客运专线箱梁预应力施工工法.doc

客运专线箱梁预应力施工工法
作者单位：中交一公局
作者：XXX
一、 前言
目前，铁路客运专线大规模采用后张法预应力混凝土双线整孔简支箱梁作为主型梁。箱梁体积大、梁体重，为单箱单室梁，梁端顶板、底板及腹板局部向内侧加厚。客专箱梁具有刚度大、抗冲击力强、稳定性好、噪声小、便于维护保养等优点，但同时也具有结构复杂、工艺新颖、技术含量高、施工控制标准高等特点。不仅要保证高速运行的安全性，更重要的是要确保乘车的舒适性，桥梁结构以刚度控制为主，必须有足够大的竖向、横向刚度和良好的整体抗扭性，防止桥梁出现较大挠度和横向振幅。
在铁路客专箱梁预制中要求钢筋、模板、混凝土及预应力四大工序控制规范化、标准化、数据化。其中预应力施工是四大工序控制中的重中之重，客专箱梁后张预应力混凝土技术是通过橡胶抽拔棒抽拔成孔、穿筋、三阶段张拉、真空辅助压浆等工序为混凝土结构建立预应力体系满足设计要求。通过铁路客运专线后张预应力混凝土箱梁工程实践总结形成本工法。
二、 工法特点
（一）客专后张法预应力混凝土箱梁采用的橡胶抽拔棒抽拔成孔技术，既避免了波纹管的运输保管，又保证了成孔质量，还能降低工程造价。
（二）客专后张法预应力混凝土箱梁采取带内模预张拉，防止了箱梁早期裂缝的出现；初张拉吊出台位，提高了预制效率。
（三）张拉架设计合理，既方便施工，又降低劳动强度，提高工作效率。
（四）客专箱梁孔道压浆采取真空辅助压浆工艺，保证了孔道浆体密实度。
（五）客专箱梁梁体封锚混凝土采用C50干硬性补偿收缩混凝土，锚具、锚垫板、及外漏钢绞线采用聚氨酯防水涂料处理，设置钢筋网，封端后梁端底板及腹板满涂聚氨酯防水涂料进行防水处理。
三、 适用范围
本工法适用于铁路客运专线后张法预应力混凝土双线简支箱梁，其它土木工程中的后张法预应力混凝土构件可参照使用。
四、 工艺原理
在预制箱梁时，按设计要求预留出相应的孔道，待构件混凝土达到设计规定的数值时，穿入预应力钢绞线，用张拉机具进行张拉，并用锚具把张拉后的预应力钢绞线锚固在构件的端部。预应力筋的张拉力主要靠构件端部的锚具传给混凝土，使其产生压应力。张拉锚固后，在预留孔道内注入水泥浆，使预应力钢绞线不被锈蚀，并与构件形成整体，增加了构件刚度，有效的控制了构件的抗裂度。
五、工艺流程及施工要点
（一）工艺流程
预应力筋进场检验
预应力筋下料、编束
抽拔棒安装
混凝土浇注
拔抽拔棒
孔道清理、穿束
砼强度60%松动内模预张拉
砼强度80%初张拉，提梁
砼强度、弹模、龄期三控终张拉
确定梁型
锚 具 检 验
张拉设备按期标定
终张拉24h后切割钢绞线
终张拉48小时内进行孔道压浆
梁端封锚

预应力作业流程图
（二）施工要点
1.预留预应力筋孔道
箱梁底腹板钢筋绑扎时，按照预应力孔道坐标安装定位网片，定位网片钢筋使用Ф12钢筋在胎具焊接成型，定位网片安装间距50cm，与梁体钢筋焊接为一体，确保孔道位置正确平顺。每根孔道制孔采用的橡胶管分两段，每段长度为18米，中间接头位置外套铁皮管套接，套接长度不得小于30cm，并用胶带裹紧，防止漏浆。为保证橡胶抽拔管的刚度，从橡胶抽拔管中穿入钢绞线，并且胶管一端的钢绞线穿入另一端胶管的长度保证不小于1m。孔道位置允许偏差距跨中4m范围内≤4mm，其余≤6mm。见图1。

