摘要:现代桥梁建造技术中后张法预应力施工得到越来越深广的应用。预应力施工中的管道安装、张拉、压浆等对控制梁的质量起着至关重要的作用。后张法施工的预应力混凝土结构,除在模板、支架、钢筋、混凝土方面,会产生各种质量通病外,还有其特有的一些质量通病。这些通病多发生于混凝土浇筑中,预应力钢材的穿束、张拉,以及预留孔道灌浆、锚具封锚时。结合本人在工程施工中的经历,谈谈自已对后张法预应力施工技术中的一些质量通病及预防措施。
关键词:后张法;预应力;质量通病;预防
1 混凝土浇注时的质量缺陷
1.1 预留孔道塌陷
现象:当预留预应力钢材穿束的孔道时,选用胶管、钢管、金属伸缩套管、充气充水胶管抽芯方法预留的孔道发生局部塌陷,严重时与邻孔发生串通。
危害:局部预留孔道塌陷,使预应力钢材不能顺利穿过;张拉时孔道摩阻值过大;灌浆时,不能保证灌浆密实。
原因分析:抽芯过早,混凝土尚未凝固;孔壁受外力和振动影响,如抽管时因方向不正而产生的挤压力和附加振动等。
预防措施:钢管抽芯宜在混凝土初凝后,终凝前进行,一般以用手指按压混凝土表面不显凹痕时为宜,胶管抽芯时间可适当推迟。浇注混凝土后,钢管要每隔10~15min转动一次,转动应始终顺同一方向,转管时应防止管子沿端头外滑。抽管程序宜先上后下,先曲后直,抽管速度要均匀,其方向要与孔道走向保持一致。芯管抽出后,应及时检查孔道成型质量,局部塌陷处可用特制长杆及时加以疏通。夏季高温下浇注混凝土应考虑合理的程序,避免构件尚未全部浇注完毕就急需抽管。否则,邻近的振动易使孔道塌陷。
1.2 孔道位置不正
现象:孔道位置不正(水平向或竖向移位);危害:将引起张拉时管道摩阻系数加大或构件在预加应力时发生侧弯和开裂;
原因分析:用抽芯法预留孔道时,制孔管安装位置不准确,自身强度过不足,或制孔管管节连接不平顺。充气、充水胶管抽芯预留时,管内压力不足,或胶管壁厚不均。预埋芯管时,芯管安装位置不准确,或芯管因定不牢固,或“井”字固定回间距过大。
预防措施:抽芯法预留孔道时,制孔管应有足够强度,管壁厚度应均匀,安装位置应准确,管节连接或接头焊接应保持管道形状在接头处平顺。制孔用充气或充水胶管抽芯时,应预先进行胶管的充气或充水试验。管内压力不低于0.5Mpa,且应保持压力不变直至抽拔时。预埋芯管制孔时,芯管应用钢筋“井”字架支垫,“井”字架尺寸应正确。“井”字架应绑扎在钢筋骨架上,其间距当采用钢管时,不得大于100cm;采用胶管且为直线孔道时,不得大于50cm;若为曲线孔道时,取15~20cm。孔道之间净距,孔道壁至构件边缘的距离,应不少于25mm,且不小于孔道直径的一半。浇注混凝土时,切勿用振捣棒振动芯管,以防芯管偏移。需要起拱的构件,芯管应随构件同时起拱,以保证预应力筋所要求的保护层厚度。在浇注混凝土前,应检查预埋件及芯管位置是否正确,预埋件应牢牢固在模板上。
1.3 孔道堵塞
现象及危害:孔道被混凝土灰浆堵塞,使预应力钢材无法穿过。
原因分析:采用塑料套管被电焊火花击穿后形成小孔,而又未及时发现补救。采用金属套管锈蚀砂眼。浇注混凝土时,振捣棒碰坏套管,造成管身变形、裂缝,使水泥灰浆渗入。锚下垫板的喇叭管与套管连接不牢固,套管之间连接不牢,浇注混凝土时接口处混凝土灰浆流入孔道内。安装构件内处模板对拉螺栓时,钻孔用钻头碰坏套管。
预防措施:预埋芯管的各种套管安装前要进行逐根检查,并逐根做U形满水试验;安装时所有管口处用橡皮套箍严。入模后套管在浇混凝土前要做灌水试验;在套管管接口处加烟筒套管或套管揣袖连接管。套管内预穿衬管,混凝土凝固前反复抽拉衬管。锚垫板预先用螺栓固定在整体端钢板上,缝隙夹紧海绵条,防漏浆。穿束前要试拉、通孔或充水检查,看管道是否有不严和堵塞处。在张拉锚固区内,为加强锚垫板喇叭管与套管结合处的刚度,由锚垫板外口部插入直径5cm钢管约1~1.5m,可有效防止接口脱节。铺设套管后严格控制电焊机的使用,防电焊火花击穿孔道。
