高速公路桥梁施工中预应力施工技术的应用分析
摘要 随着社会的不断发展和科学技术的进步，我国桥梁施工技术发展到了一个新的高度。当前桥梁工程施工中大力推广应用预应力技术。合理使用预应力施工技术可以提高桥梁的跨越能力，有效节约施工材料，降低施工成本，提高桥梁的承载力、抗震能力和施工质量。文章简要分析了预应力技术在高速公路桥梁施工中的应用，以及实际施工过程中可能出现的问题，提出了施工质量的一些控制措施，为预应力技术在后续桥梁施工中的应用提供参考和建议。
关键词 高速公路;桥梁施工;预应力施工技术;应用
中图分类号 U445.57文献标识码 A文章编号 2096-8949（2022）09-0105-03
引言
我国桥梁发展进入快车道，桥梁建设数量急剧增加，出现了悬索桥、斜拉桥、拱桥等多种结构形式，跨越能力得到了提高。近年来，在我国大力发展和完善交通基础设施的建设浪潮中，预应力施工技术得到大力推广和不断优化。预应力技术应用于公路路基边坡锚固、桥梁工程和临时结构加固，已成为公路建设领域不可或缺的工程技术[1]。预应力技术具有独特的施工优势和科学的结构，可以有效弥补建筑材料的不足，但在具体施工过程中仍存在一些问题。在我国公路桥梁工程数量急剧增加，施工质量和安全要求显著提高的新形势下，要加强预应力施工技术的探索和应用，分析研究预应力施工工艺流程和实际效果，充分发挥其优势，进一步提高桥梁工程的承载力、施工质量和使用寿命。
1 预应力技术
1.1 预应力技术概述
预应力是为了提高结构在使用过程中的性能，施工期间对结构施加的预压力，在使用期间结构由于荷载作用引起的拉应力可由预先施加的压力抵消或者完全消除，使得结构不被破坏。预应力混凝土结构在工程中经常使用。其原理是使用预应力可以减少甚至抵消荷载产生的张力。预应力混凝土结构是充分利用高强钢筋和混凝土的抗压强度，提高混凝土结构的刚度，扩大混凝土结构的应力范围，提高混凝土结构的抗疲劳性能，延缓裂缝的发生，限制裂缝的发展，提高混凝土结构的耐久性。
1.2 预应力技术的特点
在预应力材料弹性限度范围内合理应用预应力，能有效提高构件的抗渗性、抗裂强度和抗疲劳性能，降低结构的主拉应力和竖向剪力，提高结构刚度，从而提高其承載力。同时可以减小截面尺寸，节省施工材料，减轻结构重量，适当增加桥梁的跨度，提高车辆在桥上行走的舒适性。桥梁建设中合理使用预应力技术不仅可以延长桥梁的使用寿命，还能节约桥梁建设成本。预应力技术施工工艺和结构形式简单，设计安全可靠，在桥梁工程设计和施工过程中应充分利用，并不断研究完善。
2 预应力的应用
预应力技术在现有公路桥梁中的应用不限于新结构，还应用于旧结构的加固与维修、模板工程施工、边坡锚固、混凝土路面施工、大型构件吊装、顶推、悬臂施工，移动模架施工等方面[2]。
2.1 加固公路桥梁
公路桥梁加固主要是通过各种现代技术对桥梁结构进行加固和扩建，有效提高公路桥梁的承载力和耐久性，满足日益增长的现代交通和人们安全出行的需求。随着交通建设进程的不断深入，预应力被运用到桥梁加固施工中。对于存在质量缺陷的结构或构件，可采用预应力加固技术进行维修、加固，为施工质量提供可靠保证。预应力加固技术一般用于悬臂梁、连续体系梁和简支梁桥的加固，有助于降低桥体内局部裂缝的概率，减少梁体的挠度，提高桥梁的安全性和稳定性。
在桥梁施工过程中，采用预应力技术加固桥梁的方法很多。常见的有体外预应力筋、增加截面和钢筋。通过对结构的分析，改变梁的受力体系，对应力或集中力较大的地方进行加强，能有效提高梁的整体受力稳定性，增加其使用时长。采用预应力对梁进行加固实际上就是对梁预先施加一个内力作用，用来与施工或使用荷载相互抵消减小，相互平衡。预应力加固方法相当于在原有结构上增加一个中间弹性支撑，在桥梁受到外部荷载之前施加预应力，在加固施工期间降低混凝土的初始应变值，并在构件的受压区和受拉区预先产生拉应力和压应力，从而提高工程的结构标准和基础内容，使初始弯矩作用下的拉伸和压缩应变减小;当构件达到极限受力状态时，钢筋的应变增量和应力增大，最大限度地利用钢材的强度。
2.2 受弯构件施工
