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1、桥梁预应力施工隐患分析与精桥梁预应力施工隐患分析与精细化施工技术细化施工技术1梗概梗概一、预应力技术在桥梁中的应用一、预应力技术在桥梁中的应用二、预应力对桥梁的作用二、预应力对桥梁的作用三、预应力混凝土桥梁病害分析与施工现状三、预应力混凝土桥梁病害分析与施工现状四、预应力精细化施工技术四、预应力精细化施工技术五、预应力精细化施工是降低桥梁全寿命成本五、预应力精细化施工是降低桥梁全寿命成本的保障的保障2一、预应力技术在桥梁中的应用一、预应力技术在桥梁中的应用 预应力技术近年来发展迅速，在预应力混凝土桥梁的设计、结构分析、试验研究、预应力材料及工艺设备、施工工艺等方面日新月异。预应力混凝土连续梁桥
2、是预应力桥梁中的一种，它具有整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能好，特别是主梁变形挠曲线平缓，桥面伸缩缝少，行车舒适等优点。我国已建成许多这类桥梁，如：云南六库怒江大桥（主跨154米）、上海黄浦江奉浦大桥（主跨125米）、湖南常德沅江大桥（主跨120米）、山东东明黄河公路大桥（主跨120米）等等。预应力混凝土连续刚构桥比连续梁桥有更大的跨越能力，我国于1988年建成的广东洛溪大桥（主跨180米），开创了我国修建大跨径预应力连续刚构桥的先例，二十多年来，预应力梁桥在全国范围内已建成跨径大于120米的有74座。世界已建成跨度大于240米预应力梁桥17座，中国占7座。1997年建成的虎门大桥副航
3、道桥（主跨270米）为当时预应力连续刚构世界第一。近几年相继建成了泸州长江二桥（主跨252米）、重庆黄花园大桥（主跨250米）、黄石长江大桥（主跨245米）、重庆高家花园大桥（主跨240米）、贵州六广河大桥（主跨240米），近期还将建成一大批大跨径预应力连续刚构桥。3二、预应力对桥梁的作用二、预应力对桥梁的作用 预应力在桥梁结构中的使用，提高了桥梁构件的抗裂度和刚度，有效改善了构件的使用性能，增加结构的耐久性；节省钢材与混凝土用量，对大跨径桥梁，有显著优越性；减少了混凝土梁的竖向剪力和主拉应力，有利于减小梁的腹板厚度，使梁自重进一步减小；可作为结构构件连接的手段，促进了桥梁结构新体系与施工方法
4、的发展。2.1 纵向、横向、竖向预应力的作用纵向、横向、竖向预应力的作用2.1.1 纵向预应力纵向预应力 纵向预应力是预应力混凝土连续梁式桥的核心，纵向预应力的配束方案是根据受弯梁的弯矩包络图设计的，即根据不同应力状态下受弯梁的破坏形态设计，包括弯起索、连续索等。实际工程中腹板斜裂缝是预应力混凝土连续箱梁常见的裂缝形式，是结构裂缝，主要受腹板纵向预应力的大小控制。4 式中:荷载短期效应组合并考虑长期效应下的总挠度；永存预加力所产生的上挠度；由荷载效应组合计算的弯矩值引起的挠度值；预加力反拱设置考虑长期效应增长系数；短期荷载效应组合考虑长期效应的挠度增长系数。纵向预应力主要控制桥梁的预拱度，预拱
5、度直接关系到成桥状态下的线形是否与设计线形相符，并且影响使用状态下桥梁结构的安全。根据预应力作用下桥梁挠度计算的基本理论，预应力混凝土结构受弯构件的挠度由偏心预加力引起的上挠度和外荷载（静、动载）所产生的下挠度两部分组成。即：5 由上式可见，为保证桥梁线形与安全，纵向预应力所产生的上挠度应能抵消荷载引起的下挠度，当预加力的长期反拱值小于按荷载短期组合计算的长期挠度时应设置预拱度。合理确定预加力作用点的位置对预应力混凝土梁是很重要的。在弯矩最大的跨中截面处，应尽可能使预应力钢筋的重心降低，使其产生较大的预应力负弯矩来平衡外荷载引起的正弯矩。如令沿梁近似不变，则对于弯矩较小的其他截面，应相应地减小
6、偏心距值，以免由于过大的预应力负弯矩而引起构件上缘的混凝土出现拉应力。只要作用点的位置，落在束界的区域内，就能够保证构件在最小外荷载和最不利荷载作用下，其上下缘混凝土均不会出现拉应力。纵向预应力还会引起横向变形。在施工过程中，纵向预应力张拉吨位较大，根据泊松比，产生的横向变形也较大。这样，不但提高了对横向预应力筋束张拉质量的要求，同时也提高了对纵向预应力筋束张拉质量的要求，以便保证二者的相互合理性及影响程度，防止因施工不当引起变形过大造成桥梁线形的不足及结构的破坏。所以对纵向预应力张拉质量进行检测控制，使其符合设计的要求，是保证整个桥梁结构安全最重要的手段。62.1.2 竖向预应力竖向预应力
