试验，按规范规定对每批进场的锚具、夹片抽样进行外观检查和硬度试验，到达设计规范规定方可使用。②张拉机具（张拉油泵及千斤顶）、精密油压表性能标定校验，得出千斤顶张拉力与油压表读数的关系曲线，再计算出各阶段控制应力下张拉力所对应的油表读数。使用过程中规定千斤顶与油压表对应配套，牢记不可混用。当千斤顶使用超过6个月或200次或在使用过程中出现不正常现象或检修后来应重新校验。③构造混凝土强度试验。设计规定砼强度到达设计强度的90%以上方可进行张拉。试验用试块必须在现场与构造同条件养护。3.3.1.2理论伸长量计算由于规定采用“双控”法张拉，因此还须计算出预应力筋的理论伸长量，作为实际伸长量的比较基准，同步也是质量控制的根据。预应力筋伸长量△L（mm）参照文献[1]可按式（3.3-1）计算：△L=PpL/(AE)（3.3-1）式中：Pp—预应力筋的平均拉力（N），直线筋取张拉端的拉力，曲线筋拉力计算按式（3.3-2）；L—预应力筋长度（mm）；A—预应力筋的截面面积（mm2）；E—预应力筋的弹性模量（N/mm2）。Pp=P(1-e-(kx+μθ))/(kx+μθ)（3.3-2）式（3.3-2）系参照文献[1]所得，式中参数是如下含义：Pp—预应力筋的平均拉力（N）；P—预应力筋张拉端的拉力（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）μ—预应力筋与孔道壁的摩擦系数（见文献[1]）；k—孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数（见文献[1]）。对于预应力筋理论伸长量的计算及文献[1]中预应力筋平均拉力的计算措施，笔者有如下几点心得和意见，请读者批评指正：①预应力筋长度L应计张拉工作长度（工作夹片至工具夹片的力筋长度），则张拉端的拉力P应为超张拉力；②一端张拉预应力筋的预应力筋长度L应扣除固定端预应力筋的锚固长度；③对称布置、两端张拉的预应力筋可计算二分之一；④曲线力筋文献[1]提议分段计算，计算出每段的伸长量△L，再求和Σ△L得出总伸长量；则式（3.3-2）可按如下式（3.3-3）表达更为明朗：Ppn=Pn(1-e-(KXn+μθn))/(KXn+μθn)（3.3-3）式中：Ppn—该段预应力筋的平均拉力（N）；Pn—该段预应力筋始端拉力(N)，即前一段力筋末端力：Pn-1e-(KXn-1+μθn-1)；n—分段数1，2，3……，P1即为张拉端拉力，P0、X0、θ0取0；Xn—该段预应力筋的孔道长度（m）；xn-1—前一段预应力筋的孔道长度（m）；θn—该段预应力筋曲线孔道部分切线的夹角（rad）；θn-1—前一段预应力筋曲线孔道部分切线的夹角（rad）；μ—预应力筋与孔道壁的摩擦系数（见文献[1]，本工程取0.25）；k—孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数（见文献[1]，本工程取0.0015）；⑤曲线力筋一般按竖曲线要素分段，若某段有平曲线可将其平曲线角度与竖曲线角度叠加；⑥两端张拉、非对称布置的曲线力筋，从两端向中间计算，中间点可取管道长度的中点。⑦由于式（3.3-2）是根据高等数学积分推导而得，故笔者认为式中X理解为水平距离（竖向配筋即为竖向距离）愈加确切。3.3.2预应力筋张拉各项试验合格、理论伸长量得出并报监理工程师同意后即可张拉预应力筋。张拉现场应具有预应力施工知识和对的操作的施工人员，具有保证操作人员和设备安全的必要防止措施；工作锚、夹片安装对的，千斤顶及其配套的工具锚、夹片、限位圈等安装对的，保证千斤顶垂直于锚垫板。两端张拉的力筋要注意同步同级张拉。张拉时除油表读数规定精确外，还应从如下两方面加以控制：3.3.2.1张拉次序预应力筋的张拉次序关系构造内力及构造线型，故应严格按设计规定的次序进行张拉。（一）对于本工程PC持续箱梁预应力张拉按如下次序进行：①先横向后纵向；②同一截面，先中间再两边、先下后上，并且截面两边要对称张拉；③同向束先长后短,但一端为连接器的先张拉。（二）对于本工程PC简支预制梁，由于简支箱梁构造轻巧，预应力筋采用6束4孔YMB扁锚，两端单根对称张拉，力筋的张拉次序更为重要，否则易将预制梁拉扭变形或导致混凝土开裂，故应认真考虑、选择对的的张拉次序，并严格执行。张拉次序按图(一)中编号“1～24”进行：3.3.2.2实际伸长量量测与计算预应力筋张拉时，应先调整到初应力σ0，本工程按招标文献取σ0为张拉控制应力的10%即0.1σcon。钢绞线张拉至0.1σcon时用钢板尺量测千斤顶活塞伸出量λ1及夹片外露量X1，张拉至0.2σcon时用钢板尺量测千斤顶活塞伸出量λ2，张拉至1.03σcon时用钢板尺量测千斤顶活塞伸出量λ3及夹片外露量X2。力筋的实际伸长量除量测的伸长量外，必须加上初应力如下的推算伸长量。预应力筋张拉的实际伸长量△L’（mm），可按式（3.3-4）计算：△L’=△L1’+△L2’-△L3’（3.3-4）式中：△L1’—从初应力0.1σcon至最大张拉应力1.03σcon间的实测伸长量即：λ3-λ1（mm）；△L2’—初应力如下的推算伸长量，可采用相邻级的伸长值即：λ2-λ1（mm）；△L3’—力筋张拉过程中的回缩量，即：X1-X2（mm）。得出实际伸长量△L’后应与理论伸长量△L进行比较，两者误差在6%以内为合格，否则应暂停张拉，从如下几种方面查找原因：钢绞线的弹性模量，千斤顶安装与否到位、与否垂直于锚垫板，夹片安装与否齐全、与否受力，钢绞线有无滑丝、断丝，管道内有无杂物、与否堵管等，查明原因后应采用措施处理予以调整后，再继续张拉。3.4管道压浆预应力筋张拉完后，管道应尽快进行压浆。压浆采用水泥浆，强度不低于40Mpa，水泥为42.5R一般硅酸盐水泥，水灰比0.4，水泥浆中掺入了适量的减水剂与膨胀剂，稠度控制在14s～18s之间。压浆前，应对管道进行清洁处理。可采用清水冲洗管道，冲洗后，应使用无油压缩空气将管道内的积水吹出。压浆时，应从管道最低点的压浆孔压入，由最高点的排气孔排气和泌水。