1.4 预应力锚具锚固区缺陷
现象:锚垫板位置不准确;锚固区漏埋锚固构造钢筋;张拉锚固端松动或封锚区混凝土不密实。
危害:锚垫板位置不准,影响锚具安装位置的准确;锚区漏埋构造钢筋,使锚垫板下混凝土在张拉时易开裂损坏;张拉锚固端松动造成预应力损失加大;封锚区混凝土不密实,不能有效保护锚头和有发生崩锚事故的危险。
原因分析:预应力混凝土施工经验不足或施工管理不严格,浇注混凝土前,未进行钢筋及预埋件位置的隐蔽检验,以致没有发现锚垫板移位或漏置锚固构造钢筋。由于预埋套管位置发生变化,造成锚垫板不垂直套管轴线或造成偏离设计位置过大,影响锚头正常安装。封锚区由于空隙小,振捣措施不适当,造成混凝土不密实。
治理方法:钢筋绑扎及预埋件安装工作要交底清楚,责任到人。坚持互检、交接检,发动施工人员层层把关。必须经专业隐检钢筋后方可开盘浇注混凝土。封锚区采用粒径小的骨料配制混凝土,隐检时,如认为有不能充分振捣处,应重新布置钢束套管及钢筋;并加强振捣,确保该区域混凝土密实。
2 穿束、张拉时的质量缺陷
2.1 漏穿钢束
现象:后张预应力混凝土结构中穿束时,漏掉一束或一股,张拉后才发现,或孔道灌浆后发现。
危害:使构件或结构不能具有足够的预应力储蓄,或形成张拉后结构预应力不均匀,降低其承载能力。
原因分析:施工管理混乱,或预应力钢丝(或钢绞线)编束时,未编号,使穿束人员心中底数不清。
预防措施:钢丝(或钢绞线)束编号时,应将钢丝(或钢绞线)逐根排列理顺,编扎成束,并按设计的不同规格依次编号,待对照设计图检查无误时,方进行穿束。张拉前,质检人员应对穿束情况进行检查,防止发生丢束或丢股问题。
治理方法:当可以补救时,用卸锚器对丢束(股)的钢束进行卸锚,补足后重新张拉,否则,要经设计验算,并按设计提出的补强方案处理。
2.2 张拉中滑丝(滑束)
现象:预应力钢材在锚具处锚固失效,钢丝束等随千斤顶回油而回缩。预应力钢材在锚具处暂时锚固住,但当卸顶时却发生滑丝。还有的工作锚的楔片凹入锚环中。
危害:使发生滑丝或滑束的钢束,产生超过设计考虑的预应力损失,降低结构或构件的承载力。
原因分析:张拉后锚固时,顶楔器在顶压时不伸出,则工作锚变成利用滑动楔原理自锚的锚具。由于XM锚不宜于以滑动楔原理锚固,而且施工时又不是按滑动楔锚固操作,形成预应力钢材或楔片的滑移量大,超过了回缩值允许范围而表现为滑丝或楔片夹片被回缩钢束拖入锚环内,造成钢束回缩而表现为滑束。工作锚的锚环与楔片、夹片之间有锈、泥沙或毛刺等异物存在,造成横向压力不能满足锚固时的要求,特别是使回楔锚固开始处不能满足牢固啮合,结果当预应力转换时出现滑丝。工具锚与工作锚之间的钢丝束编排不平行,有交叉现象,则卸顶时钢束有自动调整应力的趋势,可能因钢束轴线不平行于锚环孔轴线,使楔片夹片受力不均而锚固失效或发生滑丝现象。
预防措施:安装顶楔器前进行试顶,检查其顶压时是否伸出。锚具安装前对锚环孔和楔片、夹片进行清洗打磨,工具锚锚环孔、楔片用油石打磨。工具锚的楔片要与工作锚的楔片分开放置,不得混淆。每次安装前要对楔片进行检查,看是否有裂纹及齿尖损坏等现象,若发现此现象。应及时更换楔片;对夹片也应按上述要求检查或更换。严格检查钢丝束编排情况,防止交叉现象发生。
治理方法:张拉完毕,卸下千斤顶及工具锚后,要检查工具锚处每根钢绞线上夹片的刻痕是否平齐,若不平齐则说明有滑束现象。应用千斤顶,对滑束进行补拉,使其达到控制应力。如用XM锚时,可对已锚固的钢束,用卸锚器进行卸锚,然后重新进行张拉和锚固。
2.3 张拉中断丝
现象:张拉预应力钢丝或钢绞线,顶锚或稳压时发生钢丝或钢绞线断掉,其发生部位多在工具或联结器夹片前端,位置相同而数量不等。