混凝土受弯构件的补强加固主要是利用预应力筋向构件或结构传递一个预加力，使构件或结构的整体受力能力增加。其施加应力的目的是改变原有的结构内力，对高应力部位进行外力加持，减少应力集中，进一步提高结构的抗弯承载力。预应力加固法适用于大跨度结构或高应力大型结构，用一般方法无法达到预期效果。采用预应力筋可以提高构件的承载力，改善构件在使用阶段的性能，在不增加构件截面尺寸，也不影响使用空间的情况下减小裂缝宽度（如图1）。
预应力加固过程需要在加固受拉截面外添加并张拉预应力钢筋，将其锚固在梁（板）端部。加固后暴露预应力筋的加固梁，预应力筋仅在锚固点和支撑点与原梁接触。当梁随着外荷载的增加而弯曲时，原梁钢筋也随着曲率的增加而延伸，但预应力钢筋的变形与原梁钢筋不同，它只与支撑点和锚固点处梁的位移有关。预应力筋张拉后，如果在其上浇筑混凝土保护层形成整体梁，预应力筋和原梁将一起变形。当外部作用力增大时，预应力筋和混凝土包裹的原梁钢筋的内力同步增加。当梁损坏时，受拉钢筋可能有两种情况：一种是梁中的预应力筋和受拉钢筋均达到屈服强度，即适筋加固梁;另一种是超筋加固梁。
2.3 多跨连续梁施工
多跨连续梁的承重结构（板、T梁和箱梁）连续跨越多个桥孔，属于超静定结构。它的结构刚度较大，在外力作用下产生的变形较小，由于多跨梁联结在一起，减少了梁端伸缩缝的数量，这样行车更加舒适平稳。与同跨度简支梁相比，具有截面尺寸小、重量轻、节材等优点。从结构层面上，多跨连续梁应用预应力技术主要部位是梁腹板的正弯矩区和顶板的负弯矩区，正弯矩区多位于梁的跨中位置，由于跨中位置弯矩较大，需要利用负弯矩来平衡，故将相邻跨联系起来，在墩顶支座处形成负弯矩区。在多跨连续梁施工中，当抗剪承载力和抗弯承载力不能满足设计要求时，使用预应力技术加固效果显著，保证了桥梁施工的质量和安全。
3 桥梁施工中应用预应力技术存在的问题
3.1 预应力管道问题
预应力管道堵塞在公路桥梁施工中是很常见的现象。预应力管道堵塞使预应力筋无法穿束或导致预应力筋张拉不对称，容易出现张拉过度或张拉力不符合设计要求，影响预应力施加效果，导致预应力理论计算值与实际伸长值之间存在较大误差，进而影响施工进度。
预应力管道堵塞的主要原因是预应力管道的损坏。钢筋焊接、钢绞线穿线和混凝土浇筑过程可能会损坏或影响预应力管道的位置。预应力管道有接头时，应加接头套管。两个相连波纹管的接头应顶紧，接头套管的长度应符合要求，以避免水泥浆进入波纹管。
3.2 张拉控制缺乏有效性
预应力张拉和灌浆主要采用智能张拉和智能循环灌浆系统[3]。施工中只需要人工输入张拉力，张拉系统自动完成整个张拉过程，操作简单。但在张拉前，要对千斤顶和油压表进行校准，建立校准方程，计算各张拉阶段的油压表读数。第一次张拉时，应对张拉设备进行调试，并逐一复核输入数据和计算数据。在实际使用过程中，未按规定要求进行匹配校准，或张拉设备出现问题而未再次校准，张拉力计算或输入错误，钢绞线穿线不当，张拉顺序错误，都会影响张拉力的控制。
3.3 预应力混凝土梁发生损坏的问题
预应力混凝土梁在张拉前表面经常出现裂缝，严重影响梁的质量。梁的表面出现裂缝的具体因素有：在温度变化或混凝土徐变的影响下形成裂缝;过度振捣会导致离析，表面水泥含量高，收缩增加;养护期间的早期拆模或干扰;混凝土早期养护不到位，表面失水过快，造成内外收缩不均，表面混凝土开裂。混凝土浇筑时要加强对混凝土的振捣控制。混凝土浇筑完成后，及时洒水养护，避免阳光暴晒。
在预应力施工过程中，张拉顺序不正确、曲线半径过小或张拉力过大往往会导致梁的横向变形和腹板的横向开裂。预应力现浇箱梁在结构本身重量的作用力下会出现扭矩。对于曲线箱梁桥，在预应力作用下，除了扭矩外，还会产生径向力。这些扭矩和径向力将使曲线梁桥产生明显的横向效应，并产生腹板横向开裂的病害，为更好地承受预应力钢束沿梁底曲线布置产生的径向力，底板箍筋的间距和直径必须合理设置，使箍筋产生的拉应力平衡大部分径向压应力;同时，还需增加短钩钢筋，以提高箱梁底板上下钢筋的强度，起到防崩的作用。
3.4 预应力筋滑丝与断丝的问题
预应力筋滑移的原因是：锚限位板的极限深度太深;锚垫板未清理干净;预应力筋和千斤顶卡盘有油污;锚具偏离下底板的止动块;锚具（锚环、锚塞和夹片）的质量存在问题。预应力筋断丝的主要原因是预应力筋的质量缺陷或损坏，千斤顶未按规定校准，穿筋时预应力筋缠绕，导致预应力筋受力不均断丝。施工过程中，当预应力鋼绞线每束滑丝、断丝不超过1根，且每段断丝总数不超过该段钢丝总数的1%时，应按要求进行补拉处理。如果整捆或大量滑丝和断丝，应拆除锚头，检查并更换钢绞线，然后重新张紧。
