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摘 要：本文结合云南嵩昆高速公路先张梁施工实践,对先张法预制空心板预制梁场的设计及预制梁施工关键过程控制进行阐述,供业界同仁参考。
关键词：预制梁场 设计 关键过程
先张法空心板，由于可以利用钢绞线长的特点，一个台座一次可以张拉多片构件，便于质量控制的同时利用工厂化成批生产，因此，在公路桥梁中，尤其是建筑高度受到限制和平原区高速公路上的中小跨径桥梁，预制空心板被广泛采用,工艺成熟，但从以往施工经验来看因预制梁场设计时规划不周、布置不合理及工艺过程控制不到位而出现质量病害的较多，本文抛砖引玉供业界同仁参考。
1、预制场地规划设计
合理规划场地的位置和场地的合理布局直接影响工程的进度、质量、成本及施工的难易度。
1.1、预制场地选址
场地位置的选择应因地制宜，方便材料周转、预制、移梁和存梁的需要,根据不同条件（如：地形，路线位置，机械要求等），来作出相应的选取，一般来讲从移运梁方便角度考虑会优先考虑场地接近桥位处；从节约工程成本角度考虑尽量利用服务区、收费站广场、桥位三角区等永久性用地节约征地复耕费用，也可征求业主同意选用一端桥台处路基先碾压成型后作预制场，可以减少存梁、运梁距离，便于预制和安装；在计划工期满足要求的情况下也可施工完毕桥梁桩基础动测验收合格后回填整平，在桥位处选择几跨布置梁场，待全桥其它梁跨预制安装结束后再行预制梁场位置的梁、移梁至安装好的梁上再施工预制场位置的桥梁下部。预制场选址原则：①、利用公路红线内永久性用地、荒地或滩涂、尽量少占用良田，减少环境污染，节约或降低临时征地及复耕费用成本；②、距施工现场近，方便运输及安装；③、进出材料移运梁体交通便利，顺畅，最好在便道或交通便利的公路附近；④、水、电资源中饮用水和施工用水考虑自己打井或利用当地河流比较选择，在充分调查高压线路、变压器容量的基础上利用网电杜绝自发电，现有的变电室距预制场200米内为宜，否则不仅电损大，用电高峰期间电压可能不足；⑤、地势平坦，排水畅通，尽量避开软基 地段，不能选在河沟、具有危害的滑坡体、泥石流出口位置，以免汛期损失，场地内合理布置排水沟、积水井、沉淀池，保证质量，利于环保。
1.2、预制场地平面设计
预制场一般包括制梁区，存梁区，钢筋加工区，生活区，砼搅拌区。平面布置应该在满足各个功能区使用功能的基础上，结合架桥位置、架桥工艺、移梁、运梁、喂梁方案等综合考虑。布置以布局紧凑，安排合理，综合考虑，留有余地为原则。
1.2.1预制区、存梁区场地形状以狭长状为优。场地面积应在满足工期进行进度计划的基础上，综合测算梁台座布置数量及长度、单槽台座预制周转时间及次数、单槽预制片数、存梁数量层数、安装最迟开始时间、龙门布置位置等以此推算台座长度及数量、存梁区面积，以实现预制、移梁的直线运动，减少梁体自台座上移运过程中扭、转、升、降的次数。以云南嵩昆高速公路某标段20米空心板预制为例，预制总数为两联80片，工期为三个月，考虑张拉、绑扎钢筋、砼浇注、放张、移梁以四天生产四片作为一个周期，经各道工序工作时间测算就可以设计两槽台座，每槽生产两片空心板，并配置两套模板（已考虑不利因素）即可满足工期要求的前提下最大限度的节约工程成本。
则制梁区长度可计算为2×（20＋0.5×2）＋2×3＝48m；宽度计算为：2×1＋3×0.75＝4.25m。
存梁区考虑容纳一联40片空心板集中安装，分别按叠放两层、三层时的地基承载力复核计算，以此确定存梁区面积。同时在预制时应提前考虑规划梁板满足一联安装时中、边板预制的合理穿插，以避免以后安装时二次导梁。另外当预制空心板数量和种类较多时可以在设置台座长度时综合考虑台座的通用性，减少台座布置数量，节约占地及台座圬工数量。
1.2.2材料堆放区、砼拌和设备区就近移运、实现流水作业。
两个区域以保证预制过程平行流水互不干扰为原则，解决材料供应顺畅、砼运输便捷，减少移运过程机械、人工浪费，避免窝工。一般以钢绞线存放区域放置于台座端部便于钢绞线加工；砼搅拌站及料场置于梁台座侧面空间位置较大通过翻斗车或龙门吊斗移运砼；钢筋制作区域在钢筋加工简易棚内方便梁台座上安设为宜。以期合理布置达到施工中事倍功半，即经济又省工的目的。
