关于大跨径桥梁中竖向预应力筋的几个问题的探

　　摘要：本文探讨了预应力混凝土变截面连续箱梁桥中的竖向预应力筋设计、施工关键技术及质量控制措施等几个问题，对提高桥梁的耐久性具有较强的参考价值。

　　关键词：大跨径桥梁;竖向预应力筋;设计;施工关键技术

　　Abstract: this paper discusses the prestressed concrete continuous box girder bridge variable cross-section of the vertical prestressed construction design, key technology and quality control measures several problems, to improve the durability of the bridge with strong reference value.

　　Keywords: long-span bridge; Vertical prestressed; Design; Construction key technology

　　中图分类号:[TU997] 文献标识码：A 文章编号：

　　1概述

　　随着路网的不断完善，越来越多的预应力混凝土变截面连续箱梁出现跨中下挠、腹板裂缝等病害，相关研究表明，有些原因是由于竖向预应力筋的设计不合理和施工质量控制不到位造成的。因此，在大跨径桥梁建设中，应高度重视竖向预应力筋设计的完善与施工质量的有效控制，进一步完善竖向预应力筋的设计与施工，对于预防箱梁腹板开裂，延长桥梁寿命，具有十分重要的意义和工程运用价值。

　　2引起竖向预应力损失的原因分析

　　作为预应力混凝土变截面箱梁中的竖向预应力筋，其主要作用是和纵向预应力筋共同控制腹板的主拉应力，从而达到控制箱梁腹板的斜向裂缝，但在实际工程中，箱梁腹板在施加竖向预应力筋后，在施工及其运营过程中，其斜向裂缝仍然不同程度地普遍出现。研究表明：竖向预应力损失是由孔道摩擦、锚具变形、锚垫板回缩、混凝土的弹性压缩、温度变形、收缩徐变引起等引起的损失，但上述因素引起的竖向预应力损失所占的比例相差较大。因此，对于造成预应力损失的环节，应高度重视这方面的设计完善和施工质量的有效控制。

　　2.1孔道摩擦引起的竖向预应力损失

　　预应力混凝土变截面连续箱梁中的竖向预应力筋与纵向预应力筋是有所区别的，竖向预应力筋长度较短，且为直线布置。因此，它与管道壁之间的摩擦引起的损失较小，以某桥为例，摩擦引起的损失为：

　　如果孔道没有砂浆堵塞，该损失值较小，仅占设计张拉值的1%左右，这说明在竖向预应力筋孔道没有被砂浆堵塞情况下，摩擦引起的损失非常小，但如果孔道被堵塞，情况就不一样了，预应力损失大小视孔道堵塞情况不同而不同。

　　2.2锚固时回缩变形引起的竖向预应力损失

　　竖向预应力筋的拉力通过锚具传递到混凝土上，在传力过程中，将引起其回缩变形，以某桥为例，其竖向预应力筋长度在3.61m～9.66m之间变化现场对3.75m长的竖向预应力筋的预应力损失进行实测，损失为155.4MPa，如果回缩变形值按3mm考虑，其预应力损失为：

　　这说明理论计算值与实测值比较吻合，预应力损失占设计张拉值约为27.0%，这说明这种回缩变形引起的预应力损失很严重。造成竖向预应力筋回缩变形主要原因为锚固前螺母没有拧紧、锚垫板下的混凝土不是很密实造成被压碎回缩、锚底板与竖向预应力筋不垂直、端部多余预应力钢筋采用氧气焊切割、温度变化等现象，从上述分析看，这部分预应力损失非常大。

　　2.3混凝土弹性压缩引起的竖向预应力损失

　　箱梁腹板上的竖向预应力筋较多，一般均采用分批张拉，将造成预应力筋产生弹性压缩。文献[3]研究表明：能够引起混凝土弹性压缩损失的预应力筋，其范围仅限于相邻1排、前后共1.4m以内的预应力筋张拉，该损失很小，仅占设计张拉应力的1%左右。如果采用ANSYS建立模型进行分析，其计算过于复杂，为简化计算，给出了弹性压缩损失简化计算公式：，这说明竖向预应力筋因混凝土弹性压缩引起的损失很小。

