牛斌-客运专线预应力混凝土梁的质量控制

客运专线预应力混凝土梁的质量控制铁道科学研究院铁道建筑研究所2004年9月0.前言(1)我国既有铁路预应力混凝土梁的概况(2)客运专线预应力混凝土梁的特点(3)预应力混凝土梁质量控制是客运专线桥梁乃至高速铁路桥梁质量控制的关键问题。1.原材料1.1总则1.2应重点控制的问题(1)水泥(2)骨料(3)粗骨料(4)高效减水剂(5)钢绞线(6)锚具(7)桥面防水层材料2.制梁设备2.1总则2.2重点控制问题(1)模板(2)制、存梁台座(3)箱梁支点的不平整量支点不平整量的定义h2h4ih=H-Hi11hhh'33AAAA(i≥2)A'A'A'AA0图中：h=(h+h)/242ΔΔ'A点实际高差＝hh'或支点不平整量Δ或Δ'＝H+H-H-H24313312244333H2H4HH'33H3当hh'或33＝2h时，AA'A'A’1234仍处于一个平面出现支点不平整3当hh'或3AA'A'A’12≠2h时，432h－h(h')333.混凝土配合比及浇筑前的质量检查3.1总则3.2重点控制问题(1)预应力管道的位置与定位(2)箱梁支座板的不平整量(3)钢筋及预应力管道的混凝土保护层厚度各国规范对钢筋、预应力管道保护层的规定国家距表面最近钢筋保护层厚度(mm)预应力管道最小保护层厚度德国401.2倍管道直径(各向)日本301.0倍管道直径(各向)中国高速暂规30侧面：1.2倍管道直径底面：不小于60mm4.混凝土浇筑工艺4.1总则4.2重点控制问题(1)混凝土的配合比、准确计量及工作性能(2)各种试件的制备(3)混凝土施工时的温度控制混凝土施工时的温度控制（1）模板温度宜控制在5～35℃；（2）混凝土拌和物入模温度宜控制在10～30℃；（3）冬季施工的控制。5.混凝土的养护及拆模5.1秦沈客运专线箱梁制造的经验（1）秦沈客运专线的成功建成，标志者我国铁路预制梁技术的全面提高；（2）由于尚缺乏足够的经验，也存在一些不足，主要体现在以下几个方面：①混凝土养护温度的控制②先期生产时混凝土的早期开裂①混凝土的水化热发展规律024487296120144020406080沙河桥底板腹板中腹板上顶板箱内温度空气温度跨中截面温度汇总(℃)时间(小时)024487296120144020406080石河桥底板腹板中腹板上顶板箱内温度空气温度跨中截面温度汇总(℃)时间(小时)根据箱梁混凝土水化热温度随时间变化的测试结果，水化热温度在混凝土完浇筑成后16～20小时左右后达到最高，考虑各箱梁浇筑时间不同等因素后，箱梁混凝土水化热出现最高温度时间平均约为混凝土入模后24小时。②混凝土水化热的下降024487296120020406080沙河桥底板腹板顶板平均跨中温度(℃)时间(小时)梁跨中及端部截面底板每小时降温约0.45～0.55℃，顶板每小时降温约0.35～0.45℃，腹板每小时降温约0.30～0.35℃。024487296120020406080石河桥底板腹板顶板平均跨中温度(℃)时间(小时)③箱梁混凝土与环境的温差024487296120015304560沙河桥底板腹板顶板气温跨中温差(℃)时间(小时)停止蒸养48小时后，箱梁内外空气温度差在10℃之内；除端部腹板及跨中腹板上部变截面处与环境温度差在17～20℃外，箱梁其他部位与环境的温差基本在15℃之内。同时，梁体混凝土表面与芯部的温差不大。因此，可选择此时进行箱梁模板的拆除，以防止梁体由于温差过大出现早期裂缝。024487296120015304560石河桥底板腹板顶板平均端部温差(℃)时间(小时)5.2混凝土养护及拆模的温度控制养护的温度控制：（1）静停时间（2）升温速度（3）蒸汽温度（4）混凝土芯部最高温度（5）拆除保温设施时的温差拆模的控制：（1）芯部与表面、表面与环境温差、混凝土强度（2）拆模后宜进行早期张拉（3）气温急剧变化时不宜拆模6.