公路工程先张法梁板预制解析

在我国，30 m以下跨径多采用先张法，预应力钢束采用直线布置，且主要用于小跨径预应力混凝土空心板梁中。随着弯起器的应用，在先张法预制梁板中也出现了折线形预应力筋的配置情况。

先张法的制梁工艺是在浇筑混凝土前张拉预应力筋，将其临时锚固在张拉台座上，然后立模浇筑混凝土，待混凝土达到规定的强度时，逐渐将预应力筋放松，这样就因预应力筋的弹性回缩通过其与混凝土之间的黏结作用，使混凝土获得预压应力。

先张法梁板预制施工工艺流程见图7.2。

图7.2　先张法预制梁板施工工艺流程

1）预制台座建造

台座是先张法施加预应力的主要设备之一，它承受预应力筋在构件制作时的全部张拉力。张拉台座必须在受力后不倾覆、不移动、不变形。

（1）台座的类型

①墩式台座。墩式台座是先张法预应力构件应用最为广泛的一种台座形式（图7.3）。墩式台座靠自重和墩后的被动土压力来平衡张拉力所产生的倾覆力矩，并靠台座与其基底土壤间的摩阻力和反力抵抗水平滑移，适用于总张拉力为1000～2000 kN的张拉。在地质情况良好、台座张拉线较长的情况下，采用墩式台座可节约大量混凝土。

②基桩式台座。基桩式台座主要由基桩、横梁和台面等组成（图7.4），主要用桩的抗水平承载力来抵抗拉力。

③压杆式台座（框架式台座）。压杆式台座主要由压杆、横梁、台面组成（图7.5）。它既可以承受钢筋张拉时的反力，又可以作为构件采用蒸汽养护的养生槽。压杆主要承受预应力张拉时的反力，一般用钢筋混凝土整浇而成。对于公路工程施工，由于预制场是临时性的，所以最好采用装配式的压杆，装配式的压杆可用钢管、钢箱等制成。这样便于拆除运输和重复使用，也便于按照地形条件、构件长度和工艺要求而改变台座长度。

图7.3　墩式台座示意图

图7.4　基桩式台座示意图

图7.5　压杆式台座示意图

墩台式台座、基桩式台座和压杆式台座的性能见表7.1。在实际施工过程中应根据工程结构、工程环境及工期要求进行合理选择，不拘泥于常规的台座形式，并在满足台座强度、刚度、稳定的前提下创新设计其他轻型结构，如薄壁轻型、组合型等。

（2）台座构造

①底板（台面）。底板作为预制构件的底模，要求平整、光滑。一般采用在夯实平整的土基上浇筑5～8 cm厚的C15～C20素混凝土，每隔10～20 m留伸缩缝。其宽度由制作预应力构件的宽度决定，对底板要采取可防止沾污铺放在台座上的预应力筋的措施。模板隔离剂应选用非油质类的。

②承力架（支承架）。承力架为台座的主要受力结构，是台座的支承架。它要求承受全部张拉力，制造时要保证承力架变形小，经济、安全、便于操作。承力架形式很多，如框架式、墩式等。

③横梁。横梁是将预应力筋的张拉力传给承力架的横向构件，常用型钢或钢筋混凝土制作。其断面尺寸由横梁的跨径、张拉力的大小决定，并应保证刚度和稳定的要求，受力后挠度应不大于2 mm。

表7.1　先张法张拉台座性能对比表

④定位板。定位板用来固定预应力筋，一般用钢板制成，连接在横梁上。它必须保证承受张拉力后，具有足够的强度和刚度。孔的位置根据梁体预应力筋的位置设置，孔径比预应力筋大2～4 mm，以便穿筋。