1.2.3生活区功能模块的合理划分。预制梁场因砼工、钢筋工、张拉工、模板工、材料及电工、技术管理以及监理人员所负责任及工作内容的不同应综合考虑其生活区域模块的划分，以美观大方、便于工作生活、利于过程控制、降噪少尘的安全环保为原则，考虑办公区、生活住宿区、餐厅卫生区、厕所的合理布置。
1.2.4完善的排水及场内道路系统。排水系统是一个预制场的重要环节之一，如果场地排水不到位，阴雨天气、养生用水、搅拌用水、生活积水就会渗入地表，导致生活区及预制加工区泥泞不堪，从而软化场地，导致台座产生不均匀沉降，使台座及存梁横梁不均匀沉降引发开裂变形，将会使台座的抗倾覆能力降低，严重时台座、传力墙、张拉台会在张拉时被拔出地面，从而使整个台座报废，对成品梁预制及存放质量产生严重影响。因此应必须在台座四周、预制场地周边设置一定的纵横坡比，预设排水明沟或盲沟形成连通、完善的水网，经沉淀池净化处理后与地方水系贯通成排水通道。预制场内道路必须形成路网规划，在满足施工生产生活的同时，还要考虑日后吊装运输时移梁平车行驶路线和转弯半径的需要，材料进场道路、砼运输道路、移运梁道路必须适当硬化处理，确保道路满足全天候的施工要求。
1.2.5梁台座布置设计必须计算到位。梁台座作为预制梁主要承力构件，通过张拉反力传递荷载，实现预应力的张拉施工。可采用墩式,槽式,重力锚固式台座。考虑操作方便,经济合理，一般选择墩式或槽式台座。台座采用钢筋混凝土水磨石,或在普通钢筋砼台座顶面一般铺设3-10mm厚钢板。要求台座在满足设计尺寸前提下，其本身的强度、刚度、挠度涉及抗倾覆稳定性、抗滑移稳定性必须经过验算台座抗倾覆安全系数不小于1.5,抗滑移系数不小于1.3,横梁受力后挠度不大于2mm，达到要求后再行施工。
下面以云南嵩昆路某标段预制场设计为例（施工中拟采用墩式台座，细部尺寸如图所示。施工中张拉力N=1150，G1=230KN,G2=100KN,传力墩之间的距离B=4.0m，台墩用C20砼，Ⅰ级钢筋，台面厚度为100mm，N`=300KN/m，μ＝0.35，地基为砂质粘土，取r＝18KN/m2，φ＝30o）。
1.3张拉台座设计验算方法及示例
先张梁张拉台座尺寸必须根据预制构件尺寸、生产规模在综合分析上述场地规划设计要素的基础上确定后进行受力验算。
L=ln＋（n－1）*0.5＋2K
式中L-单槽梁台座长度（m）
l-单片梁台座长度
n-一条生产线的构件数(根)
0.5-两根构件相邻端头间的距离(m)
K-张拉台长度
台座宽度根据构件尺寸，布筋宽度及张拉、浇筑操作要求而定。
1.3.1台墩计算
承力台墩为预应力施加后主要的抵抗反力构件，采用布筋设计的现浇钢筋砼做成。除应具有足够的稳定性、强度和刚度外还应有合适的外伸部分，以增大力臂而减少台座自重。
1.3.1.1稳定性验算
稳定性验算包括抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性验算两个方面。
1.3.1.1.1抗倾覆验算
台墩的抗倾覆验算，可按下式进行（如图）
K=Mr/Mov＝(G1*l1＋G2*l2＋Ep*2H/3)/Nh1
式中：K-抗倾覆安全系数，一般不小于1.5
Mov－倾覆力矩，由预应力筋的张拉力产生
Mr－抗倾覆力矩，由台座自重力和被动土压力
G1－台座外伸部分的重力
11-G1点至O点的水平距离
G2－台座部分的重力
l2－G2点至O点的水平距离
N-预应力筋的张拉力
h1－张拉力合力作用点至倾覆转动点O的垂直距离
Ep-台墩后面的被动土压力合力，当台墩埋置深度较浅时，可以忽略不计
H－台座的埋置深度
以云南嵩昆某标段计算示例：Mr=G1*l1+G2*l2=230*3.5+100*1.4=945KN?m
Mr=N*h1=1150*0.35=403 KN?m
K=Mr/Mov=945/403=2.34＞1.5合格.
