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公路桥梁先张预应力空心板梁预制工法

前言
预应力空心板梁是公路桥梁采用的主要梁式结构之一。8～20m跨径早已形成标准系列，而28～30m大跨径空心板梁也在逐年增加，并有进一步推广的趋势。由于先张法大跨径空心板梁，具有重量轻、便于架设、同时能够制作若干块的特点，从而进度快、质量易监控，在公路建设的大跨度桥梁中必将得到更加广泛的应用。随着我局公路市场的不断扩展，大跨径先张法空心板制作标准化更具有现实意义。本工法是中铁隧道集团二处在云南元磨高速公路大桥先张法空心板梁制作过程中，经过探索、总结、提高形成的。从场地布置梁板程序化生产、存放及梁板内外质量等方面均得到了业主的好评，取得了较好的社会效益和一定的经济效益。
一、工艺原理
先张法是在张拉台座上绑扎底板和腹板钢筋、穿设失效管、钢铰线的前提下，首先张拉预应力钢铰线，达到要求的控制应力或伸长值后，用夹具将预应力钢铰线临时固定、立模、绑扎顶板钢筋，然后浇筑混凝土，待混凝土达到一定的强度（一般不低于设计标号的75%）后，放松预应力钢铰线，通过混凝土和预应力钢材间的粘结力，使混凝土构件获得预压应力，从而提高了构件的抗裂性、耐久性、刚度。
二、工法特点和关键技术
1、可以同时制作若干片梁，一般以3～4片为宜。
2、采用混凝土一次浇筑成型，无工作缝，梁板结构整体性好。
3、合理的场地布置，形成平行作业施工，既节省了模具，又加快了施工进度。
4、模板制作，安装简单：边模可改为中模使用，且循环使用，成本低。
三、适用范围
30米及以下跨径的先张法预应力空心板梁，对预制场集中预制和现场就地预制均能适应。
四、施工工艺流程
先张法空心板梁施工工艺程序见图1。
五、施工要点
5.1梁场布置
根据工期、地形条件、工程规模、梁板型号等因素合理确定台座或梁槽数量，既能满足工期要求，又能节约成本为宜，为架梁方便宜靠近桥位。
5.2模板工程
5.2.1空心板断面尺寸（参见图2～图5）
5.2.2底模
5.2.2.1采用与梁等宽145cm钢板，厚2mm，在台座制作时固定在梁槽底板混凝土上。
5.2.2.2梁槽混凝土底板即为梁体底模，但在使用前，须由打磨机磨光，且经监理验收认可并涂隔离剂与板梁混凝土隔离。以上两种方法在实际施工中均得到了应用，前者成本较高，但清理工作量小，使用相对方便、简单。
整修后进入下一循环
施工准备
底模涂隔离剂
台座清理
底腹板钢筋安装
钢筋、钢铰线检查
逐根初次张拉
整体张拉
测量15~30%伸长值
测量15~100%伸长值
伸长值比较
定内、外模
浇筑混凝土
混凝土养护
拆外模
钢筋加工
钢铰线加工
定期校核千斤顶
不合格
超张
未满足要求
混凝土生产
制作混凝土试块（三组）
合格
满足
台座制作
千斤顶油压表标定
材料检验
技术方案审批
混凝土配比确定审批
机械料具准备
技术安全学习培训
布设钢铰线
制作封端混凝土试件
压试块
整体逐步放张
吊装出槽存放
成品检查编号
切断预应力钢铰线
拆内模
铰缝凿毛
浇筑封端混凝土

图1 先张法空心板梁施工工艺流程

图2 中板断面图 图3 边板断面图

图4 中板钢筋断面图L-30米 图5 边板钢筋断面图L-30米
5.2.3外模：采用大块钢模板，应具有足够的刚度和平整度，接缝严密不漏浆。当桥梁位于曲线上时由于每片梁的内外边长，梁长及挑檐长度不等，可采用如下解决办法。
5.2.3.1以全桥最短梁的最短边作为基本模板长，然后根据不同的梁长，特制小块模板，在中部拼装以满足不同的梁长。
5.2.3.2梁两端的倾角，用木板钉铁皮在堵头内按所设计的倾角制成，其平面示意图见图6

图6 模板堵头示意图
5.2.3.3挑檐制作时按最大挑檐长（emax）制成一个固定长的悬出部分，不同的挑檐长度用木块（钉铁皮）固定在悬出部分调节，平面及立面示意图见图7、图8。