7、在桥梁结构中，竖向预应力和纵向预应力两者结合来控制腹板的剪应力和主拉应力。理论分析及实践经验表明，如果竖向预应力钢筋不能充分发挥作用，桥梁腹板的主拉应力就将超过规范规定的限值，有可能出现斜裂缝。如果施工质量控制不当，使箱梁腹板产生裂缝，对桥梁的刚度和耐久性将产生不利影响，最终影响桥梁的使用寿命。所以，在预应力混凝土箱梁结构中，为控制箱梁腹板的斜向裂缝，在腹板中配制竖向预应力筋。现行规范充分考虑了纵向预应力的弹性压缩损失的计算，但对竖向应力的弹性压缩损失没有作特别的说明，纵向预应力的弹性压缩损失是基于一维杆件轴向压缩计算得出的，而竖向预应力有其自身的特点：竖向预应力筋比较短，与纵向预应力筋相比达
8、到相同的应力水平，其弹性变形要小得多；竖向预应力筋锚固端沿腹板轴向排列，而纵向预应力筋的锚固端则排列在箱梁的某个截面上，显然纵向预应力弹性压缩损失的计算方法不适于竖向预应力的计算。7 目前我国在这方面的研究还不够深入，尽管对竖向预应力筋的有效预应力可能存在设计的问题，依据受力均匀及考虑摩阻等因素对有效预应力的影响，所以在施工中可对竖向预应力进行检测，如果允许的情况下可进行全部检测控制，发现其存在的规律，是解决竖向有效预应力建立的最直接、最有效的方法。竖向预应力筋常采用精轧螺纹钢筋，长度不大，因施工、徐变等诸多因素的影响而受到较大的损失，从而使竖向预应力筋达不到设计要求(这也是通车后有些桥腹板出
9、现裂缝的主因)。根据现存预应力混凝土连续梁、连续刚构桥箱梁裂缝检查结果及文献记载，目前国内绝大部分箱梁在运营阶段都出现了不同形式的裂缝，其中距支座（或桥墩）L4 附近腹板斜裂缝数量较多，裂缝与主拉应力的方向基本垂直，通常腹板内侧的数量较多。此原因是腹板主拉应力过大，而在设计或施工时对竖向预应力损失估计不足有关。82.1.3 横向预应力横向预应力 横向预应力对箱梁结构的主要作用是加强桥梁的横向联系，增加桥面板的刚度，增大悬臂板的抗弯能力，使悬臂部分增长，另外也减少了荷载对桥面的局压作用。增大结构的横向整体性后可以增大腹板的间距,悬臂部分宽度,这样可以减少下部工程量，减少造价。还有就是防止桥面开裂
10、,尤其是温度应力导致桥面板的裂缝。变高度预应力混凝土箱梁的底板在垂直平面处具有一定的曲率，因此，预应力钢束必须按照这种曲率布置。根据预应力等效荷载的原理，钢束的曲率引起向下的径向荷载，这种荷载势必会受到两腹板之间底板横向弯曲的抵抗。当没有布置横向预应力束或底板截面尺寸不足时，会导致底板产生纵向裂缝。92.2 有效预应力大小和不均匀度的影响有效预应力大小和不均匀度的影响 有效预应力的建立直接影响到桥梁的安全性、可靠性和长期使用寿命。特别是连续刚构桥，由于其跨径大、张拉吨位大、预应力体系和结构受力复杂等特点，不少工程因预应力失控而带来灾难性的后果。预应力混凝土桥梁中，预应力的效应是比较大的，如果施
11、工不当导致梁体内未能建立合格的有效预应力，在荷载作用尤其是活载作用下，对挠度的影响将更大：有效预应力偏小，直接影响预拱度，有效预应力不均匀将导致预应力筋的早期疲劳，危及桥梁使用寿命。不少连续刚构桥，成桥荷载试验验收合格，但不久则严重下挠，甚至断裂，就是同束有效预应力不均度太大所致。102.3 数学模型的建立与理论计算分析专题数学模型的建立与理论计算分析专题 桥梁（空心板）预应力施工工艺控制研究（桥梁预应力施工质量保证体系研究报告）课题，首先通过从30m足尺寸预应力空心板梁实验及有限元仿真分析两个方面对预应力空心板梁张拉有效预应力和各绞线受力均匀性以及预应力的施工顺序进行分析比较，通过对已施加预
12、应力的梁进行锚下有效预应力和各绞线受力均匀性检测及对梁体变形进行综合评估，形成最优的预应力施工工艺，以保证梁体在施工中及服役中的最小变形和其性能优化，同时保证最均匀的预应力施加与综合控制从而达到延长服役年限的目的。11 在课题的研究中，为了使试验符合实际情况，反映真实状态，我们采用足尺寸（30）空心板梁来做有关实验。这是因为比例模型处理的有关参数的选择及设定较复杂，试验中模型也不能完全真实反映实际情况，另外模型对预应力筋、锚夹具等的性能难以处理，对所施加的预应力在梁体中的情况（如摩阻影响、应力损失等）处理也很难，这些都会对试验结果带来很大影响。足尺寸空心板梁的制作工程量较大，试验工作量及试验数