　　2.4应力松弛引起的竖向预应力损失

　　按照文献[1]中的相关规定：对预应力钢筋，仅在传力锚固时钢筋应力σp≥0.5fpk的情况下，才考虑由于钢施松弛而引起的应力损失。以某桥为例，按照文献[1]的要求考虑由钢筋松弛引起的预应力损失为，这说明竖向预应力松弛引起的损失虽然不大，但不容忽视。

　　根据上述分析，竖向预应力损失主要是由锚固时回缩变形、孔道堵塞、应力松弛、采用氧气高温切割引起变形等因素产生，因此，在工程实践中，要高度重视张拉锚固时应将螺母拧紧，锚垫板预埋位置应准确，不得倾斜，锚垫板下的混凝土一定要密实。而对竖向预应力筋进行二次张拉即在预应力筋灌浆前进行补偿张拉是减小这一损失的最有效措施之一，同时应及时进行孔道压浆。

　　3竖向预应力筋设计关键技术

　　3.1目前箱梁竖向预应力筋的设计

　　目前绝大部分预应力筋设计是在墩顶附近的箱梁腹板布置双排，远离此区域布置成单排，间距一般为50cm～100cm，采用金属波纹管成孔。如图1所示。

　　图1竖向预应力筋常规设计图

　　这种设计明显存在缺陷，例如：竖向预应力筋间距偏大、金属波纹管与锚垫板之间必然存在漏浆等，同时对竖向预应力筋复拉要求、端部多余钢筋割除的要求也不明确。因此，按照这样的设计进行施工，必然造成竖向预应力损失过大的现象发生。

　　3.2竖向预应力筋设计的关键环节

　　根据大量的工程设计与实践，目前竖向预应力筋设计主要存在以下不足之处。

　　3.2.1箱梁竖向预应力筋间距过大，致使竖向预应力筋之间存在间隔性的应力“空白区”竖向预应力是通过锚垫板把应力传给混凝土，其有效作用范围是有限的，也就说每根竖向预应力筋的应力不可能传递到无限远处的混凝土上，研究表明：竖向预应力筋间距不宜超过50cm，否则，将出现竖向预应力筋之间存在应力“空白区”，规范规定竖向预应力筋间距为50cm～100cm，间距偏大，

　　在设计时建议采用规范规定的低限值。

　　3.2.2竖向预应力筋张拉顺序没有明确规定，致使腹板压应力分布可能出现不均匀现象

　　规范[2]对于竖向预应力筋的张拉顺序没有明确的规定，大部分箱梁设计文件也没有涉及到竖向预应力筋的张拉顺序，造成施工单位对竖向预应力张拉带有明显的随意性。但文献[3]以太原至澳门高速公路顺德—中山段的某特大桥为例进行研究，研究表明：竖向预应力筋滞后张拉能较好地克服分段张拉造成腹板竖向压应力分布不均的缺点。因此，图纸中应明确竖向预应力筋滞后张拉的合理时间，对指导竖向预应力施工，减少箱梁腹板开裂具有十分重要的工程实用价值。

　　3.2.3竖向预应力筋孔道采用金属波纹管，孔道漏浆在所难免

　　由于竖向预应力筋成孔是采用金属波纹管，其两端与锚垫板直接接触，两者之间也不可能焊接，因此，在混凝土下料与振捣过程中，混凝土中的浆体将从金属波纹管两端漏入孔道中。完善图纸设计的措施是在锚垫板上焊接5cm～10cm长的钢管，波纹管套在焊接的钢管上，再用胶带纸进行密封，这样可从根本上解决孔道漏浆问题。

　　3.2.4竖向预应力筋孔道压浆管或出浆管设计不合理

　　部分设计单位对竖向预应力筋孔道压浆管或出浆管认识不到位，有的认为不需要预留出浆管，仅靠张拉端的螺母与竖向预应力筋之间空隙作为出浆孔或排气孔，这种设计不可能保证压浆的压力，致使孔道压浆不密实;竖向预应力筋孔道压浆管采用普通塑料管常常因堵塞而影响压浆，甚至不压浆，这必然影响竖向预应力筋发挥其有效作用，以至于严重影响桥梁寿命。因此，竖向预应力筋上端应设置出浆管、下端应设置防止被堵塞的压浆管，并保证压浆质量。