⑤固定端装置。用于固定力筋位置并在梁预制后放松力筋，它设在非张拉端，仅用于一段张拉的先张台座。

2）预应力筋安装

预应力筋（钢绞线）按计算长度切割，在失效段套上塑料管，放在台座上，线两端穿过定位钢板。卡上锚具，用液压千斤顶单束张拉，先张拉中间束，再向两边对称张拉。

3）普通钢筋制作及安装

普通钢筋制作及安装要求参照第5章5.2.2节。

4）预应力钢筋张拉

（1）确定张拉方法

先张法通常采用一端张拉，另一端在张拉前要设置好固定装置或安放好预应力筋的放松装置，但也有采用两端张拉的方法。

先张法张拉预应力筋，分单根张拉和多根张拉，以及单向张拉和双向张拉。单根张拉设备比较简单、吨位要求小，但张拉速度慢，张拉顺序不应使台座承受过大的偏心力。多根张拉一般需有两个大吨位千斤顶，张拉速度快。数根预应力筋同时张拉时，必须使它们的初始长度一致，张拉后每根预应力筋的应力均匀。因此，可在预应力筋一端选用螺丝杆锚具和横梁、千斤顶组成张拉端，另一端选用墩粗夹具为固定端，这样可以利用螺丝端杆的螺母调整各根力筋的初始长度。如果预应力筋直径较小，在保证每根预应力筋下料长度精确的情况下，可两端采用墩粗夹具。

（2）张拉设备的选用

桥梁工程中通常采用液压拉伸机作为预应力的张拉设备，它由千斤顶和配套的高压油泵、压力表及外接油管组成。施工时必须根据构件特点、张拉锚固工艺情况及预应力筋的规格和根数等情况选用张拉设备，一般主要选择适宜的张拉吨位及压力表。

①张拉设备需要的张拉力。为保证预应力筋张拉工作安全、可靠和准确，所选用张拉设备的张拉力应大于预应力筋的张拉力。预应力筋张拉力的计算方法按照公式（7.1）计算。

式中　Ny——预应力筋的张拉力，kN；

σcon——预应力筋的张拉控制应力，MPa；

Ag——每根预应力筋的截面面积，mm2；

n——同时张拉的预应力筋的根数。

1.03～1.05——超张拉系数，不超张拉时为1.0。

指预应力筋张拉后锚固前，张拉预应力筋的千斤顶显示的总拉力除以预应力筋截面积所得的预应力筋应力值。《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50—2011）指出，σcon包括预应力损失值。设计文件对σcon有规定时，采用设计值。无规定时，对于消除应力钢丝、钢绞线，σcon=0.75 fptk；对于中强度预应力钢丝，σcon=0.70fptk；对于预应力螺纹钢筋，σcon=0.85fpyk。fptk为预应力钢丝、钢绞线极限强度标准值，fpyk为预应力螺纹钢筋屈服强度标准值。

张拉设备的张拉力应有一定的富余量。根据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50—2011）的规定：“张拉千斤顶的额定张拉力为所需张拉力的1.5倍，且不得小于1.2倍。”即：

式中　F——张拉设备所需要的张拉力，kN。

②油压千斤顶的作用力。油压千斤顶的作用力一般用压力表测定和控制，压力表的指示读数为油缸内的单位油压。理论上，将其乘以活塞面积即为千斤顶的作用力。

压力表上的读数反映预应力千斤顶工作活塞上单位面积所承受的压力，正确掌握油压大小才能保证正确的张拉力和生产的安全。压力表读数与张拉力的关系参照公式（7.3）。

式中　pu——压力表读数，MPa；

Ny——预应力配筋的张拉力，N；

Au——张拉设备的工作油压面积，mm2。

压力表的量程应为该项压力最大值的1.3～2.0倍，其应为防震型产品，直径宜采用150 mm，精度宜为0.4级，不应低于1.0级。

（3）张拉设备的标定

实际中千斤顶的油缸与活塞有摩阻力存在，千斤顶和油压表在使用前必须通过标准压力计进行标定。根据标定数据，可采用一元线性回归分析法与直线插值法计算油压表读数，用以控制张拉力。张拉用的千斤顶、油压表、油泵应配套标定、配套使用，标定应在国家授权的法定计量技术机构定期进行。标定时，千斤顶活塞的运行方向应与实际张拉工作状态一致。当处于下列情况之一时，应重新进行标定：