13、据量也相应的增大，但避免了采用比例缩小模型带来的一些工作及缺点，同时在整个施工过程中可完全按现行国家标准、规范、规程施工，也便于预应力的施加及检测等工作。空心板梁的制作,我们按四川省交通厅公路规划勘察设计研究院设计的国道主干线重庆湛江公路（重庆段）上桥至界石段装配式后张法预应力砼空心板桥的“30m装配式后张法预应力砼空心板梁”图纸进行施工，待施加预应力的空心板梁如图2.3.1。12图图2.3.1 待施加预应力的空心板梁待施加预应力的空心板梁13 通过对当前施工顺序下的张拉有限元分析，得出各束预应力筋有效张拉荷载下的梁体的应力及变形，通过人工神经网络映射在各种有效张拉荷载下的梁体的变形，保证张拉
14、施工中梁体的变形在设计的允许范围内，从而实现梁体的智能控制。本研究的主要内容有：1 通过对30m跨足尺寸的空心板梁的同步张拉试验，得出了空心板梁底板、侧板、顶板等跨中、1/4跨，1/8跨等处的应变数据。根据应变可以求得应力结果。在课题研究中，我们对预应力空心板梁预应力施工进行主动控制：留孔、预应力筋的编束、梳理、穿束等，从理论、有限元分析模拟及施工等几方面对梁的反拱度、线型度、扭转等变形及性能进行研究，深入研究现行双控法的局限性，并对施工中及施工后有效预应力进行控制与监控，进行工艺精细化分析。2 通过大型有限元软件Ansys实现对该箱型梁同步张拉过程的仿真分析，分析有限元软件仿真预应力张拉过程
15、的可行性以及分析误差产生的原因。3 实现对不同张拉顺序的有限元仿真，并根据对不同张拉顺序的有限元分析结果，求得最佳的张拉顺序。14 4 通过对不同的锚下有效张拉力下的有限元仿真，得出超张拉、欠张拉以及不均匀张拉等情况下梁体的变化规律。并根据大量的有限元分析，求得梁的锚下有效预应力的偏差在多大程度上施工质量能保证达到设计要求。5 根据大量计算生成人工神经网络样本及人工神经元网络模型，得出对梁体在不同有效张拉力作用下各关键点处的变形规律。通过编制人工神经元网络控制箱型梁张拉施工的程序，实现对预应力张拉的施工控制。6 实现对T型梁的有限元仿真，将上述成果推广。通过对马啸溪大桥、雷神店大桥的有限元分析
16、及神经网络映射施工控制，将成果应用于工程实践中。研究中通过对空心板梁的材料试验和预应力施加过程中的应力、变形、有效预应力进行全过程的跟踪观测以保证试验梁体用材的可靠性，获得理论分析和计算的基本参数，最重要的是通过试验及试验数据来分析和验证理论分析和计算，使本课题的研究建立在理论分析、试验分析的基础上，以保证研究的正确性、可靠性。15三、预应力混凝土桥梁病害分析与施工预应力混凝土桥梁病害分析与施工现状现状3.1 病害分析病害分析3.1.1 梁体下挠梁体下挠 全预应力构件，预应力效应的作用是比较大的，其提供的消压弯矩能有效保证构件的预应力度。根据分析，150m的全预应力连续箱梁，预应力对挠度的效应
17、是7cm。如果预应力施工不当，梁体内不能建立有效的预应力，在混凝土徐变的共同作用下，梁体必将发生严重的下挠。挠度过大不但会使跨中主梁下凹，破坏桥面的铺装层，影响桥梁的使用寿命和行车舒适性，甚至危及高速行车时的安全。16 跨中持续下挠的影响因素有：预应力的损失、结构的刚度、超重、混凝土的收缩徐变、温度的影响，而最主要的因素是预应力的损失。造成预应力损失的原因有：预应力钢筋与管道壁间摩擦引起的应力损失；锚具变形、预应力筋回缩和接缝压缩引起的应力损失；弹性压缩引起的应力损失；预应力筋松弛引起的应力损失；混凝土收缩和徐变引起的应力损失；还有最重要的原因有效预应力不均匀度过大。有效预应力不均匀度过大，在
18、桥梁刚建成时问题不会显现出来，但经过一段时间有效预应力大的预应力筋出现早期疲劳，桥梁跨中的持续下挠也由此产生。3.1.2 开裂开裂 在预应力桥梁使用中发现，有相当数量的箱梁在顶板、腹板、底板、横隔板以及齿块等部位出现了各种不同形式的裂缝，其中箱梁腹板裂缝最为普遍和严重。腹板裂缝一般集中在1/8跨至3/4跨之间，其中距支座L/4附近腹板斜裂缝数量较多，裂缝开展宽度一般在0.150.5mm之间；通常腹板内侧的裂缝数量较多，夏季缝宽较冬季有所增大，较宽的裂缝贯透腹板，在结构上呈一定的对称性。经分析，箱梁腹板开裂产生的主要原因有：设计计算方法的影响、混凝土收缩徐变的影响、温度的影响、施工因素的影响和混
19、凝土应力限值的影响。173.1.3 梁体断裂梁体断裂 由于预应力筋的有效预应力失效或梁体裂缝，特别是纵向预应力损失过大引起下挠和底板横向裂缝的进一步发展。当发展到一定程度，由量变转为质变，使梁体发生结构性破坏。3.1.4 病害实例病害实例 1）钟祥汉江大桥 钟祥汉江大桥设计使用寿命50年，1993年竣工验收时工程质量等级优良，但仅运行10年便成为危桥。2001年检测，省交通部门就发现梁体有裂缝。2004年，大桥“病症”加剧，主桥箱梁腹板开裂，中间三跨跨中底板横向贯穿开裂，且仍在发展；两个次边跨下挠严重；混凝土劣化严重；箱梁接段质量较差，箱梁顶板开裂渗水；抽查的底板纵向预应力管道未见压浆；预应力