图1橡胶抽拔棒安装预留预应力孔道

2.橡胶抽拔管抽拔成孔
混凝土浇注完成后，橡胶抽拔管抽拔时间以孔道不变形、塌孔、裂纹和无抽拔事故为准。一般以手按混凝土不留凹坑即可抽拔。据施工经验，混凝土邻近环境温度和抽拔时间关系如下：
混凝土浇注环境温度与抽拔成孔时间控制表 （表1）
环境温度（℃）
抽拔胶管的时间（h）
30℃以上
4
30℃～20℃
4～7
20℃～10℃
7～10
拔管时间“宁早勿晚”，利用卷扬机抽拔时，捆绑处用粗绳连接，防止损伤胶管；拔管后，及时清除锚垫板喇叭口内残余水泥浆和压降孔填塞物，及时检查孔道有无堵塞、塌孔，如有异常及时处理；损伤和直径小于设计4mm的胶管不能继续使用。见图2。

图2橡胶抽拔棒抽拔成孔
3.预应力筋下料
钢绞线进场检验合格后，运至下料场地，装入防止钢绞线松盘的防护笼内。在下料平台上直线定出下料长度（复核图纸设计下料长度是否满足L=L0+2(L1+L2+L3),其中L0—孔道长度，L1—锚具高度，L2—张拉千斤顶支撑端面到槽型口外端面间的距离（包括工具锚高度），L3—长度富余量（取10cm），若满足按设计长度下料。）并在下料场地两端设置固定标志，每端由专人负责；切断前预应力筋应拉直，用砂轮切割机切断，严禁使用电弧切割。
4.预应力筋编束
预应力筋应梳整、编束，每隔1—1.5m绑扎铁线，编束同时每根钢绞线进行编号以便出现滑丝、断丝现象时在两端找到相对应的同根钢绞线方便处理，编束后应顺直不扭转。编束后的钢绞线按孔道编号分类存放，并用支架垫起，不得与地面接触，端部悬出长度不得大于1.5m，漏天存放时需覆盖防雨布。
5.预应力筋穿束
钢绞线穿束前，对编束后的钢绞线进行复查：钢绞线长度、每束根数和编束的质量是否达到要求；并注意在搬运过程中钢绞线不得出现死弯、不得沾上油渍和泥土；同时应对锚垫板周围的混凝土质量进行检查，若存在缺陷，应采取相应的措施进行加固补强处理，确保预应力的有效性，穿束采用卷扬机牵引穿束，穿束时先将一根钢绞线穿过预应力孔道，用特制钢环将整束钢绞线以及牵引钢绞线套好，其中一根或两根钢绞线端部上夹片打入钢环内，打紧后使用卷扬机牵引整束钢绞线穿入预应力孔道。
6.预应力筋张拉
⑴ 张拉三阶段要求
客专箱梁预应力筋张拉分为三个阶段，即预张拉、初张拉、终张拉。预张拉应在梁体混凝土强度达到设计强度的60%(抗压强度30+3.5MPa)后进行，要求拆除端模，松动内模，进行带内模施工；以控制梁体早期收缩和温差裂纹，（见图3）

