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摘要: 预应力技术在桥梁工程中的应用很多, 随着高速公路的大规模建设, 出现的质量问题和裂缝病害也不断增多。针对预应力桥梁施工中的砼早期强度、预留孔道质量、超长束张拉工艺、扁锚的应用、夹片式锚具的尺寸和夹片长度对锚具质量影响等问题, 进行了大量的调查和分析, 并提出了合理化建议。
关键词: 预应力桥梁; 预应力技术; 裂缝病害
一前言
从全国各地众多高速公路桥梁健康检查情况来看, 预应力桥梁的裂缝病害相当普遍, 特别是箱梁桥。产生裂缝病害的原因很多, 其中预应力桥梁施工中出现的预应力技术问题, 已受到众多专家的关注和质疑。
二预应力桥梁的施工工艺问题
2.1预应力结构砼开始张拉的时间问题
为提高预应力混凝土的早期强度, 近几年通过掺加早强剂的方法, 一般浇注砼3d后就开始张拉预应力, 然而由于砼强度增长需要一定的时间, 而且强度和弹性模量增长是不同步的,强度增长快,弹性模量长慢,早期砼变形大,过早张拉预应力会使预应力損失增加, 导致桥梁承载力不足,而出现众多裂缝病害。此外,采用现场试块测得的早期砼强度等级代替现场结构的实际砼强度,也存在一定的问题。试验表明,出现事故的结构最后验算时其实际强度均未达到现场测得的强度,有时候甚至很低。
2.2预应力超长束一端张拉工艺的问题
国内现浇大跨度(3~5 跨,每跨30～50 m)预应力连续箱梁底板预应力束一般采用一端张拉的工艺,例如某箱梁桥5跨,第一联跨66m,第二联跨88m,第三联跨150m,如采用一端张拉的工艺将一束钢绞线拉直需要0.3～0.4 fptk 的拉力, 而如此长的孔道要跨越多道箱梁横隔板,其孔道摩阻是多少,要通过试验才能确定。根据国内外相关规范[1- 2]规定:跨度≥30 m 以上的预应力桥梁,均要求采用两端对称张拉工艺,才能保证跨中有效预应力和桥梁在恒载和活载作用下跨中所需抵抗弯矩的建立;否则会导致跨中承载力不足,而产生正截面裂缝。根据交通部专门调查资料,已通车的公路桥梁中,几乎都出现过由于张拉工艺不适合而产生大量裂缝的现象。
2.3后张预应力结构张拉力控制的问题
预应力施工作业不够规范,特别是张拉力控制不严对预应力桥梁质量影响较大。一般张拉作业采用张拉力和预应力筋伸长量同时控制,以张拉力为主,以伸长值校核张拉力。通常张拉力的计量采用
2.4张拉作业人员业务技能问题
级油压,误差大,有的千斤顶甚至未经计量标定就张拉,而且张拉人员多数未经专业培训,如果作业不专心,经常容易出现较大误差,甚至读错表,发生张拉力忽高忽低的现象。特别在多束张拉时,由于每束张拉力都不同,往往对预应力筋的伸长值计算不准确,弹性模量取值混乱,实际张拉时难以做到将伸长量按规范规定控制在±6%范围内,导致张拉力失控。
2.5预应力孔道压浆两个重要作用
一是保护预应力筋不被锈蚀；二是保证预力筋和结构共同工作；然而实际工程中预应力孔道的压浆不饱满、不密实、漏浆和漏灌现象十分普遍, 已成为预应力结构的通病。其主要原因除了施工单位对孔道压浆工序不够重视外, 目前的压浆工艺、留孔质量、浆体配置等也存在一定问题, 特别是浆体的水灰比,规范的规定值(0.4～0.45)偏大。采用规范规定的水灰比后孔道浆体泌水,孔道不易饱满和密实。近几年, 采用新研制的外加剂JMH-3对浆体配置技术进行了改进,将水灰比降到0.35以下, 通过高速搅浆机(转速≥1000r/min), 将浆体的流动度提高到12s(规范规定为14～18s), 只要规范操作, 普通压浆工艺也能保证压浆质量。从南京长江二桥施工引进的瑞士VSL 公司真空辅助压浆工艺技术, 从压浆工艺原理到浆体配置技术, 应该说是目前比较理想的压浆工艺技术, 值得推广[3-4]。
2.6后张预应力结构的砼保护层失控问题