　　3.2.5竖向预应力筋孔缺少复拉及两次张拉的时间间隔要求

　　要确定竖向预应力筋第一次与第二次复拉之间的时间间隔，就必须研究的竖向预应力随时间的变化规律，以主跨165m某桥为例，其研究成果表明：预应力损失随时间总的变化趋势是前期预应力损失较多，两周后曲线趋于平缓，后期的预应力损失较小，曲线更加平缓，同时研究成果还表明：竖向预应力筋第一次张拉后，应力损失非常大。因此，设计图纸应要求竖向预应力筋必须复拉，并明确两次张拉的时间间隔。

　　4竖向预应力筋在施工中的关键技术

　　4.1竖向预应力筋位置应准确且与锚垫板垂直当锚垫板不平整时，竖向预应力筋上端的螺帽无法紧固到位，锚固后将会产生较大的预应力损失，如果锚垫板在平面上预埋位置不准确还将可能增加孔道摩擦损失，因此，在工程实施时必须采取有效措施使锚垫板预埋位置准确。

　　4.2应采取措施将竖向预应力筋上端的螺帽拧紧锚固到位

　　由于竖向预应力筋的长度一般较短，张拉时的伸长量也很小，因此，如果竖向预应力筋上端的螺帽拧紧锚固不到位，锚固每回缩1mm，预应力损失约5%，因此，应采用专用扳手将其上端的螺帽拧紧锚固到位。

　　4.3应避免竖向预应力筋孔道被堵塞或积水

　　竖向预应力筋孔道在施工中极容易被砂浆堵塞，一方面是由于其金属波纹管与锚垫板之间不密封而致使砂浆进入孔道，另一方面在施工过程中，其上部张拉端没有采取封堵措施而致使砂浆从上部进入孔道。在墩顶附近，由于箱梁高度较大，腹板较厚等原因，使得混凝土在施工过程中水化热较大，致使竖向预应力筋孔道下端的压浆管因水化热温度较高，使压浆管软化，导致压浆管被堵塞。

　　竖向预应力筋孔道的压浆管如果被堵塞后，雨水以及混凝土养生洒的水将通过孔道上端凹槽渗入孔道，造成孔道内基本上是长期积水，这种情况一方面影响压浆，另一方面还可能造成孔道波纹管及竖向预应力筋的锈蚀，对保证竖向预应力筋施工质量极为不利，针对这种情况，应采用材质较好的压浆管，必要时采用金属材质压浆管，且在压浆前确保孔道内不积水。

　　4.4竖向预应力筋应进行复拉并及时压浆

　　个别施工单位由于对竖向预应力筋的作用认识不到位，对复拉工作极不重视，或少拉或不拉，致使竖向预应力筋没有按照设计图纸要求进行复拉，这是造成竖向预应力损失的重要原因，因此，一定要按照图纸要求进行复拉，两次张拉的时间间隔一般15d左右。

　　5结语

　　为尽可能避免预应力混凝土变截面连续箱梁在施工及运营期间因为竖向预应力损失过大而造成腹板出现斜裂缝，应不断完善竖向预应力筋设计，并加强其施工质量控制：

　　a)竖向预应力筋设置间距不宜过大，应避免出现应力“空白区”;

　　b)应处理好竖向预应力筋孔道波纹管与两端锚垫板密封的细节设计，避免孔道漏浆;

　　c)应要求竖向预应力筋必须进行复拉，明确复拉时间间隔，并及时压浆;

　　d)竖向预应力筋孔道必须设置有效的压浆管和出浆管;

　　e)高度重视锚垫板预埋的位置准确性，应与竖向预应力筋垂直，并保证锚垫板下的混凝土密实;

　　f)竖向预应力筋上端多余长度必须采用砂轮切割，避免由于温度造成预应力损失过大。

　　通过以上措施的落实，将有效地发挥竖向预应力筋的作用，提高大跨径桥梁设计及施工质量和耐久性，为今后同类型桥梁建设提供宝贵经验。

　　参考文献

　　[1]TB 1002.3-99，铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范[S].

　　[2]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及顶应力混凝土桥涵设计规范[S].

　　[3]沈明燕，等.混凝土箱梁悬臂施工竖向预应力筋滞后张拉的研究[J].公路，2007，(1)：68-71.

　　[4]汪剑，等.第17届全国桥梁学术会议论文集[C].北京：人民交通出版社，2006.

　　[5]JTG/T F50-2011，公路桥涵施工技术规范[S].

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