1.3.1.1.2抗滑移验算
台墩的抗滑移验算，可按下式进行
Kc＝N1/N≥1.3
式中Kc－抗滑移安全系数，一般不小于1.3
N－作用于墩台上的滑动力，即预应力筋的张拉力
N1-抗滑移的力，N1=N`+F+Ep`
N`-台面抗滑力（KN），当混凝土强度为10～15Mp时台面厚d＝60mm，N`＝150－200k N /m；d＝80mm，N`＝200－250k N /m；d＝100mm，N`＝250－300k N /m
F－混凝土台墩与土的摩阻力F=μ(G1 +G2)
G1－墩台外伸部分的重力
G2－台座板部分的重力
μ－摩擦系数，对粘性土，μ＝0.25－0.40；对砂土μ＝0.40；对碎石μ＝0.40－0.50；
Ep`－台座板底和台墩背面上土压力的合力：Ep`＝（Pep+P`）(H－h)*B/2
Pep-台墩后面的最大的土压力
Pep＝rHtg2（45o＋￠/2）－rHtg2(45o-￠/2)
P′-台座板底部的土压力，P′＝hPep/H
r－土的重度
￠－土内摩擦角对粉质粘土￠＝30 o；细砂￠＝20－30o；中砂￠＝30-40 o
H－台墩的埋置深度；
h－台座的厚度
B－台墩宽度
对于台面共同工作的台墩,以往在抗滑移验算中考虑台面的水平力,侧壁土压力和底部摩阻力共同作用。然而砼的弹性模量和土压缩模量相差极大,两者不能共同作用,而底部摩阻力较小(约5%),可忽略不计,实际台墩的水平推力几乎全部传给台面,不存在滑移问题,因此,台墩与台面共同工作时,可不做抗滑移计算,只验算台面承载力。
以云南嵩昆某标段计算示例：
N`=300*4=1200KN
F`=μ(G1+G2)=0.35*(230+100)=116 KN
Pep＝rHtg2（45o＋￠/2）－rHtg2(45o-￠/2)
= 18*1.5*[tg2（60o）－tg2(30o)]=72KN/m2 P＝hPep/H=0.35*72/1.5=16.8 KN/m2
Ep`＝（Pep+P`）(H－h)*B/2=(72+16.8)*(1.5-0.35)*4/2=204 KN
抗滑安全系数K= (N`+F+Ep`)/N= (1200+116+204)/1150=1.32＞1.3安全.
1.3.1.2截面设计计算
1.3.1.2.1台墩外伸部分
台墩的牛腿和延伸部分，分别按钢筋砼结构的牛腿和偏心受压杆件计算，如为大偏心，则按下式计算：
N≤fcmbx＋f′yA′s－fyAs或
Ne≤fcmbx（ho－x/2）＋f′yA′s（ho－a′s）
e＝ηe1＋h/2－a
其中式中：N-作用于外伸部分的张拉力
fcm－砼受弯曲强度设计值
X－砼受压区高度
b—截面的宽度
ho-截面的有效高度
a′s-A′s的合力点到截面近边的距离
fy-纵向受拉钢筋的强度设计值
As、A′s-纵向受拉及受压钢筋截面面积
e-轴向力作用点至受拉钢筋合力点之间的距离
η-偏心受压件考虑挠曲影响的轴向力偏心距增大
数e1-初始偏心距，e1=e0+ea
e0-轴向力对截面中心的偏心距e0＝M/N
ea-附加偏心距；ea＝0.12（0.3h-e0），当e0≥0.3h0时，取ea＝0
a-纵向受拉钢筋合力点到截面近边的距离。
1.3.1.2.2牛腿的配筋设计
包括纵向受拉钢筋、斜截面强度和抗裂度计算配筋构造试算。
1.3.1.2.2.1钢横梁计算
钢横梁按承受均布荷载的简支撑梁计算：
钢梁承受的最大弯矩，按下式计算：
M＝1/8ql2
式中 M-钢梁承受的最大弯矩
q-承力钢板传给每根钢横梁的均布荷载，其中q＝N/l
N-传给钢横梁的荷载
l-横梁的跨度
在求得M值之后，按下式验算或选用横梁：
W≥M/ ?