初张拉应在梁体混凝土强度达到设计强度的80%（抗压强度40+3.5MPa）后进行，完成后即可出坑。达到缩短制梁台座占用时间，提高了预制效率；终张拉是混凝土强度达到设计强度的100%(抗压强度50+3.5MPa)，弹性模量达到35.5GPa，龄期不少于10天时进行。
⑵ 张拉过程控制要求 图3 箱梁预张拉
张拉时要求两侧腹板对称张拉，最大不平衡束不超过1束，同束钢绞线由两端对称同步进行，张拉顺序按照设计要求进行，预施应力过程中两端司泵、量尺人员使用对讲机进行沟通，保证钢绞线两端伸长值基本相等，钢绞线实际伸长值与按预应力筋实际弹性模量计算的理论伸长值（预制梁试生产期间，至少对两件梁体进行预应力瞬时损失测试，确定预应力的实际损失，由设计方对张拉控制应力进行调整。正常生产后每100件进行一次损失测试。理论伸长值根据调整后的张拉控制应力计算。）相差不超过±6%,若超出范围，应查明原因，并采取措施予以调整，方可继续张拉。钢绞线回缩量每端不超过6mm。伸长值计算采用公式：
ΔL= pp×L/Ay×Eg ，
pp=p×[1-e-(kL+µθ)]/ kL+µθ
式中：ΔL—预应力筋理论伸长值，cm；
pp—预应力筋的平均张拉力，N；
L—从张拉端至计算截面孔道长度，cm；
Ay—预应力筋截面面积，mm2；
Eg—预应力筋的弹性模量，MPa；
P—预应力筋张拉端的张拉力，N；
θ—从张拉端至计算截面曲线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；（k取0.00174）
µ—预应力筋与孔道壁的摩擦系数。（µ取0.565）
其中k、µ值经管道摩阻、锚口和喇叭口摩阻测试取得。
张拉程序如下：
持续5分钟

① 预、初张拉：
0→初应力（0.2σcon）→σ预、初con 锚固
持续5分钟

② 未经预、初张拉的终张拉：
0→初应力（0.2σcon）→σcon 锚固
持续5分钟

③ 经过预、初张拉的终张拉：
0→初应力（σ预、初con）→σcon 锚固
张拉工艺如下：
工作锚具安装——千斤顶安装——千斤顶进油张拉——伸长值校核——持荷顶压——卸荷锚固 ——记录、计算实际伸长值——伸长值比较
钢绞线实测伸长值及钢绞线回缩计算方法：
① 每端张拉伸长值=总量距-起始距+控制应力下工具夹片外露—初始应力下工具夹片外露
② 初张拉实测伸长值=（A端张拉伸长值+B端张拉伸长值）*[控制应力/（控制应力-初始应力）]
③ 未进行预、初张拉的钢绞线终张拉实测伸长值=（A端张拉伸长值+B端张拉伸长值）*[控制应力/（控制应力-初始应力）]
④ 预、初张拉过的钢绞线终张拉实测伸长值=（A端张拉伸长值+B端张拉伸长值）+预、初张拉伸长值
⑤ 锚固时钢绞线回缩=（A端千斤顶限位板深度-A端工作夹片外露长度）+（B端千斤顶限位板深度-B端工作夹片外露长度）
张拉达到控制应力σcon时持荷5分钟，持荷期间千斤顶及时补油，保证达到设计张拉力，绝对杜绝超张拉。卸荷锚固完成后，在工作夹片外3cm处做标记，24小时检查是否有滑丝、断丝现象，检查合格后，即可进行锚外钢绞线的切割，切割处距锚具40—50mm。见图5。