预应力施工6.1质量控制基本原则（1）预应力施工的质量将直接影响梁体的抗裂性能，建议监理工程师应逐片旁站；（2）为有效避免可能出现的梁体早期裂缝，监理工程师除应对拆模时梁体芯部及环境温度、混凝土的强度、弹性模量进行控制外，应建议施工单位采用三次张拉工艺；（3）应对张拉用设备及相关资料进行检查；（4）终张拉应在存梁台座进行，并严格控制张拉混凝土弹性模量及龄期不小于10天。（5）根据现场实测的各种摩阻结果，复核设计或施工单位确定的各种张拉参数。6.2预应力的各种损失简介预应力混凝土结构的预应力损失分两大部分：（1）瞬时损失：后张法：管道摩阻、锚口及喇叭口摩阻、弹性压缩、锚具回缩；先张法：锚口摩阻(折线配筋时的转折器摩阻)、温差损失、弹性压缩、锚具回缩；（2）长期损失：混凝土收缩徐变损失、预应力筋松弛损失。6.2.1管道摩阻损失dPP-dPdPN2sin)(2sinddPPdPN22sin1dPdP，d时，并忽略高阶小量：dPN则：dPNdPdPdP；两边积分得：12021lnlnPPdPdPPP，因此ePPPP1212ln（1）管道摩阻损失的组成①由摩擦引起的摩阻(摩擦系数m)②由管道偏差引起的摩阻（摆动系数k，并与管道长度有关）③因此，设计规范中计算管道摩阻损失的公式为：P2/P1＝e-(kx+mq)（2）影响损失的主要因素①摩擦系数(相对较稳定)；②管道弯起的角度；③管道的长度；④直管道的平顺程度。其中：2～4项与施工工艺及质量关系密切，变化相对较大。6.2.2锚口及喇叭口摩阻损失千斤顶限位板夹片锚板锚垫板钢绞线限位高度（1）产生损失的原因（2）影响损失的主要因素锚口摩阻：①夹片的加工精度；②限位高度；③钢绞线的直径。喇叭口摩阻：①分丝角度；②喇叭口的长度。6.2.3弹性压缩及回缩损失弹性压缩损失主要取决于梁体混凝土及钢绞线弹性模量、张拉顺序和张拉吨位；一般情况下，只要终张拉时梁体的弹性模量满足设计要求，实测弹性压缩损失往往小于设计值。夹片回缩损失主要由夹片锚固后的外露高度和限位板高度决定6.2.4长期损失（1）松弛损失松弛损失主要由钢绞线的原材料性能、加工工艺决定，相对较稳定（2.5%）。（2）收缩徐变损失主要影响因素包括：混凝土的弹性模量、张拉龄期、混凝土的配合比、初始应力的大小、外界环境等。因此，需要控制终张拉时混凝土的弹性模量、龄期；要求控制混凝土中水泥用量。6.3预施应力的质量控制预应力混凝土结构的大量试验结果表明，通过测试管道、锚口和喇叭口摩阻以及钢绞线弹性模量确定预应力筋伸长量，并严格控制预应力管道位置，可以获得准确的梁体混凝土预施应力。为此新技术条件中规定在试生产期间应至少进行2件瞬时损失测试，正常生产后每100件进行一次测试。6.3.1管道摩阻试验1.工具锚2.主动端千斤顶3.对中垫4.主动端传感器5.被动端传感器6.被动端千斤顶管道21锚垫板43钢束轨道梁63516.3.2预应力张拉伸长量的计算（1）预应力施工中实测伸长量的组成：①梁体锚底之间钢绞线的伸长量(设计值)；②工作锚与工具锚之间钢绞线的伸长量；③工具锚夹片的回缩。（2）张拉力不变条件下，影响伸长量的主要因素：①钢绞线的弹性模量；②预应力的管道摩阻、锚口及喇叭口摩阻。（3）考虑管道摩阻的伸长量的计算P12PdP()令lkKklKl由KxkxePxPePP)()(12钢绞线微段的伸长量d为dxEAxPd)(，两边积分得：zkxlKxlKEAPlkxeEAPldxeEAPdxEAxP)(001)(（4）施工伸长量的计算设计伸长量＝L1K1＝设计钢绞线弹模/实际钢绞线弹模K2＝设计KZ/实测KZ工作锚与工具锚之间钢绞线伸长量＝L2；工具锚夹片回缩量＝L3施工伸长量L＝L1•K1•K2＋L2－L36.3.3严格避免超张拉超张拉后，虽然可以提高梁体的有效预应力，提高梁体的抗裂性，但对梁体的后期徐变上拱影响较大。高速铁路对轨道的平顺度要求很高，因此应控制预应力混凝土结构的后期徐变上拱度。