钢横梁的剪应力按下式复核：
V＝1/2ql
τ＝V/A≤?v
式中 W-钢梁的截面抵抗矩
?-钢材的抗拉、抗弯强度设计值
V-作用于钢横梁的剪力
τ-钢横梁的剪应力
?v-钢材抗拉剪强度实际值
A-钢横梁的截面面积
其它符号意义同前。
钢横梁应有足够的刚度，以减少张拉预应力钢筋的预应力损失，钢横梁的变形值按下式验算：
Wmax＝5ql2/384EL≤（w）＝l/400
式中：Wmax－钢横梁的挠度
E－钢材的弹性模量
I－钢梁的惯性矩
（w）－钢梁的容许挠度，应小于l/400，但不大于2mm
云南嵩昆某标段设计示例：
钢横梁的均布荷载：q=1150/3.3=348.5KN/m
M=ql2/8=348.5*3.32=474.4 KN?m
钢横梁需要的截面抵抗矩： W=M/f=474.4*106=1506*103mm3
用16Mn钢板,2根Ⅰ40b,WX=1140*103* 2=2280*103mm3 >1506*103mm3
钢梁的剪力：V=ql/2=348.5*3.3/2=575 KN
钢梁的剪应力： τ＝V/ =575*103/9410*2=30.6N/ mm2<fv=185N/ mm2
钢梁的变形值：
用16Mn钢,2根Ⅰ56b,I=68512mm4
钢横梁变形值Wmax＝5ql4/384EI=(5*348.5* 3300*104)/384*2* 105 *68512* 104*2=1.97mm<2mm
1.3.1.3台面计算
台面一般是在夯实的碎石垫层上厚度为6-10厘米的混凝土而成.其水平承载力P,可按下式计算：
P=ψ*A*Ra/K1*K2
式中ψ--轴心受纵向弯曲系数,取为1
A-台面截面面积
Ra-砼轴心抗压设计强度
K1-砼结构轴心受压基本安全系数,取为1.55
K2-考虑台面截面不均匀和其他影响因素的附加安全系数,取为1.5
台面伸缩缝可根据地表温差和经验设置,一般十米设置一道。
例如图P=P1+P2=ψA1 Ra /K1K2+ψA2 Ra /K1K2
ψ——轴心受压构件纵向弯曲系数，取ψ=1。
A1——台面截面面积 A1=2123×300=636900mm2
A2——承力墙截面面积 A2=500×500=250000mm2
K1——超载系数，取1.25
K2——考虑台面不均匀和其他影响因素的附加安全系数，K2=1.5
Ra——混凝土轴心抗压强度设计值，C30混凝土取fc=14.3Mpa
P1——台面承载力
P2——承力墙承载力
P=1×636900×14.3/(1.5×1.55)+1×250000×14.3/(1.5×1.55)=5585.5KN＞=1150*2=2300KN(安全)
2、先张法预应力空心板关键工序控制
2.1油压表、千斤顶检校标定、回归分析及张拉双控设计计算
校验采用标准测力计校验法。千斤顶、油压表及油泵配套校验。将电动油泵的油路、电源接通，给千斤顶供油，活塞上移，顶压标准测力计。当测力计达到一定吨位时，立即从千斤顶的油压表上读数。各级吨位的压力读数复校三次，然后计算油压表在各级吨位时相应读数的平均值，作为压力表读数，再根据一元线性回归，计算出与设计张拉力相应的油压表读数并制作表格。
在施工中发生下列任何情况时都要重新检校,确保张拉力准确校验期限超过规范规定期限;千斤顶漏油或千斤顶检修后;张拉过程中钢绞线经常出现断丝,滑丝;钢绞线实测伸长值与实际伸长值相差超过标准规定值时;油压表不回零或调换千斤顶油压表时。
由一元线性回归方程Y=bX+a其中b、a
2.2钢绞线的下料、编束
钢绞线下料除满足工作长度要求外,还要防止下料过长造成浪费，对此,每根钢绞线长度按下式确定
L=l+2*(l1+l2+l3)＋C
式中：L-钢绞线下料长度
l-孔道净长
l1-千斤顶长度
l2-工作锚长度
l3-预留量,取15厘米
C-如果每槽生产一片板C＝0，如果每槽生产n片则C=每两片之间的距离*（n－1）
经计算确定下料长度后将钢绞线放在自制的放线架中,再将铁皮剪断,然后抓住钢绞线一端,将钢绞线缓缓拉开,按计算长度用砂轮锯切割下料,严禁用电焊枪或乙炔烧割。为防止张拉时钢束混淆，将下好的钢绞线放在工作台上并按设计编制成束，在有效长度范围之外部分采用PVC管套住,进行失效处理。