图5张拉过程控制
7.孔道压浆
终张拉完成24小时切割钢绞线后，使用砂浆（掺入早强剂）对钢绞线及锚具间各部位的缝隙进行封堵，保证在终张拉完成后48小时内完成真空辅助压浆。
⑴ 浆体搅拌工艺
① 搅拌前，先清洗施工设备。清洗后的设备不应有残渣和积水等，
② 浆体搅拌操作顺序为：首先在搅拌机中先加入实际拌合水用量的80%—90%，开动搅拌机，均匀加入全部压浆剂，边加入边搅拌，然后均匀加入全部水泥。全部粉料加入后再搅拌2min；然后加入剩余的10%—20%的拌合水，继续搅拌2min。
③ 搅拌均匀后，现场进行出机流动度试验，每10盘进行一次检测，其流动度为18±4s，30min流动度不大于30s，满足要求即可进入储料罐。浆体在储蓄罐中应继续搅拌，以保证浆体的流动性。
④ 不得在施工过程中由于流动度不够额外加水。
⑵ 压浆工艺
压浆时，先进行孔道抽真空，孔道内的真空度稳定在-0.06MPa～-0.08MPa之间。真空度稳定后，就可以开始压浆。
① 浆体压入梁体孔道之前，应先开启压浆泵，使浆体从压浆嘴排出少许，以排除压浆管路中的空气、水和稀浆。当排出的浆体流动度和搅拌罐中的流动度一致时，方可开始压入梁体孔道。
② 压浆的最大压力不宜超过0.6MPa。压浆充盈度应达到孔道另一端饱满并于排气孔排出与规定流动度相同的浆体为止。关闭出浆口后，应保持不小于0.5MPa且不少于3min的稳压期。
③ 压浆顺序先下后上，同一孔道压浆应连续进行，一次完成。从浆体搅拌到压入梁体的时间不应超过40min。
④ 压浆过程中，每孔梁制作3组标准养护试件（40mm×40mm×160mm），进行抗压强度和抗折强度试验。并对压浆进行记录。记录项目应包括：压浆材料、配合比、压浆日期、搅拌时间、出机流动度、浆体温度、环境温度、保压压力及时间、真空度、现场压浆负责人、监理工程师等。
⑶ 特殊要求
① 浆体水胶比不应超过0.33。
② 配制浆体拌合物时，水泥、压浆剂、水的称量应精确到±1%（以质量计）。
③ 压浆时浆体温度应在5℃—30℃之间，压浆及压浆后3d内，梁体及环境温度不应低于5℃，否则应采取养护措施以满足要求。
④ 浆体常规检验项目：初凝时间不小于4h，终凝时间不大于24h，出机流动度18±4s，30min流动度不大于30s，24h自由泌水率为0，7d和28d抗压及抗折强度、24h自由膨胀率必须符合现行铁路桥梁技术标准。
8. 预应力端部封锚
孔道压浆完成后，及时剔除封锚砂浆，并对锚具、锚垫板表面及外露钢绞线用聚氨酯防水涂料进行防水处理，锚穴进行凿毛处理，漏出新鲜石子，并将灰渣及浮浆清理干净。锚穴钢筋网利用一端带钩一端带丝扣的短钢筋安装固定于锚垫板螺栓孔内，注意钢筋保护层厚度不小于3cm。经检查满足要求后安装模板，模板采用竹胶板制作，安装时在锚穴上端留8cm左右下料口用于填塞混凝土。封锚混凝土采用C50无收缩混凝土。灌注混凝土时用钢棒插捣，并用橡皮锤敲击振实，要求混凝土表面无蜂窝、麻面与梁端齐平。封端混凝土模板拆除后及时进行薄膜覆盖养护。养护结束后在梁端底板及腹板满涂1.5mm聚氨酯防水涂料进行防水处理。见图6。