图7 平面示意图图 图8 立面示意图
5.2.3.4侧模强度的检算
在混凝土浇筑V/T≤0.035时，侧模板强度可按下式计算。
σ=（1/4）K×r×（0.22+24.9×V/T）×B×L2/1000Wxj≤［σ］=205Mpa
式中： K:外加剂影响修正系数(一般取1.2) r:混凝土比重(KN/m3,一般取2.4KN/m3)
v：混凝土浇筑速度（m/h） T：混凝土入模温度（℃）
L：模板长度（cm） B：模板宽度（cm）
Wxj：钢模板净截面抵抗矩（cm），在《组合钢模板技术规范》中查找
σ：钢模板应力Mpa
5.2.3.5侧模度挠度计算
fmax=kr（0.22+24.9V/T）×BL4/384EIxj≤［f］=1.50mm（当V/T≤0.035时）
式中： fmax：钢模板最大挠度（mm） E：钢模弹性模量（2.06×108kpa）
IxJ：模板加助的截面惯性矩（mm4），可在《组合钢模板技术规范》中查找
其它字母含义同5.2.3.4
当经5.2.3.4、5.2.3.5检算合格后，钢模板即可使用。
5.2.4内模
5.2.4.1采用钉铁皮木板拼装而成，当在曲线上时，内模长度和两端倾角解决办法和外模一样，在场外拼装每节4m，抬入台座内整体安装一次就位。
5.2.4.2用3mm钢板制作L50×50×4mm角钢加固5m，整体吊装入模。
5.2.4.1、5.2.4.2两种形式在实际中均可使用，但采用5.2.4.1方法成本低，也较简便。其结构示意见图9、图10。
5.2.5 台座
先张法预应力梁的张拉台座，采用框架式台座，张拉端及锚固端用工钢制作。其台座、横梁所用工钢型号，应根据施加的预应力的大小及台座位置的土质情况验算，以保证张拉台座在受力后不倾覆、不移动、不变形。
梁槽的数量根据场地大小及工期要求确定，一般在2～4个为宜，以便形成平行作业施工的格局，其结构布置见图11。
5.2.6立模顺序：在钢筋绑扎完毕后，先立外模、后立内模，待梁体混凝土浇筑完毕后立封端混凝土模板。
5.3钢筋工程：先绑扎底腹板钢筋，后绑扎顶板钢筋，梁体钢筋制安在工艺上均无特殊之处，按规范要求施工即可。
5.4张拉工艺
5.4.1钢铰线的装卸、运输、存储与制作。

图9 木板内模示意 图10 钢内模示意

图11 台座布置示意图(单位：CM)
5.4.1.1钢铰线采用三链条等距离吊装，每次吊装一件，应避免碰撞、挤压。
5.4.1.2运输和存储：注意防锈、防腐蚀、防损伤，堆放一般情况下不宜超过三层。
5.4.1.3钢铰线制作
5.4.1.3.1钢铰线下料长度由下式计算确定：
L总=（L0/1+R-δ）+n1L1
其中：L0=L+L2+L3+（30-50）mm L总：钢铰线下料总长
L0：钢铰线的计算长度 L台座长度（包括横梁，定位板在内）
L1：每个对焊接头的预留量（一般为钢铰线直径）
L2：锥形夹具的长度（一般为55mm） L3：千斤顶长度
R：钢筋冷拉拉长率（由试验确定） δ：钢筋冷拉后的弹性回缩率（由试验确定）n1：对焊接头数量
5.4.1.3.2钢铰线切断
在穿设钢铰线及移梁前，必须采用Φ300mm砂轮机切割，切口时两侧各3～5m处用铁丝绑扎牢固，切断后的钢铰线应编号标识。
5.4.1.3.3穿设钢铰线时，中心位置误差≤±5mm，失效长度误差≤±20mm。钢铰线技术参数见表1。
钢 铰 线 技 术 参 数 表 表1
项目
标识
钢铰线结构
公称直径（mm）
允许偏差
强度级别（Mpa）
截面面积
最大负荷（KN）
中国
1×7
15.24
+0.40～0.20
1860
140
260
5.4.2张拉前的准备工作
5.4.2.1钢铰线应经过检测且合格。
5.4.2.2油表、千斤顶校正系数不大于1.05，且定期校正（周期一般为一个月）
5.4.2.3对钢铰线、锚具、夹片进行外观检查且合格。
5.4.2.4经监理工程师许可且已到现场。
5.4.3张拉工作原理
5.4.3.1在被动端采用YDC240Q-200型小千斤顶逐根进行预应力调整，调整值为15%σkA。［σk——控制应力；A——钢铰线净截面面积］
5.4.3.2开动主动端两个千斤顶（YD400A-500型），整体张拉。
5.4.3.3若行程不够时，则可拧紧主动端承力架锚板之锚固螺母使之受力，这样千斤顶回油，张拉承力架后退，或在千斤顶前加垫钢板，再开动千斤顶张拉，至达到设计要求。
5.4.3.4达到设计要求后，紧固两端丝杆（Ф120mm），千斤顶回油，可进行其它梁槽钢铰线张拉。
5.4.3.5待封端混凝土达到设计强度的75%时，安装千斤顶且顶到原锚固油压，可松动主动端锚固螺栓，然后靠千斤顶缓慢放松。
5.4.4张拉程序：其分三阶段进行。
O→初始应力δk×15%→100%δk（持荷2min）→δk（锚固）
5.4.4.1初应力调整
N初=Aδk×15% 压力表读数为：Y1=a1+b1N初
在被动端用YDC240Q-200型千斤顶根据压力表读数控制张拉力，逐根对称调整。
5.4.4.2整体张拉
N整=nAδk
压力表读数为：在张拉端用两台YD400A-500型千斤顶同步顶进张拉，各承担张拉力的50%，至压力表达控制读数时，持荷2min后进行锚固。
Y2=a2+b2N整
5.4.4.3终止张拉的标准
对于先张法预应力空心板梁，张拉结束标准采用伸长值和张拉力双控，但以伸长值控制为主，伸长量误差在10%～50%的范围。即：当实测伸长值达到理论伸长值时，即使未达控张张拉力也可终止张拉，若已达控张张拉力而未达到理论伸长值，仍须继续张拉，但张拉力不得超过控制张拉力的105%，即最大张拉力Nmax=nAδk×105%。
理论伸长值按公式ΔL1=δkL/E计算，实侧伸长值分两阶段进行：ΔL实=ΔL1+ΔL2
注：N初、N整——初始或整体张拉力（KN） A——钢铰线净截面面积（单根为140mm2）
δk——控制应力（Mpa） δy——钢铰线标强抗拉强度（Mpa）
y——压力表读数（Mpa） a、b——千斤顶使用曲线常数（由试验确定）
n——钢铰线根数 L——钢铰线受拉长度（m）
ΔL实——实测伸长值（mm） ΔL——理论伸长值（mm） E——钢铰线弹性模量（Mpa）
ΔL1——张拉应力为δk×15%～δk30%时的伸长值（规范规定：初始伸长值按相邻张拉力阶段的伸长值为准）
ΔL2——张拉应力为δk×15%～δk100%伸长值
5.4.4.4整体放张
当封端混凝土达到设计强度的75%时，即可整体放张（混凝土强度以所取试块强度为准）。分四次进行：δk×40%→δk×30%→δk×20%→δk×10%，且最后一次放张在5分钟内缓慢进行，并做好予拱度。压缩量的测量记录四次放张预应力及油表读数计算方式与整体张拉相同，故略。钢铰线整体张放平面示意参见图12。