20、钢束有断丝、滑丝现象，部分钢筋锈蚀严重。大桥荷载等级远低于原设计标准，不能满足使用要求，被定性为“危桥”。最终与2005年封闭（图3.1.1）。18图图3.1.1 拆除中的钟祥汉江大桥拆除中的钟祥汉江大桥 19 2）三门峡黄河公路大桥 三门峡黄河公路大桥主桥为一座6跨预应力混凝土连续刚构桥，长1310.09米，跨径布置为105m+4160m+105m，于1993年建成通车（图3.1.2）。2002年6月对该桥的检查发现，跨中区域下挠最大达到22cm，另外箱梁腹板出现大量斜裂缝，且裂缝长度数量不断增加，结构承载力有下降趋势。为确保桥梁正常安全地使用，2003年7月对其主桥上部进行加固。主要加固项
21、目：增设体外纵向预应力钢束提高承载力；处理裂缝，用压浆、封闭法及粘贴钢板修补裂缝。处理蜂窝、麻面和空洞；处理掉块、漏筋部位。总投资达2408万元，2005年底进行了竣工验收。为防止大桥出现二次病害，确保大桥安全，自本次工程竣工之日起，在桥两端设立超载、超限监控室，对过桥车辆进行限速、限距、限载控制，禁止55吨以上车辆过桥。20图图3.1.2 三门峡黄河公路大桥三门峡黄河公路大桥21 3）广东南海金沙大桥 主桥结构形式为三跨预应力混凝土变截面连续刚构，跨度为66m+120m+66m。断面形式为单室箱梁，跨中梁高2.5 m，墩顶梁高6.0 m，于1994年建成通车（图3.1.3、3.1.4）。该桥
22、在1999年10月发现主跨跨中出现明显下挠，截止2000年底，跨中挠度已达22 cm左右。2001年4月检测单位对该桥进行全面检查和静动载试验，检测结果如下：主桥的中跨跨中严重下挠已达23.8 cm；箱梁两侧腹板出现大量的斜剪裂缝，最大裂缝达到1 mm；静载试验检测的应力及挠度的效验系数大于1.05，桥梁总体承载能力下降；静载试验时腹板斜裂缝宽度均有加宽，最大增量达0.5 mm；动载试验结果显示主桥整体刚度降低，结构品质下降。从该桥的试验检测资料来看，该桥跨中下挠大，梁斜剪裂缝多，其抗弯和抗剪承载能力都存在不足。22 4）黄石长江大桥 黄石大桥为一座5跨预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为162
23、.5m+3245m+162.5m，于1995年建成（图3.1.3、3.1.4）。图图3.1.3 黄石长江大桥黄石长江大桥23图图3.1.4 黄石长江大桥立面布置黄石长江大桥立面布置 该桥通车运营3年后，跨中仍然持续下挠。该桥运营7年后，各跨跨中均有明显下挠，与成桥时相比，大桥北岸次边跨2号墩和3号墩之间主梁跨中下挠累计已达30.5cm，中跨3号墩和4号墩之间主梁跨中下挠已达21.2cm，南岸次边跨4号墩和5号墩之间主梁跨中下挠累计已达22.6cm。24 5）虎门大桥辅航道桥 虎门大桥辅航道桥为一座3跨预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为150m+270m+150m，于1997年建成通车，是当时世
24、界上最大跨径的预应力混凝土连续刚构桥。连续7年的观测表明，承台竖直变位和墩顶角位移很小，但主跨跨中下挠挠度逐年增长，而且尚未停止。2003年11月测量数据表明，与成桥时相比，左幅桥跨中累计下挠达22.2cm，右幅桥跨中累计下挠达20.7cm。图图3.1.5 虎门大桥辅航道桥虎门大桥辅航道桥跨中挠度发展跨中挠度发展25 6）潭州大桥 图图3.1.6 3.1.6 潭州大桥挠度与裂缝分析潭州大桥挠度与裂缝分析26 7）广州洛溪大桥 洛溪大桥主桥箱梁的顶板、腹板、底板局部地区出现不同程度的裂缝和破损，腹板裂痕77条，横隔板裂痕99条，最长的一条裂缝位于主桥1号箱梁右侧腹板上，宽0.56mm，长2.15
25、m。这些绝不允许出现的裂缝，说明大桥结构方面已存在安全隐患。同时，桥梁局部区域砼保护层不足，满足不了现行砼规的规定。南北引桥梁体砼已有部分裂缝超标，支座出现剪切变形或倾斜及老化，需立即整修、更换，部分桥墩盖梁局部钢筋外露、锈蚀，盖梁出现较多裂缝，部分超标。图图3.1.7 裂缝和破损裂缝和破损27 8）江津长江公路大桥 江津长江公路大桥建成于1997年，主桥为（140+240+140）m预应力混凝土连续刚构桥（图3.1.8），主桥箱梁运营9年后，出现主跨跨中下挠，箱梁顶、底、腹板开裂等病害。2007年，对该桥采取箱梁顶、底板粘贴纤维布和钢板、箱梁腹板布置体外预应力索的方式对裂缝和梁体下挠进行加固