①千斤顶使用时间超过6个月。(www.xing528.com)

②张拉次数超过300次。

③使用过程中千斤顶或油压表出现异常情况，如油压表经过碰撞、指针不能退回零点等。

④千斤顶、油压表检修或更换配件后。

⑤张拉中预应力筋发生多根破断或张拉伸长值误差较大。

（4）张拉理论伸长值计算

预应力筋采用应力控制方法张拉，采用伸长值做校核。实际伸长值与理论伸长值的差值应符合设计规定；设计未规定时，其偏差应控制在±6%以内，否则应暂停张拉，待查明原因并采取措施予以调整后，方可继续张拉。

先张法预应力筋通常采用直线形布置，如需采用曲线形布置需要布设弯起器。直线形预应力筋的理论伸长值计算非常简单，采用式（7.4）进行计算。

式中　Pp——预应力筋的张拉力，直线筋取张拉端的张拉力，N。

【例6.1】　某先张法预应力板全长20 m，该梁采用直线形预应力筋布置，其中1号钢绞线束为5A15.20钢绞线（预应力钢绞线1×7-15.20-1860束），单端张拉，张拉控制应力为钢绞线抗拉强度的75%，张拉端和固定端的张拉工作长度共0.50 m，试求该束钢绞线的理论伸长值。

【解】　张拉控制应力：σcon=0.75×fk=0.75×1860=1395（MPa）。

预应力筋的张拉力：Pp=σcon×Ay=1395×（5×140）=976500 N=976.5（kN）。

预应力筋的张拉计算长度：L=20+0.5=20.5（m）。

该束钢绞线的理论伸长值为：

（5）张拉程序

先张法预应力筋张拉的程序应符合设计要求，设计无要求时，其张拉程序可按表7.2的规定执行。

张拉时，同一构件内预应力钢丝、钢绞线的断丝数量不得超过1%，同时对于预应力钢筋不允许断筋。

（6）张拉操作注意事项

张拉前，应先安装定位板，检查定位板的力筋孔位置和孔径大小是否符合设计要求，然后将

定位板固定在横梁上。检查预应力钢筋数量、位置、张拉设备和锚具后，方可进行张拉。

表7.2　先张法预应力筋张拉程序

5）模板安装

模板的制作及安装要求参照第5章5.2.1节。

6）混凝土浇筑

浇筑前，应会同监理工程师对模板、钢筋以及预埋件位置进行检查。

（1）混凝土的浇筑速度

为了保证浇筑混凝土的整体性，防止在浇筑上层混凝土时破坏下层混凝土，浇筑层次的增加须有一定的速度，须使次一层的浇筑能在先浇筑的一层混凝土初凝以前完成。

（2）混凝土的浇筑顺序

考虑主梁混凝土的浇筑顺序时，不应使模板和支架产生不利的下沉。为了使混凝土振捣密实，应采用相应的分层浇筑。当在斜面或曲面上浇筑混凝土时，一般应从低处开始。

①水平分层浇筑。对于跨径不大的简支梁桥，可在钢筋全部扎好以后，将梁和板沿一跨全长内水平分层浇筑，在跨中合龙。分层的厚度视振捣器的能力而定，一般为0.15～0.3 m。当采用人工捣实时，可采用0.15～0.2 m。

②斜层浇筑。跨径不大的简支梁桥混凝土的浇筑，还可用斜层法从主梁两端对称向跨中进行，并在跨中合龙。T梁和箱梁采用斜层浇筑的顺序。采用斜层浇筑时，混凝土的倾斜角与混凝土的稠度有关，一般为20°～25°。