由于砼保护层普遍偏小, 而施工时采用的保护层水泥垫块都已损坏和移位, 导致梁板保护层失效, 加之预应力孔道压浆多数不到位使箱梁底板和板梁底面出现许多纵横向裂缝。建议推广应用塑料垫块控制保护层厚度。
3预应力孔道和锚具存在的问题
3.1后张法预留孔道质量的问题
后张预应力砼结构的预留孔道不流畅、漏浆现象严重,导致孔道摩阻和预应力损失增大, 已成为预应力施工中的通病。后张法预留孔道普遍采用金属波纹管, 建设部1994 年颁布了相关产品标准《预应力砼留孔用金属螺旋管》(JG/T3013- 94),然而市场上应用的金属波纹管, 90%以上达不到产品标准要求[5]。标准规定钢带厚度宜为0.3 mm, 而实际常用的仅0.24～0.28 mm; 波高要求≥2.5 mm, 而实际波高仅1.25～1.5 mm, 标准所要求的径向刚度也普遍达不到。扁管的质量标准更低, 扁管内径高度规定两种高度19 mm(Φj12.7 钢绞线用)和25 mm(Φj15.24钢绞线用), 现在普遍为22 mm, 由于径向刚度小, 导致留孔空间更小。建议重新修订1994 年的产品标。
近两年预留孔道又推广应用塑料波纹管, 交通部2004年出台了《预应力砼桥梁用塑料波纹管》(JT/T529- 2004), 建设部目前正在编制, 并已出台了征求意见稿。目前生产的塑料波纹管质量问题较多, 若不加强质量控制和管理, 对后张预应力结构将产生严重后果。
3.2扁锚和扁锚连接器应用的问题
扁锚多应用于结构截面尺寸受到限制或构造连接等特定条件下。例如,应用于先简支后连续桥梁结构的支座负弯矩处作为构造连接和桥面横向整体连接,不作为主要受力用。然而近年来部分单位为了减小截面尺寸,追求经济指标, 在预应力箱梁底板和板梁结构中都采用扁锚, 有的单位还申请专利、出标准图, 这是不可取的。由于扁锚的张拉工艺是采用逐根张拉,整体张拉设备技术不成熟,导致钢绞线受力不均匀。采用扁波纹管留孔,扁孔空间很小, 孔道摩阻大, 特别是超长孔道采用一端张拉工艺, 问题更加严重。上述某大桥5跨30 m 跨度连续箱梁, 第一联跨66m, 采用5孔扁锚, 扁金属波纹管留孔, 预应力筋的张拉伸长值偏差在-10%～-40%, 平均偏差-25%, 超出规范要求的范围。由此可见, 由于超长束、扁孔孔道摩阻大和一端逐根张拉工艺不合理性, 导致有效预应力值平均减少25%。第二联跨和第三联跨分别为88m和150m,其有效预应力将减少更多。另外, 由于扁孔本身空间小, 孔道压浆困难, 无法做到孔道压浆饱满。某高速公路25m跨预应力空心板梁, 采用扁锚预应力,后因出现质量事故, 检查发现只有两端2m 范围内的孔道有浆体, 中间孔道几乎没有浆体, 所以成桥后一旦通车必然出现裂缝。建议箱梁底板、腹板、空心板梁等结构禁止采用扁锚。对于扁锚连接器的应用更要慎重, 尤其是5孔和3孔连接器, 由于设计构造不合理会导致偏心受力, 不宜推广使用。
3.3锚具尺寸减小而影响锚具质量的问题
2000年以后由于低价中标的影响, 尽管钢材价格在上涨而锚具的价格逐年下滑。2005 年每孔价格在20元(三件套)左右, 最低每孔15元；而2000年前每孔40元左右, 跌幅达50%, 使生产厂家无利润空间,政府又没有保护措施,其后果只能是偷工减料。目前很多厂家将夹片长度减为38～40mm,锚环厚度、直径和孔距的减小,使锚具质量得不到保证。锚具的所有几何尺寸都是经过严格计算和无数次试验确定的,无任何科学依据,不可随意更改尺寸,否则会影响锚固性能。国、内外专家研究发现,夹片对高强度钢绞线的夹持长度对锚具的锚固性能影响很大,夹持长度过小,会引起钢绞线滑移锚不住;因此对夹片长度应严格控制,一般不宜小于50mm[6-7]。锚板尺寸和厚度过小,会影响锚具的承载力,因此随意地减小锚具尺寸后果将非常严重。
4结语