26、处理。图图3.1.8 江津长江江津长江公路大桥公路大桥28 9）高家花园大桥 重庆高家花园嘉陵江大桥，桥型为预应力混凝土连续刚构桥（图3.1.8）。主跨240米，主桥跨径组合：140m+240m+140m。桥宽31.5m。主梁为两幅单室箱型梁，采用三向预应力钢筋混凝土结构。1996年1月开工，1998年12月竣工。由于箱梁腹板、顶板等部位开裂、跨中下挠严重等原因，今年进行主桥箱梁加固，9月3日，箱梁内加固施工起火，对重庆内环高速公路的交通造成严重影响。图图3.1.9 高家花园大桥高家花园大桥29 10）2009年7月15日，津晋高速公路港塘收费站800米外匝道连续箱梁桥垮塌，5辆载货车坠落，造
27、成6人死亡，4人受伤。图图3.1.10 津晋高速公路连续梁桥津晋高速公路连续梁桥30 11）锡澄高速公路江阴互通式立交主线桥 锡澄高速公路是同江至三亚、北京至上海国道主干线的一段，北起江阴长江大桥，南接沪宁高速公路。江阴高架桥是锡澄高速公路连接江阴长江大桥的主要桥梁，全长3.97km。自2003年2月起，发现江阴高架桥箱梁底板产生不同程度的裂缝，经分析，该裂缝是由于预应力不足导致梁底开裂，结构承载能力下降，从而使梁体不满足结构正常使用要求。2006年，对江阴高架桥上的六座桥梁采用在梁底板粘贴碳纤维布和钢板、梁内布置体外预应力索的方式对进行加固处理。图图3.1.11 锡澄高速公路江锡澄高速公路江
28、阴互通式立交主阴互通式立交主线桥线桥31 12）重庆某高速路空心板底部大量裂缝图图3.1.12 空心板底部裂缝空心板底部裂缝32 13）科罗巴岛(KororBabeldaob)桥 科罗巴岛(KororBabeldaob)桥是一座跨中带铰的3跨连续预应力混凝土刚架桥，其跨径组合为72m+241m+72m，是当时世界上同类桥梁中跨径最大者。1978年建成通车，通车后不久就产生了较大的挠度，到1990年，其挠度达到1.2m。后来采用体外束施加预应力，是主跨中央挠度减小。1996年加固结束，加固不到3个月又发生倒塌事故。图图3.1.13 科罗科罗巴岛巴岛(KororBabeldaob)桥桥 33 14
29、）美国明尼苏达州明尼阿波利斯市的一座桥梁于当地时间2007年8月1日晚发生坍塌。图图3.1.14 美国某城市桥梁美国某城市桥梁 34 15）2007年9月1日，巴基斯坦南部城市卡拉奇一座桥梁部分断塌，致使在桥上行驶的一辆客车和数辆其他汽车从桥上翻落，并被埋在废墟里，造成至少5人死亡、多人受伤。图图3.1.15 巴基斯坦某桥梁巴基斯坦某桥梁 35 16）2000年11月27日晚9时45分左右，正在施工的深圳盐坝高速公路起点高架引桥突然坍塌，正在桥面作业的69名工人随桥面滚落坠下。图图3.1.16 深圳某高架桥深圳某高架桥 36 17）美国加州Parrots Ferry Bridge（主跨195m
30、）跨中明显下挠图图3.1.17 Parrots Ferry Bridge跨中下挠37 由以上实例可见：预应力混凝土桥梁的病害主要是梁体下挠和开裂。而这种病害在刚成桥的检测和试验中无法体现，特别是梁体的下挠，在成桥荷载试验时，桥梁的承载力能够达到要求，但运营阶段，在荷载特别是活载作用下，跨中将持续下挠。这是由于有效预应力不均匀度过大造成的预应力损失过大，相当于有效预应力大的钢筋承受了本应该所有预应力筋承受的力，这样有效预应力大的钢筋在使用阶段逐渐屈服，梁体也随之下挠。而随着梁体下挠和开裂的不断发展，桥梁承载力将严重下降，甚至有断裂的危险。383.2 预应力施工现状预应力施工现状 现今施工技术的不
31、成熟是造成了桥梁病害的主要原因，以下就是目前施工工艺存在的问题。3.2.1 同束有效预应力不均匀度过大同束有效预应力不均匀度过大 由于单索受力不均匀性过大，预应力筋张拉过程中常有断丝或滑丝现象存在，这主要因为单根穿束造成绞线相互缠绕，已缠绕的绞线始终是长短不一致的，不能达到受力均匀，即使多次调索也无济于事，由此严重影响预应力的有效性和预应力筋的使用寿命，还有可能导致严重的工程事故发生。张拉后即使绞线没有进入屈服阶段，但其锚下预应力经过长期的衰减后，在使用阶段仍然可能大于其疲劳极限0.65，在汽车等活载作用下将造成绞线的早期疲劳断裂。（如图3.2.1）：施工工艺不当导致单索索力不均，引起断丝、滑