图6锚具及钢绞线防水处理、锚穴钢筋网、梁端防水处理
六、材料与设备
（一）材料
1.预应力筋
预应力钢绞线采用1×7结构，抗拉强度1860MPa，公称直径15.2mm，截面面积140mm2，钢绞线性能应符合GB/T5224-2003《预应力混凝土用钢绞线》的规定。
2.预应力锚固体系
锚固体系采用自锚式拉丝体系，张拉锚具由夹片、锚板、锚垫板组成。锚具符合《铁路工程预应力筋用夹片式锚具、夹具和连接器技术条件》。
3.孔道成型材料
孔道成型材料为橡胶抽拔管抽拔成孔。其质量符合《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》，要求如下：
成孔胶管质量要求 （表2）
序号
检验项目
质量要求
1
外观
无表面裂口、表面热胶粒、杂质，痕迹长度不大于3mm，深度不大于1.5mm，每米不多于1处。
2
外径偏差
±4mm
3
不圆率
＜20%
4
拉伸强度
≥12MPa
5
扯断伸长率
≥350%
6
300%定伸强度
≥6MPa
7
硬度
邵氏A 型65±5
4.压浆材料
压浆用水泥采用低碱硅酸盐水泥或低碱普通硅酸盐水泥，强度等级不低于42.5级；压浆剂中不应含有高碱（总碱量不应超过0.75%）膨胀剂或以铝粉为膨胀源的膨胀剂。不应掺入含氯盐类、亚硝酸盐类或其他对预应力筋有腐蚀作用的外加剂。
5.防水涂料
防水采用聚氨酯防水涂料，要求使用除黑色以外的其他颜色，符合《客运专线桥梁混凝土桥面防水层暂行技术条件要求》，符合GB/T19250-2003的规定。
（二）机具设备（附表3）
1.下料机具
钢绞线下料采用砂轮切割机，不得使用电弧切割。
2.穿束设备
穿束使用5t及以上卷扬机，保证预应力筋成束穿入孔内。
3.张拉设备
张拉设备由穿心式液压千斤顶、高压电动油泵、压力表等组成。千斤顶吨位要求300t，压力表选用0.4级精密压力表，表盘直径150mm配套油表最大量程60MPa。压力表和千斤顶配套使用。
4.压浆设备
压浆设备由高速搅拌机、压浆泵、真空泵等组成。搅拌机的转速不低于1000r/min，桨叶的最高线速度限制在15m/s以内。桨叶的形状应与转速相匹配，并能满足在规定的时间内搅拌均匀的要求。我梁场采用电子计量JS-300型高速搅拌压浆台车，压浆机采用连续式压浆泵。其压力表最小分度值不应大于0.1MPa，最大量程应使实际工作压力在其25%—75%的量程范围内。储料罐应带有搅拌功能。
机具设备汇总 （表3）
序号
机具设备名称
规格型号
数量
产地
1
砂轮切割机
JSG4-400
2台
上海仪丰
2
卷扬机
5t
4台
温州特益
3
穿心式液压千斤顶
YDCW-3000B
16台
吉林四平力拓
4
高压电动油泵
2YBZ2-55
16台
吉林四平力拓
5
精密油压表
0.4级
16块
西安西仪华山
6
高速搅拌压浆台车
JS-300
2台
无锡华群
7
压浆泵
SQG45A
2台
吴桥山泉
8
真空泵
MBV80
2台
吴桥山泉
备注：按日产两片梁所需要设备
七、劳动力组织
橡胶抽拔棒安装及抽拔成孔由钢筋施工班组负责，每班由12人组成。钢绞线下料、穿束及张拉压浆由专业班组负责，每班钢绞线下料、穿束由10—13人组成；预应力筋的张拉施工，每套张拉设备配置张拉作业工8人；预应力筋的压浆施工，每套压浆设备配备压浆作业工6人。梁端封锚由混凝土班组负责，一般由10—12人组成。
八、质量要求及控制
（一）质量要求
除符合《混凝土结构设计规范》、《客运专线铁路桥涵工程施工技术指南》、《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》及《铁路混凝土工程施工技术指南》等有关规定及设计文件要求外，尚应符合下列规定：
⒈ 预应力混凝土用钢绞线应符合国家标准《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224—2003的规定。
⒉ 预应力锚具应符合现行国家标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》GB/T14370—2000和《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》JGJ85—2002的规定。