预应力技术从理论到工程实践经过几代人的研究和不断创新,已发展为比较成熟的技术, 然而经调查和研究发现,由于张拉工艺不适合、孔道和锚具质量不合规范等原因,造成预应力施工中仍存在许多不足之处, 本文针对预应力桥梁施工中可能出现的问题进行分析,以期引起相关设计部门和施工人员的高度重视。
关键词: 预应力桥梁; 预应力技术; 裂缝病害
一前言
从全国各地众多高速公路桥梁健康检查情况来看, 预应力桥梁的裂缝病害相当普遍, 特别是箱梁桥。产生裂缝病害的原因很多, 其中预应力桥梁施工中出现的预应力技术问题, 已受到众多专家的关注和质疑。
二预应力桥梁的施工工艺问题
2.1预应力结构砼开始张拉的时间问题
为提高预应力混凝土的早期强度, 近几年通过掺加早强剂的方法, 一般浇注砼3d后就开始张拉预应力, 然而由于砼强度增长需要一定的时间, 而且强度和弹性模量增长是不同步的,强度增长快,弹性模量长慢,早期砼变形大,过早张拉预应力会使预应力損失增加, 导致桥梁承载力不足,而出现众多裂缝病害。此外,采用现场试块测得的早期砼强度等级代替现场结构的实际砼强度,也存在一定的问题。试验表明,出现事故的结构最后验算时其实际强度均未达到现场测得的强度,有时候甚至很低。
2.2预应力超长束一端张拉工艺的问题
国内现浇大跨度(3~5 跨,每跨30～50 m)预应力连续箱梁底板预应力束一般采用一端张拉的工艺,例如某箱梁桥5跨,第一联跨66m,第二联跨88m,第三联跨150m,如采用一端张拉的工艺将一束钢绞线拉直需要0.3～0.4 fptk 的拉力, 而如此长的孔道要跨越多道箱梁横隔板,其孔道摩阻是多少,要通过试验才能确定。根据国内外相关规范[1- 2]规定:跨度≥30 m 以上的预应力桥梁,均要求采用两端对称张拉工艺,才能保证跨中有效预应力和桥梁在恒载和活载作用下跨中所需抵抗弯矩的建立;否则会导致跨中承载力不足,而产生正截面裂缝。根据交通部专门调查资料,已通车的公路桥梁中,几乎都出现过由于张拉工艺不适合而产生大量裂缝的现象。
2.3后张预应力结构张拉力控制的问题
预应力施工作业不够规范,特别是张拉力控制不严对预应力桥梁质量影响较大。一般张拉作业采用张拉力和预应力筋伸长量同时控制,以张拉力为主,以伸长值校核张拉力。通常张拉力的计量采用
2.4张拉作业人员业务技能问题
级油压,误差大,有的千斤顶甚至未经计量标定就张拉,而且张拉人员多数未经专业培训,如果作业不专心,经常容易出现较大误差,甚至读错表,发生张拉力忽高忽低的现象。特别在多束张拉时,由于每束张拉力都不同,往往对预应力筋的伸长值计算不准确,弹性模量取值混乱,实际张拉时难以做到将伸长量按规范规定控制在±6%范围内,导致张拉力失控。
2.5预应力孔道压浆两个重要作用
一是保护预应力筋不被锈蚀；二是保证预力筋和结构共同工作；然而实际工程中预应力孔道的压浆不饱满、不密实、漏浆和漏灌现象十分普遍, 已成为预应力结构的通病。其主要原因除了施工单位对孔道压浆工序不够重视外, 目前的压浆工艺、留孔质量、浆体配置等也存在一定问题, 特别是浆体的水灰比,规范的规定值(0.4～0.45)偏大。采用规范规定的水灰比后孔道浆体泌水,孔道不易饱满和密实。近几年, 采用新研制的外加剂JMH-3对浆体配置技术进行了改进,将水灰比降到0.35以下, 通过高速搅浆机(转速≥1000r/min), 将浆体的流动度提高到12s(规范规定为14～18s), 只要规范操作, 普通压浆工艺也能保证压浆质量。从南京长江二桥施工引进的瑞士VSL 公司真空辅助压浆工艺技术, 从压浆工艺原理到浆体配置技术, 应该说是目前比较理想的压浆工艺技术, 值得推广[3-4]。
2.6后张预应力结构的砼保护层失控问题
由于砼保护层普遍偏小, 而施工时采用的保护层水泥垫块都已损坏和移位, 导致梁板保护层失效, 加之预应力孔道压浆多数不到位使箱梁底板和板梁底面出现许多纵横向裂缝。建议推广应用塑料垫块控制保护层厚度。
3预应力孔道和锚具存在的问题