32、丝。39图图3.2.1（滑丝、飞锚）（滑丝、飞锚）403.2.2 同断面有效预应力大小和不均匀度不满足要求同断面有效预应力大小和不均匀度不满足要求 施工过程中由于种种原因，导致张拉控制应力与设计值偏差过大，预应力过大，可能导致预应力筋的破断，造成结构过大变形或出现裂纹；过小，则预应力度不足，造成结构开裂、下挠等。预应力张拉控制一般采用“双控法”压力表读数和伸长值，预应力的大小主要由普通压力表控制，严格按照规范的施工工艺进行预应力施工，“双控法”是可以满足锚下有效预应力控制精度要求的。但“双控法”存在人工读数的影响、压力表标定条件与现场施工条件之间的差异等将导致误差。普通压力表精度较低，对于大吨
33、位预应力束难于准确控制张拉应力；其次，所用机具的标定混乱：千斤顶、压力表和油泵应当是一个完整的张拉施力系统，必须结合施工现场整体标定，实际上却是分割标定只标定千斤顶与压力表，有的还是动态标定，其误差大又违背使用条件，往往导致张拉停顿持荷中张拉力偏大。41 张拉完毕后锚固前持荷时间过短，不能保证预应力的充分传递，尤其是对于较长的预应力筋，张拉完毕后未及时压浆可能导致预应力筋在压浆前锈蚀。另外，采用悬臂法浇筑的连续刚构桥，预应力管道跨越几个节段，预应力钢束与管道的实际摩擦系数以及管道偏差系数k通常比规范规定的要大。梁中同断面束力不均，导致梁体有害变形。如下图3.2.2，穿束工艺不当和管道漏浆，导致
34、绞线无法穿全，整束束力变小。423.2.3 锚具质量存在问题锚具质量存在问题 根据国家标准预应力筋锚具、夹具和连接器（GB/T 14370）的要求，预应力筋锚具、夹具和连接器应具有可靠的锚固性能、足够的承载能力和良好的适用性，能确保充分发挥预应力筋的强度，安全地实现预应力张拉作业，同时还应进行静载锚固性能试验，用于有抗震要求结构中的锚具、预应力筋锚具组装件还应满足循环次数为50次的周期荷载试验。但在进行周期荷载性能试验时，现行的人工加载试验设备存在以下缺点：1）加载速度不容易控制：GB/T 14370标准中要求的加载速度为100 MPa/min，手动控制试验设备不易实现。2）无法实施周期荷载试
35、验：周期荷载试验要求在预应力钢材抗拉强度标准值的40到80之间循环荷载50次，手动进行这样的控制几乎是不可能的。3）静载试验的加载重复精度低：由于是人工手动控制，同组试验结果可能会有较大差异。433.2.4 预应力张拉控制存在问题预应力张拉控制存在问题 现行公路桥涵施工技术规范（JTJ 041）中明确要求：预应力筋的张拉顺序应符合设计要求，当设计未规定时，可采取分批、分阶段对称张拉。由于缺乏有效监控手段，对预应力筋张拉的同步性和对称性至今没有明确的质量标准；而后张拉预应力束对梁体施加的压力给先张拉预应力束造成的损失，梁体非对称受力必将引起梁体的平弯和扭曲，特别是采用弯桥、坡桥、斜桥型式的城市立
36、交桥由于受到曲率的影响，非对称受力过大必将导致梁体产生过大不利变形。由于受到监测手段的限制，桥梁工程预应力束同步张拉一般采用步话机人工控制，其同步精度根本无法保证，施工现场对该问题也没有足够的认识和重视，基本上处于感官控制的阶段。张拉中停顿时间不充分，使得预应力筋回缩、锚具变形等原因引起的预应力损失十分大，严重影响有效预应力的建立。443.2.5 缺乏检测验收评估手段缺乏检测验收评估手段 现行规范对预应力工程施工中有效预应力控制与检测，都有十分明确的要求，但仅仅采用双控法根本无法达到规范的要求。由于缺乏完整的检测手段。使用传感器进行检测的方法只能被动检测，不能主动控制，同时精度不高，加之价格因
37、素，无法完全实现。造成混凝土结构中建立的预应力状况与设计相差较大，使得梁体存在问题而导致其下挠和出现裂缝，甚至断裂等后果。45四、预应力精细化施工四、预应力精细化施工 4.1 锚具质量控制（该系统已获国家专利）锚具质量控制（该系统已获国家专利）4.1.1 锚具综合试验及其目的锚具综合试验及其目的 锚具综合试验研究的项目包括：静载锚固试验、锚具内缩量试验、摩阻损失试验和张拉锚固工艺试验等。锚具回缩包括张拉端回缩和锚固端回缩。张拉端回缩影响锚下预应力的损失，由于限位板高度的影响无法直接测量，只能通过预应力损失值求回缩，此项回缩是在锚具内缩量试验中进行，最终的目的是测试锚具对预应力损失的影响；锚固端