4 桥梁工程中预应力技术施工质量控制
4.1 原材料控制
严格控制进场材料的质量。进场时应分批验收，除检查其质量证明书、包装、标志和规格外，还应严格按照规范要求进行抽检或送检。
4.2 管道安装定位
预应力管道的安装精度对预应力的施加效果起着至关重要的作用。施工过程中要严格控制管道线型和定位坐标，保证波纹管在浇筑混凝土后不渗漏、不堵塞、不歪斜、不变形。管道成型后，应按照质量检验程序逐一检查整体线形、坐标、定位筋的牢固性和接头的紧密性。管道线型应平滑，中心线应垂直于末端预埋锚垫板;发现波纹管有裂纹，定位筋松动，应及时处理;波纹管接头应用防水包布密封;混凝土施工时要注意保护管道，施工作业人员不能踩踏管道，混凝土振捣时不得碰撞、挤压管道;波纹管安装好后，可在管道中放入直径较小的塑料管，避免管道受到外力挤压变形或损坏，插入的塑料管具有一定的刚度，可保证管道的线型和位置准确;在混凝土初凝前，应不时使用通孔装置进行检查和疏通。如果提前放入预应力钢绞线，要随时拉动，避免因混凝土堵塞而影响预应力张拉。当堵塞孔严重无法疏通时，应检查堵塞孔的位置，并凿出混凝土疏通孔道。
4.3 预应力筋下料及穿束
钢绞线应采用整体编束和穿孔。钢绞线下料要考虑张拉工作长度，下料长度要精准。钢绞线下料口必须齐平，不得散落，以观察断丝和滑丝情况。编束时钢绞线应相互平行，不得缠绕。绑扎好的钢绞线两端应编号并挂孔号。预应力筋编束后，应整体穿过孔道。钢绞线前端应设置钢丝网套管或专用牵引头，由牵引车牵引。钢绞线安装完毕后，应及时封堵两端波纹管，外露钢绞线应及时包裹，以防锈蚀。
4.4 张拉控制
预应力的施加对预应力混凝土的质量影响较大，施工时应严格控制各道工序，严格遵守操作规程。张拉前，在试压相同条件下的试块并进行现场强度回弹试验，确认混凝土强度满足要求方可张拉。张拉前应严格检查锚具、千斤顶和现场安全防护设施，严格按照张拉力计算值和张拉操作规程及要求进行张拉。预应力钢束张拉后应立即灌浆，并按设计要求及时对锚端进行封闭保护或防腐处理。
张拉理论伸长量计算如下：
（1）计算公式：
（1）
（2）
式中，Pp——预应力筋的平均张拉力（N）;L——预应力筋的长度;Ap——预应力筋的截面面积（mm2）;Ep——预应力筋的弹性模量（N/mm2）;P——预应力筋张拉端的张拉力（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的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——预应力筋与孔道壁的摩擦系数。
（2）计算理论伸长值，要先确定预应力筋的工作长度和线型段落的划分。后张法钢绞线型既有直线又有曲线，由于不同线型区间的平均应力会有很大差异，因此需要分段计算伸长值，然后累加。于是上式中：
（3）
（4）
5 结语
预应力不仅是一种结构手段，也是一种基于分段施工与施工方法相结合的工程技术。在既有桥梁的改造加固、延长桥梁使用寿命、新型桥梁结构的研究等方面发挥着主导作用。在未来的发展中将有更广阔的应用领域。在实际使用中，要注意预应力施工中常见的问题，控制预应力混凝土施工各阶段的施工质量，加强对预应力施工技术各种效果的分析，根据公路桥梁工程的实际情况，制定切实可行的桥梁维修方案，合理应用预应力施工技术，针对预应力施工技术应用中可能出现的问题，提前预防，及时解决，不留安全隐患，确保公路桥梁建设的安全和质量。
参考文献
[1]杨晓翔. 公路桥梁施工中预应力技术应用[J]. 中国高新技术企业， 2010（7）：
166-167.
[2]张健. 论道路与桥梁施工中预应力的应用及存在的问题[J]. 黑龙江科技信息， 2014（7）：
185.
[3]马剑飞. 大跨径预应力连续桥梁施工控制关键技术研究[D]. 武汉：
武汉理工大学， 2006.
收稿日期：2022-02-16
作者简介：杨雄旺（1994—），男，本科，助理工程师，从事高速公路施工工作。
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