图12 放张平台平面示意图
注：油压千斤顶在两个梁槽间交替使用
5.5混凝土工程
5.5.1材料与施工配合比
空心板梁混凝土设计强度较高（≥С40），原材料相应要求也较为严格，压碎值、砂率、水泥用量及标号、骨料粒径必须符合设计和规范要求，因空心板配筋较多对混凝土和易性也有一定的要求，必要时适量需掺加外加剂，因此混凝土配合比要提前认真选定，审批后方可使用。
5.5.2混凝土拌制：特别提醒，用于空心板梁的混凝土生产，必须采用自动计量系统，以达到准确计量骨料，严格按配合比施工的要求，从而保证混凝土的强度。
5.5.3施工方法：一次浇筑成型，人工下料倒入振捣器振捣。混凝土提升通过混凝土作业平台上小型卷扬机完成。
5.5.4混凝土灌筑
分层连续进行，平行推进，首先浇筑底板，在空心板腔内人工振捣，且逐段安设底板内模，腹板梁随底板进行（不得超过底板混凝土的初凝时间），最后浇筑顶板。
5.5.5混凝土养护
5.5.5.1在顶板混凝土浇筑30～60分钟用湿麻袋覆盖，避免阳光直射。
5.5.5.2混凝土初凝后开始洒水养护，洒水间隔时间以保持混凝土潮湿为宜，连续洒水养护一般为7～10天。
5.5.6内、外模拆除
在混凝土强度达到2.5mpa时，即可拆除内、外模板，模板拆除后，铰缝处及时凿毛。
5.5.7封端混凝土施工
封端混凝土施工前，应清洗相应部位并凿毛绑扎封端混凝土钢筋，并浇筑混凝土。
5.5.8板梁的吊起存放
放张后应立即移梁出槽，并做好编号及标识，移梁由龙门架起吊，经运输至梁场，按要求存放。
5.5.9施工注意事项
5.5.9.1所有张拉受力构件，如丝杆、锚固螺母、锚具等要定期检查。
5.5.9.2千斤顶、油泵、压力表每隔一个月须配套校验，且千斤校正系数≤1.05,确保其工作性能。
5.5.9.3在整张整放过程中，梁槽两端及槽内禁止站人且保持同步加载或卸荷。
即每隔10秒千斤顶操作人员同时报压力表读数，若有偏差及时调整且监听人员和监控人员协助进行。
5.5.9.4应力放松时必须用千斤顶缓慢放松，只有完全放松后才能切割钢绞线。
5.5.9.5.每一截面的断丝率不得大于该截面钢丝数的1%，且不允许整根钢绞线拉断，否则更换。
5.5.9.6板梁堆放场地应平整、夯实，必要时进行加固避免地面下沉导致梁体断裂及损坏，且采用四点堆放，支承块顶面误差在同一平面内，误差不大于2mm（参见图13）。