38、回缩体现的是夹片与绞线跟踪回缩的一致性和同步性，此项测试在静载试验中进行，可在张拉过程中用计算机记录其回缩的曲线图（此曲线图只能在第一次张拉过程中或者单独作静载试验时绘制，因为一旦张拉完毕后，夹片就回缩到位，即使放张夹片也不会再松弛，除非用退锚器退锚），最终目的通过测量观察绞线和夹片咬合是否可靠，特别是张拉到80%时，回缩是否达到稳态，如果不符合要求的，在张拉过程中绞线容易出现滑丝和飞锚。46 锚具回缩包括张拉端回缩和锚固端回缩。张拉端回缩影响锚下预应力的损失，由于限位板高度的影响无法直接测量，只能通过预应力损失值求回缩，此项回缩是在锚具内缩量试验中进行，最终的目的是测试锚具对预应力损失的影响
39、；锚固端回缩体现的是夹片与绞线跟踪回缩的一致性和同步性，此项测试在静载试验中进行，可在张拉过程中用计算机记录其回缩的曲线图（此曲线图只能在第一次张拉过程中或者单独作静载试验时绘制，因为一旦张拉完毕后，夹片就回缩到位，即使放张夹片也不会再松弛，除非用退锚器退锚），最终目的通过测量观察绞线和夹片咬合是否可靠，特别是张拉到80%时，回缩是否达到稳态，如果不符合要求的，在张拉过程中绞线容易出现滑丝和飞锚。摩阻测试测定的是张拉端摩阻而不是锚固端摩阻，它包括锚圈口摩阻和锚垫板（喇叭口）摩阻。摩阻损失在张拉过程中体现，张拉力越大，绝对损失（即摩阻损失值）越大，而相对损失（即摩阻损失占张拉力值的比例）变化不大
40、，摩阻损失一般取80%时的相对损失。摩阻测试的目的是解决超张拉系数，其损失不能太大，太大说明折弯损失大易引起滑丝，而锚圈口摩阻损失太大也容易引起滑丝断丝。47 张拉锚固工艺试验是为了使锚具适应现场施工特点所进行的性能测试。由于千斤顶的行程有限，而预应力筋往往很长，这时需要倒顶，倒顶中就需要解决好临时锚固和多次张拉的问题；但在分级多次张拉后，预应力筋的受力均匀性不能受到影响；当张拉发生故障或有预应力筋受力严重超差，必须退锚重新穿索张拉，需要用退锚器人工放松预应力筋；预应力筋在夹片孔中自由对中关系到绞线受力均匀性，如果不能对中，锚具在多次张拉后易发生滑丝飞锚。锚具的静载锚固性能试验是检测锚具质量重
41、要的试验，它能综合反映出锚板、夹片的硬度、强度、锚固能力等方面的性能，并能对多次张拉锚固后绞线受力均匀性进行考核。经过锚具综合试验（静载锚固试验、锚具内缩量试验、摩阻损失试验和张拉锚固工艺试验等），能够确保在使用过程中锚具的可靠性、安全性和长期稳定性，对无粘结筋尤为重要。484.1.2 锚具综合试验设备锚具综合试验设备 由于现行的人工加载试验设备无法达到锚具综合试验的要求，可采用预应力锚具和连接器综合试验台（图4.1.1为台架图、图4.1.2为安装原理图）。预应力锚具和连接器综合试验台克服了一般的试验台架手工加载、人为因素影响大、质量难以控制的缺点。整个试验过程完全由计算机控制，可实现全过程的
42、有效监控，具有高精度、重复精度和操作安全、可靠的特点，能准确、科学地对锚具性能进行检测和评价。同时可进行锚具回缩及其径向变形自动跟踪测试，描绘相应曲线（图4.1.3、图4.1.4），自动分析相应变化规律性，满足国际预应力学会最新测试要求计算机设有人机对话界面。只要输入试验要求的参数，开动泵站，即可进入计算机自动控制，屏幕上清晰显示试验过程中的图像与数据（图4.1.5、4.1.6），实现实时跟踪控制。一旦进入屈服区或图像异常，立即报警，提醒操作人员注意避免事故发生。加载时自动生成周期图像，具有峰值留存功能。对连接器试验，可自动定心和调索。所有试验均能自动打印实验结果，并出具相应的试验报告。试验过
43、程中采集的数据自动保存，并可任意设定步长、打印数据清单。此外，对连接器试验，可长短台架并用，使连接的锚具端先获得定心和调索，然后再装挤压套的绞线，进行另一端调索，这样调索精度高，取消了另一个大千斤顶，试验可靠、精度高。49图图4.1.1 预应力锚具与连接器综合试验台预应力锚具与连接器综合试验台50图图4.1.2 预应力锚具和连接器综合试验台安装示预应力锚具和连接器综合试验台安装示意图意图 1 工具锚 2 液压千斤顶 3 限位板 4 锚具 5 水泥墩（含螺旋筋和锚垫板）6 台架体 7 传感器 8 液压千斤顶 9 工作锚 51图图4.1.3静载试验中绞线、夹片相对锚具的位移静载试验中绞线、夹片相对
44、锚具的位移变化曲线变化曲线52图图4.1.4 锚具径向变形曲线锚具径向变形曲线53图图4.1.5 静载试验曲线静载试验曲线 54图图4.1.6 周期荷载试验曲线周期荷载试验曲线554.2 疏编穿束（该系统已获国家专利）疏编穿束（该系统已获国家专利）4.2.1 疏编穿束工艺疏编穿束工艺 为了避免单根穿束引起的绞线相互缠绕，导致张拉时绞线受力严重不均。我们强调采用整束穿束系统进行穿束，此工艺已在不少工程中得到应用，对多索、长索效果更加明显，方法如下：1）对于预制梁等预应力筋束长度较短的构件，用锚具疏顺钢绞线，每隔1米绑扎一次，以使绞线顺直、等长，绑扎成束顺直不扭转，以提高其刚度便于穿束，禁止在钢绞