3.1后张法预留孔道质量的问题
后张预应力砼结构的预留孔道不流畅、漏浆现象严重,导致孔道摩阻和预应力损失增大, 已成为预应力施工中的通病。后张法预留孔道普遍采用金属波纹管, 建设部1994 年颁布了相关产品标准《预应力砼留孔用金属螺旋管》(JG/T3013- 94),然而市场上应用的金属波纹管, 90%以上达不到产品标准要求[5]。标准规定钢带厚度宜为0.3 mm, 而实际常用的仅0.24～0.28 mm; 波高要求≥2.5 mm, 而实际波高仅1.25～1.5 mm, 标准所要求的径向刚度也普遍达不到。扁管的质量标准更低, 扁管内径高度规定两种高度19 mm(Φj12.7 钢绞线用)和25 mm(Φj15.24钢绞线用), 现在普遍为22 mm, 由于径向刚度小, 导致留孔空间更小。建议重新修订1994 年的产品标。
近两年预留孔道又推广应用塑料波纹管, 交通部2004年出台了《预应力砼桥梁用塑料波纹管》(JT/T529- 2004), 建设部目前正在编制, 并已出台了征求意见稿。目前生产的塑料波纹管质量问题较多, 若不加强质量控制和管理, 对后张预应力结构将产生严重后果。
3.2扁锚和扁锚连接器应用的问题
扁锚多应用于结构截面尺寸受到限制或构造连接等特定条件下。例如,应用于先简支后连续桥梁结构的支座负弯矩处作为构造连接和桥面横向整体连接,不作为主要受力用。然而近年来部分单位为了减小截面尺寸,追求经济指标, 在预应力箱梁底板和板梁结构中都采用扁锚, 有的单位还申请专利、出标准图, 这是不可取的。由于扁锚的张拉工艺是采用逐根张拉,整体张拉设备技术不成熟,导致钢绞线受力不均匀。采用扁波纹管留孔,扁孔空间很小, 孔道摩阻大, 特别是超长孔道采用一端张拉工艺, 问题更加严重。上述某大桥5跨30 m 跨度连续箱梁, 第一联跨66m, 采用5孔扁锚, 扁金属波纹管留孔, 预应力筋的张拉伸长值偏差在-10%～-40%, 平均偏差-25%, 超出规范要求的范围。由此可见, 由于超长束、扁孔孔道摩阻大和一端逐根张拉工艺不合理性, 导致有效预应力值平均减少25%。第二联跨和第三联跨分别为88m和150m,其有效预应力将减少更多。另外, 由于扁孔本身空间小, 孔道压浆困难, 无法做到孔道压浆饱满。某高速公路25m跨预应力空心板梁, 采用扁锚预应力,后因出现质量事故, 检查发现只有两端2m 范围内的孔道有浆体, 中间孔道几乎没有浆体, 所以成桥后一旦通车必然出现裂缝。建议箱梁底板、腹板、空心板梁等结构禁止采用扁锚。对于扁锚连接器的应用更要慎重, 尤其是5孔和3孔连接器, 由于设计构造不合理会导致偏心受力, 不宜推广使用。
3.3锚具尺寸减小而影响锚具质量的问题
2000年以后由于低价中标的影响, 尽管钢材价格在上涨而锚具的价格逐年下滑。2005 年每孔价格在20元(三件套)左右, 最低每孔15元；而2000年前每孔40元左右, 跌幅达50%, 使生产厂家无利润空间,政府又没有保护措施,其后果只能是偷工减料。目前很多厂家将夹片长度减为38～40mm,锚环厚度、直径和孔距的减小,使锚具质量得不到保证。锚具的所有几何尺寸都是经过严格计算和无数次试验确定的,无任何科学依据,不可随意更改尺寸,否则会影响锚固性能。国、内外专家研究发现,夹片对高强度钢绞线的夹持长度对锚具的锚固性能影响很大,夹持长度过小,会引起钢绞线滑移锚不住;因此对夹片长度应严格控制,一般不宜小于50mm[6-7]。锚板尺寸和厚度过小,会影响锚具的承载力,因此随意地减小锚具尺寸后果将非常严重。
4结语
预应力技术从理论到工程实践经过几代人的研究和不断创新,已发展为比较成熟的技术, 然而经调查和研究发现,由于张拉工艺不适合、孔道和锚具质量不合规范等原因,造成预应力施工中仍存在许多不足之处, 本文针对预应力桥梁施工中可能出现的问题进行分析,以期引起相关设计部门和施工人员的高度重视。