图13 梁板堆放示意
5.5.10防裂缝措施
5.5.10.1按设计要求设置失效段。
5.5.10.2顶板钢筋网必须按要求施作。
5.5.10.3整体放张时，必须设3～4人观察板梁变化，严格控制放张速度。
5.5.10.4存梁时，必须达到要求的标准。
5.5.11预拱度控制
5.5.11.1计算预拱度并与实际值比较，查找原因与设计方协商及时调整。
5.5.11.2混凝土准量计量施工，从而保证强度。
5.5.11.3严格控制放张时间，不得提前放张。
5.5.11.4控制最大张拉力，满足伸长值后不可再张拉力。
六、机具设备表（参见表2）
机 械 设 备 配 备 表 表2
序号
机械名称
规格型号
单位
数量
备注
1
千斤顶
YDC240Q-200
台
1

2
千斤顶
YDG400A-500
台
2

3
油泵
ZB4-500
台
2

4
混凝土搅拌机
JS-500
台
1

5
搅拌机
JDY-350
台
1
备用
6
电力变压器
S9-315/10
台
1

7
配料机
PLD-800
台
1
三料斗
8
发电机
50KW
台
1
备用电源
9
弯曲机
Ф25
台
1

10
钢筋切割机
300
台
2

11
捣固捧
50cm
台
2～3

12
捣固捧
30cm
台
2～3

13
龙门吊
60T/5T
组
1
自制组装
14
卷扬机
2T
台
2

七、劳力组织
劳动力配置多少和梁槽配置形式由工期决定，若制梁片数多可以形成工厂化流水作业。
7.1工厂化作业梁槽布置形式
7.1.1梁槽个数3～4个，根据场地大小而定。
7.1.2梁槽长度，一般控制在100米以内，具体长度应根据梁长而定，尽可能布置紧凑，节省钢铰线（30米空心板梁3片槽长为98米）。
7.2工厂化作业的劳动组织按两个梁槽，每槽3个计，劳动力配备情况参见表3。
工 厂 化 制 梁 劳 动 力 配 备 见表3
顺序
班别
人数
工作内容
1
钢筋班
6人
钢筋制安
2
混凝土班
12人
混凝土生产与浇筑
3
张拉班
4人
张拉操作、监控、记录
4
木工班
4人
立、拆模、整修、凿毛
5
机械班
2人
机械维修及操作
6
综合班
6人
钢铰线安制、梁槽清理、移梁
7
管理人员
6人
工程师3人（预应力、钢筋工程师各1人、机械工程师1人）；安全、质检、试验员各1人
合 计
40人

7.3制梁速度最高90片/月（四梁槽，每梁槽制3片）
八、质量标准和安全措施
8.1质量标准遵循现行《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-89）P163～P165相关规定。
8.2安全措施
施工过程中除应严格遵守国家和部分颁发有关施工安全技术规则外，还应注意以下事项：
8.2.1编制安全操作规程，分发到工班逐条学习，认真执行。
8.2.2张拉端设安全防护栅及警示牌。
8.2.3张拉、起重、移梁、吊梁等作业设专人指挥，严格程序作业。
8.2.4张拉过程中，速度控制相当关键，以防钢铰线突然断裂而伤人，因此在横梁前必须设置防护栅。
九、经济效益
9.1先张法空心板梁一般均比后张梁较轻，且空心板梁与T型相比较低，从而减少了桥台土石方开挖数量而节省投资。
9.2由于先张法空心板梁可以同时制作若干片梁具备工厂化生产的条件，因此大批量生产从而进度快，且使用周转材料，因此成本较低。
十、工程实测
元磨高速公路第九合同段有2座大桥，4座中桥，2座小桥，包含了30m、28m、20m、13m空心板梁，均采用先张法。结合龙门吊配置合理安排搅拌场地，由龙门吊移梁，混凝土作业平台起吊混凝土，共设两个梁槽，长98米、形成了流水作业的格局。产品优良率95%，合格率100%，得到了业主的好评。并由业主组织有关制梁单位参观学习。
施工中采用施工配合比为：水泥（625#）∶砂：碎石∶水∶高效减水剂（FDN）为1∶1.45∶2.81∶0.41∶0.006；坍落度为：40mm；水泥用量为：500kg；在施工中从未发生质量及安全事故。