2.3双控张拉
预应力钢绞线根据设计要求采取单端或两端张拉, 按照0—初应力(10%)—105%持荷2min的张拉程序通过应力、应变(即在施工中的油表读数和伸长数值)双控进行张拉施工。
钢绞线张拉顺序采取从中间向两边横向对称张拉,可以通过大行程千斤顶整体式张拉也可通过穿心式千斤顶单根张拉,调整钢绞线的初应力至设计张拉力的10%，再用石笔在钢绞线距支承板1米处画出一道起始标距,用来测量伸长的数值, 张拉过程中,作好量测伸长值与油压表读数的记录，计算实测伸长值与理论伸长值之差的绝对值，控制在理论伸长值6%范围之内,即可进入下一道工序。如超出此值,应暂停张拉,查明原因采取措施后方可继续张拉。
预应力施工时对试验不合格、不配套的锚固系统杜绝使用；安装前对锚固系统的每一部分认真清理，对其外观仔细检查，并在锚圈内涂少量石蜡油；锚固体系安装时夹片要整齐，间距要均匀；张拉前必须对张拉人员进行技术培训，提高质量意识，增强责任心；张拉时，速度不宜过快，要保持张拉油表读数均匀增加；气温低于2°C时不允许张拉；张拉时,严禁非工作人员进场,操作人员不得站在千斤顶后,以防飞锚,滑丝,断丝伤人;高压油管拉头要紧密并随时检查,以防喷油伤人。
2.4冲气胶囊芯模的固定、抽取
预应力空心板芯模上浮导致顶板厚度不足是常见的质量病害，施工中一般采取每0.5m增设一道Φ8环形定位钢筋倒钩固定在钢绞线上，并在侧模顶每2米加一根反压拉杆，在拉杆与钢筋骨架之间加上契形块来加大压力，将纵向主筋与定位筋之间绑扎同标号小砼预制块加以固定。在浇筑过程中放料速度不宜过快，应分层对称下料以减小充气芯模的摆动，浇筑底板时一定不要过厚，腹板分两次浇筑（第一层占1/3，第二层占2/3），这样可以减少砼产生的浮力。振捣过程振捣棒不要触及芯模，在混凝土浇筑过程中一定要随时观察充气胶囊芯模气压表来确定是否漏气; 充气胶囊芯模是否偏移,上浮，便于及时采取纠正措施。
芯模抽取的早晚直接影响空心板的质量，抽取过早,混凝土由于没有完全达到初凝,从而使其坍落下沉,导致空心板形成纵向贯通裂缝,甚至空洞;抽取过晚,造成芯模与混凝土粘结,很难拔出,甚至把芯模 拉坏无法再使用.抽取时间随天气变化而变化,一般在混凝土浇筑后的3-12小时,砼强度达到4-8Mp时方可放气抽出。
2.5混凝土浇注
预制空心板的外观质量及其本身的密实程度是决定梁体耐久性和美观度的控制标准。混凝土中应掺入适量的减水剂和早强剂从而提高混凝土的和易性,减少用水量,增加早期强度。在施工中,必须严格控制水灰比、坍落度。混凝土浇筑采用翻斗车或活底吊斗用龙门吊直接灌入模板内,插入法振捣，采用50mm、30mm交替留振、跟振至混凝土不再下沉、无气泡上升、表面平坦泛浆，一般在浇筑倒角时,首先均匀放料至倒角高度的2/3处,振捣排除气泡,然后接续浇注腹板第一层下2/3，再第二层上1/3及顶板部位。每片板混凝土浇筑时间不超过2个小时,每片板混凝土从拌和到浇筑完成时间限制在6-8小时之内。浇筑后空心板顶面沿垂直路线方向凿毛处理,槽深0.5-1.0厘米,划槽横贯空心板面,每延米不少于10-15道。
2.6预应力放张
混凝土浇筑后,对随梁养护混凝土试块作立方体抗压强度试验,除达到设计要求放张强度外，以不小于设计强度的75%进行放张，放张应采取对称、缓慢、均匀的千斤顶或砂筒放张方法，禁止骤然放张损伤梁体。放张后对梁的拱值进行量测有无异常，随后用砂轮锯切割多余的钢绞线,在切口处涂防锈漆,再用水泥砂浆抹平,最后进行梁端封口，标注浇筑日期、板号并移至存梁区存梁。
3、结束语
预应力空心板梁场设计及施工过程控制必须立足工程实际，分析工程特点进行周密策划精心施工，本文仅根据云南嵩昆项目工程实践作以浅议，失误和偏颇之处请业界同仁批评指正。
论文作者:马延良
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年1月
论文发表时间:2017/4/14
标签：台座论文; 横梁论文; 截面论文; 台面论文; 混凝土论文; 钢筋论文; 预应力论文; 《建筑学研究前沿》2017年1月论文;