⒊ 聚氨酯防水涂料应符合国家标准《聚氨酯防水涂料》GB/T19250—2003的规定。
⒋ 箱梁预应力过程控制检验质量要求：见（表4）
预应力主要控制过程检验质量要求 （表4）
序号
检验项目
指标要求
检验频次
1
预应力管道摩阻和喇叭口摩阻
根据摩阻试验结果调整锚外张拉控制应力
每批不大于100片预制梁
2
预应力筋实际伸长值
0.94～1.06倍理论伸长值
每束预应力筋
3
压浆前管道真空度
-0.06～-0.08MPa
每个孔道
4
稳压时管道浆体压力
0.5～0.6MPa
每个孔道
（二）质量控制措施
⒈ 根据设计文件要求编制详细的施工方案，严格按技术要求进行施工，每道工序合格后，方可进行下道工序作业。
⒉ 所有进场材料应具有制造厂家合格证说明书或检验报告单，且必须按规定复验合格后方可使用。
⒊ 橡胶抽拔管位置、锚垫板安装、钢绞线下料编束的质量有专人检查，严格控制其尺寸偏差及安装情况，确保钢绞线位置准确，为张拉控制的准确、科学和有效奠定基础；
⒋ 加强张拉过程质量控制，严格控制张拉时混凝土强度、弹性模量和龄期。 在终张拉前进行孔道摩阻的测试，根据实测孔道摩阻，由设计单位调整张拉值。坚持“以应力控制为主，伸长量作为校核”的双控标准。张拉作业时应保证千斤顶、锚具和预留孔道中线同心，张拉时严禁滑断丝，张拉后每端钢绞线回缩量不大于6mm，同束工作锚夹片外露量差值不超过2mm，错牙量控制在1—2mm；位于同一侧钢绞线伸长值差值不大于10%
⒌ 严格遵守千斤顶与油压表配套定期检验制度，张拉千斤顶检测标定有效期不得超过一个月或张拉作业200次，并且必须配套使用，同时压浆作业相关的仪表也应定期标定。
⒍ 孔道压浆时严格按照工艺中的过程要求施工，施工控制时应注意出浆口不易饱满，时常有一段空气段存在出浆口处。造成空气段的原因是在压浆过程中出浆口是负压，在压满的一瞬间，管道内有一部分气泡存在，在保压的过程中，这些气泡有可能上升到出浆口，形成空洞，给人一种压浆不饱满的假象。采取的控制方法是在保压完成后，再将出浆口打开，放掉空气再保压。
⒎ 认真做好施工原始记录。
九、安全及环保措施
预应力施工操作人员在用电及机械使用时除应遵守《施工现场临时用电安全技术规范》JGJ80-91及《建筑机械使用安全技术规程》JG533-2001的有关安全规定外，尚应遵循以下安全措施：
（一）坚决贯彻执行“安全第一，预防为主”的方针，把安全工作贯彻到施工生产全过程。
（二）建立健全以各级领导为首的安全保证体系，实行安全生产责任制。
（三）加强安全生产教育，认真组织施工人员进行安全学习，提高全员的安全意识，不断提高安全措施。
（四）张拉预应力筋时其周围及两端应有完善的防护措施，并设置明显的警示标志，非作业人员不得进入作业区域。操作人员不得站在张拉千斤后，以免飞锚伤人。高压油管接头要紧密，要随时检查，防止高压油喷出伤人。
（五）用砂轮切割机切割预应力筋和压浆作业时，作业人员要佩戴防护眼镜和口罩等防护用品。
（六）特殊工种教育培训率达100%，持证上岗率达100%。
十、经济效益分析
（一）客专箱梁后张法预应力混凝土箱梁初张拉后吊出台位，缩短了台座占用时间，加快预制速度，一般初张拉在混凝土龄期５天时进行，而终张拉最快在砼龄期10天时进行，按12套制梁台，630榀箱梁计算节省工期262工作天；
（二）真空辅助压浆保证了孔道浆体密实度，有利于满足客专箱梁100年的使用寿命；
（三）梁端封锚采用聚氨酯防水处理，防止锚具及钢绞线受到锈蚀削弱锚具的锚固能力，保证了梁体的结构安全；
（四）使用橡胶抽拔管成孔，反复使用可达200次，每套成本：18米/根×54根/套×140元/米＝136080元/套，拔200片橡胶抽拔管人工机械成本：200片×3个工日/片×70元/工日＝42000元；每米成本合计：（136080＋42000）÷200÷32÷27＝1.05元/m，而塑料波纹管约8元/m，按630榀箱梁计算节省（8－1.05）×32×27×630＝378万元。
十一、工程实例
哈大铁路客专XX标XX制梁场，总工程量预制箱梁630榀，其中32.6m箱梁628榀，23.6m箱梁2榀，全部采用后张法预应力预制施工。梁场于2008年8月下旬开始正式生产，截至目前使用本工法已预制96榀，两榀箱梁经过静载试验全部合格。