气候炎热时，混凝土入模温度不宜高于28℃，还应避免模板和新浇混凝土受阳光直射。模板与钢筋温度以及周围温度不超过40℃。

当室外日平均气温连续5 d低于5℃时，按冬季施工进行。

7）混凝土养护

混凝土浇筑完成后应及时进行养护。在养护期间，应使混凝土保持湿润、防止雨淋、日晒、受冻及受荷载的振动、冲击，以促使混凝土硬化，并在获得强度的同时，防止混凝土干缩引起的裂缝。为此，对于混凝土外露面，在表面收浆、凝固后，即用草帘等物覆盖，并应经常在覆盖物上洒水（或用水喷淋）养护。洒水养护时间一般不少于7 d，可根据空气的湿度、温度和水泥品种及掺用的外加剂等情况，酌情延长或缩短。

当日平均气温低于+5℃或日最低气温低于-3℃时，应按冬季施工要求进行养护。

8）模板拆除

模板拆除参考第5章5.2.1节。

9）预应力放张

当混凝土达到设计规定的放张强度后（设计无规定时，一般应在大于混凝土设计强度等级值的80%、弹性模量不低于混凝土28 d弹性模量的80%），可在台座上放张受拉的预应力筋（称为放张），对预制梁施加预应力。预应力放张通常采用砂箱放张法、千斤顶直接放张法、千斤顶再张拉放张法和氧气-乙炔切割法进行。

（1）砂箱放张法

采用砂箱作为放张装置，在张拉时将砂箱放置在非张拉端，张拉前将砂箱内装满干砂并使其顶着横梁。张拉时，砂箱内砂被压实承受横梁反力。放张预应力筋时，打开出砂口，人工用工具掏出砂箱内的砂，活塞缩回，逐渐放张预应力筋。

（2）千斤顶直接放张法

千斤顶放张法原理和砂箱放张法类似，在台座固定端的承力架与横梁之间张拉前就安放千斤顶，待混凝土达到规定放张强度后，即可让千斤顶同步回程，使拉紧的力筋慢慢回缩，将力筋放张。

（3）千斤顶再张拉放张法

在台座固定端设置螺杆或夹具和张拉架。张拉架顶紧横梁，让预应力筋锚固在张拉架上；放张时，再略微拉紧力筋，然后拧松螺母，再将千斤顶回油，力筋就慢慢回缩，张拉力即被释放。

（4）乙炔-氧气切割法

目前，工程中多用乙炔-氧气切割法，即直接用氧气-乙炔焰沿构件端部将锚固在台座上的预应力筋切断。这种放张预应力筋方法快速、方便，但对预应力冲击很大，易产生裂缝和造成大批预应力损失。预热放张法是用氧气-乙炔焰轮流烘烤，随着温度的升高，烘烤部分产生局部伸长，然后熔割切断。氧割操作人员只允许沿横向站立，严禁站在预应力筋上进行操作。

预应力筋放张的速度不宜太快，以砂箱放松为宜。如采用千斤顶再张拉法放张，所施加的应力值不得超过原张拉时的控制应力。当采用单根放松时，应分阶段、对称相互交错地进行。每根预应力筋严禁一次放完，以免最后放松的预应力筋自行绷断。

10）梁板移位及存放

梁板移运时，混凝土强度应不低于设计强度的80%。

梁板移运时的吊点位置应按设计文件的规定设置。如设计无规定时，梁、板构件的吊点应根据计算决定。构件的吊环应顺直。吊绳与起吊构件的交角小于60°时，应设置吊架或扁担，尽可能使吊环垂直受力。根据吊具的不同，必须采取不同的梁体保护装置。

梁、板、构件移运和堆放的支承位置应与吊点位置一致，并应支承牢固，避免损伤构件。在顶起各种构件时，应随时设置好保险垛。

吊移板式构件时，不得吊错上、下面，以免折断。构件运输时，应有特制的固定架以稳定构件。小构件宜顺宽度方向侧立放置，并注意防止倾倒；如平放，两端吊点处必须设置支搁方木。