技术条件中除规定测试梁体终张拉的弹性上拱度外，特别规定进行终张拉30天后的徐变上拱度测试和要求。增加上述规定后，不仅可以控制梁体后期变形，也可有效地防止施工单位为单纯满足梁体抗裂性检验要求盲目加大预施应力，确保梁体的长期性能。7.预应力管道压浆及封锚7.1管道压浆施工（1）后张预制梁终拉完成后，宜在48h内进行管道压浆。压浆前管道内应清除杂物及积水，梁体及环境温度不得低于5℃（2）压浆用水泥应为强度等级不低于42.5级低碱硅酸盐或低碱普通硅酸盐水泥；水胶比不超过0.35，且不得泌水，流动度应为30～50s，抗压强度不小于35MPa；压入管道的水泥浆应饱满密实，体积收缩率应小于2%。（3）水泥浆应掺高效减水剂、阻锈剂，掺量由试验确定。严禁掺入氯化物或其它对预应力筋有腐蚀作用的外加剂。（4）预应力管道压浆应采用真空辅助压浆工艺式，压浆泵应采用连续式；同一管道压浆应连续进行，一次完成。压浆前管道真空度应稳定在-0.09～-0.10MPa之间；浆体注满管道后，应在0.50～0.60MPa下持压2min。（5）水泥浆搅拌结束至压入管道的时间间隔不应超过40分钟。（6）冬季压浆时应采取保温措施，并掺加防冻剂。7.2封锚（1）封端混凝土应采用无收缩混凝土，抗压强度不应低于设计要求；（2）封端前应对锚圈与锚垫板之间的交接缝用聚氨酯防水涂料进行防水处理。8.桥面防水层8.1桥面防水的重要性及存在的问题（1）桥面防水是保证梁体耐久性的重要环节，我国既有铁路桥梁中80％以上的病害均与水害有关。（2）目前存在的主要问题：①生产厂家多，各种低价劣质成品多；②低价中标、原材料质量低劣；③施工单位重视程度低，施工质量差；④检验手段不完善。8.2保证桥面防水质量的措施（1）加强原材料的检验和施工过程的质量控制；（2）桥面防水层保护层中聚丙烯纤维网掺量不应小于1.8kg/m3；保护层混凝土断缝设置应满足设计要求，并用聚氨脂防水涂料将断缝垫实、垫满；（3）防水层构造、排水坡度、桥面泄水管位置应符合设计要求；（4）泄水管和泄水管盖板构造应符合设计要求。9.架梁9.1支点不平整效应试验简介（1）支点不平整量与支点反力的关系01234-600-3000300600R1支点下沉实测值:R1R2R3R4计算值支反力变化量(kN)支点不平整量(mm)0481216-1600-80008001600R1、R3支点下沉实测值:R1R2R3R4计算值支反力变化量(kN)支点不平整量(mm)实测箱梁两对角支点反力为零时支点不平整量＝11.99mm，限元计算＝9.61mm。当支点不平整量大于7～8mm后，箱梁顶、底板纵向已经开裂，横向刚度降低，因此实测箱梁的临界脱空量大于计算值。箱梁下沉支点及其对角支点处顶板横向承受正弯矩作用，同端另一支点处顶板横向承受负弯矩作用。顶板开裂前，实测结果与计算接近。当支点不平整量分别在4mm和6mm时，顶板底面、顶面的实测最大拉应力各达到4.0MPa；当支点不平整量大于7mm，顶板横向出现肉眼可见裂缝。（2）出现支点不平整箱梁的顶板横向应力024681012-400-20002004004.0MPaLine实测值：南侧北侧计算值顶板底面实测横向应变支点不平整量(mm)024681012-400-20002004004.0MPaLine顶板顶面实测值：南侧北侧计算值实测横向应变支点不平整量(mm)箱梁支点下沉处的底板与相同位置顶板所受的弯矩方向相反。底板横向开裂前，实测结果与计算接近。当支点不平整量大于6mm时，箱梁底板底面实测应变明显减小，说明底面横向已经出现细微裂缝，顶面横向拉应力也接近4.0MPa；当支点不平整量大于8mm时，底板出现明显的肉眼可见裂缝。（3）出现支点不平整箱梁的底板横向应力024681012-300-15001503003.0MPaLine实测值：南侧北侧计算值底板底面实测横向应变支点不