45、线不顺直的情况下绑扎成束。穿束时，应整束穿入，注意前端封头，以便于导向穿束，穿束时只做平动，切不可转动或扭动。若遇阻力，可前后拖动（平动），或用牵引。56 2）对于预应力筋长度较长、整束索数较多的现浇预应力构件，一般的整束穿束方法操作困难，甚至可能无法完成。此时可采取以下方法（图4.2.1）：钢绞线下料完毕后在其一端套入锚板作为梳束工具（也可用限位板），用砂轮锯将该端钢绞线各索端头切割2030cm，但保留中心一根钢丝，将中心丝穿入具有与锚具相似位置孔的牵引螺塞后镦头（图4.2.2），镦头直径大于牵引螺塞孔的直径，以满足整束穿束时拖动绞线平动的要求。牵引塞上各孔距略大于钢绞线直径，镦头后的整束钢
46、绞线（图4.2.3）通过牵引螺塞和螺旋套连接（图4.2.4），牵引螺塞外径和螺旋套内径相同，均带有丝口，拧紧即可，螺旋套另一端由卷扬机上的钢丝绳牵引。绞线穿束前钢绞线端头（包括切割部分）须用胶带缠绕保护（注意牵引头缠胶带以前，应先用卷扬机牵引，使各绞线在镦头处长短一致），防止穿束过程中钢绞线端头散索。将牵引螺塞与螺旋套连接，螺旋套另一端由卷扬机上的钢丝绳牵引，穿束时由卷扬机缓慢牵引整束绞线平动完成整束穿束，这里要提醒绞线的出口端牵引方向与波纹管出口切线方向一致，进口端绞线也要与该端的波纹管切线方向一致。可利用转向滑轮，配之相应搭架，能满足此项要求，牵引端卷扬机只提供克服绞线移动的摩擦力（波纹管
47、内或外），若受场地限制可增加卷扬机来克服绞线重力。钢绞线牵引时应采用锚板边梳理边绑扎，绑扎间距宜为1.0m。在穿束过程中，注意对系统的保护。57图图4.2.1 疏编穿束示意图疏编穿束示意图 1.梳束板（或锚具）2.钢绞线 3.牵引螺塞 7.绑扎胶带 13.扎丝58图图4.2.2 整束穿束的牵引套整束穿束的牵引套59图图4.2.3 钢绞线的墩头钢绞线的墩头 60图图4.2.4 镦头后整束钢绞线及牵引头镦头后整束钢绞线及牵引头61图图4.2.5 牵引头和牵引套连接后牵引头和牵引套连接后62 3）对于分节段施工的连续梁桥和连续刚构桥，宜采用梳束板梳束。梳束板上各孔的大小略大于钢绞线直径，但也不易过大
48、，防止其在穿束过程中扭转与其它钢绞线缠绕。梳束板各孔的间距宜为2mm，并且各孔位应做好对应编号，其位置应与锚具安装孔位保持一致。梳束时，连接器周边带挤压套的绞线与梳束板之间钢绞线线形平顺，没有相互缠绕，对已梳理顺直的钢绞线可在远端进行逐段绑扎。梳束结束后，将绑扎好的整束钢绞线进行编号再穿束。由于梳束板比锚具轻巧，在预应力筋束较短的构件施工中，使用梳束板更加方便。4）在疏编穿束进行之前，预应力筋管道的安装一定要符合要求。管道在直线段应平顺，在曲线段应圆滑，接头两端与被接管交接处必须用密封胶带或塑料热缩管封裹，以防接缝处进浆堵塞管道，管道连接处应平顺。安装完毕后，应采取可靠措施，防止水或其他杂物进
49、入管道，特别是在浇筑混凝土时，一定要避免混凝土渗入管道，造成堵塞。施工单位按照疏编穿束工艺进行，在工艺实施过程中，疏束与穿束可分别同时进行，在熟练掌握后不仅不会耽误工期，还能大大提高工程效率，并消除各根绞线受力不均引起的滑丝、断丝等事故。634.2.2 疏编穿束实例疏编穿束实例疏编穿束不当会严重影响各绞线受力的均匀性，见下表：646566经有效预应力进行检测控制，采用整束穿束的方法进行施工后，取得了明显效果，同束索力不均匀度大为改观，绝不会出现张拉中的断丝现象，检测数据见下表：67686970 分段张拉锚固的预应力束，由于受到梁段长度的限制，纵向预应力束普遍较短，分段张拉时用连接器接长预应力束
50、，各孔内绞线极易缠绕。这就对预应力束的疏、编、穿束工艺提出了更高的要求。根据我们现场观测，有些施工单位由于工期紧、施工难度大等原因，预应力束的安装没有严格按照规范要求的疏、编、穿束工艺执行（见图4.2.6），故不均匀性严重（见下表）。图图4.2.6 预应力施工现场预应力施工现场 7172 带挤压套的绞线在完成P型锚具（连接器周边槽）安装后必须逐根编号，套入锚具进行梳理，锚具各孔位也应做好对应编号，此位置应与锚具安装孔位保持一致。P锚与梳理锚具之间各绞线线形圆顺，不得有缠绕现象发生。同时应采用扎丝对已梳理顺直的绞线逐段绑扎，绑扎间距不宜大于1m。绑扎完毕的绞线方可依次安装罩壳、紧箍环和波纹管。为