危害:张拉中断丝,造成断丝的预应力束预应力损失增加。如超过允许根数,导致结构或构件的报废。
原因分析:对于钢质锥形锚具而言,由于锚圈上口倒角不圆顺,再加上顶锚力过大使钢丝发生断丝;或因钢绞线材质不均,钢绞线全断飞出;或由于钢绞线钢丝束受力不匀,如钢丝束或钢绞线有扭拧麻花现象,导致张拉受力不均,或因锚塞过硬,有刻伤造成钢绞线断掉。对于XM锚具,多由于千斤顶位置不正,造成夹片一侧刻入钢丝过深,或顶楔时钢丝产生应力集中,而发生断丝(如钢丝下料后,保管不好,有硬伤、死弯)。高强钢丝碳化,造成冷脆,张拉时断丝;或粗预应力钢筋材质不匀,张拉时断裂。预应力钢材下料时,采用电、气焊切割,使期材质变脆在张拉中断裂。
预防措施:检验张拉槽与锚垫板垂直面的平整度,保证锚垫板与千斤顶的顶面在张拉过程中始终保持平行。严格检查锚具,导角不圆顺、锚具热处理太硬的都不使用,对预应力钢材在材质上严格把关。对钢绞线和钢丝束采用预拉工艺,使其各钢丝理顺,以便均匀受力;张拉时适当减慢加载速度,避免钢丝内应力过快增长。预应力钢材的下料,不得采用电、气焊来切割,避免其材质冷脆。
治理方法:切除锚头,换新束重新张拉。
2.4 预留孔道摩阻值过大
现象:后张预应力混凝土预埋套管孔道实测摩阻值大大超过设计值。
危害:由于孔道摩阻过大,张拉中预应力摩阻损失增加,且使张拉伸长率超出-6%偏差。
原因分析:套管安装时水平变位,或振捣时造成水平变位过大。套管本身及接头漏入水泥浆,使孔道管壁不光滑。预埋套管轴向刚度太小,绑扎间距为1m时,绑扎点间套管轴线呈明显的悬链线形,造成管道局部偏差过大。预应力束编束时,各根钢丝(或钢绞线)不顺直,处于麻花状增大摩阻值。
预防措施:套管使用前,要进行严格的质量检验。要检查有无开裂、缝隙,有无小坑凹瘪现象及咬口不牢等问题。管道铺设中要确保管道内无杂物,严防管道碰撞变形,及被电焊烧漏;管道安装完毕尚未穿束前,要临时封堵管口,严防杂物进入孔道;施工中要保护好套管,严防踩踏弄扁。管道就位后,要做通水检查,看是否漏水,发现漏水及时修补,要进行试通。并应对有所阻塞的孔道进行处理。改善软管的直顺度,减小造成孔道局部变位的因素。钢筋骨架中套管的绑扎间距,由1m改为0.5m,并增设导向钢筋,提高套管的轴向刚度。管道在弯曲段应加密固定设施。对钢束穿束前应进行预拉,在预拉过程中使扭绞在一起的钢丝(或钢绞线)得以顺直。锚垫板附近的喇叭口与套管相接处,要用塑料胶布缠裹严密,防止灰浆流入管道。混凝土浇注过程中和浇注完毕后,要及时清理孔道内可能漏入的灰浆。可在梁两端专人用绑海绵的铅丝往复拉动,直至孔道顺畅为止。
治理方法:采用超张拉来抵消摩阻过大所产生的预应力损失。
2.5 张拉应力超标
现象:已张拉锚固后的钢丝束(或钢绞线束)抽样检测时,发现张拉应力值不足,或超过设计要求值的5%。
危害:不能保证结构在设计规定荷载作用下,不开裂,使结构承载力达不到设计要求。
原因分析:预应力混凝土预埋管道摩阻值过大。混凝土强度未达到要求强度就进行张拉,因混凝土收缩、徐变所引起的预应力损失值,与设计不符而使应力值不准确。预应力钢材个别束应力松弛率偏大。
预防措施:坚持超张拉按105%σk控制。坚持预应力混凝土的强度达到≥70%R设(或设计规定值)才进行张拉或放张。坚持按设计文件持荷5min的要求持荷,坚持张拉力接近最后一级时慢进油,且油表指针稳定后再顶锚。
2.6 张拉伸长率不达标
现象:张拉时,实行张拉应力与伸长率双控,产生张拉应力值达标,伸长率超标问题。
危害:说明张拉中存在不正常因素,如不停,将不能使结构的张拉应力达到设计要求。
原因分析:张拉系统未进行整体标定,或测力油表读数不准确。张拉系统中,未按标定配套的千斤顶、油泵、压力表进行安装,造成油表读数与压力数的偏差。计算伸长理论值所用的弹性模量E和预应力钢材面积不准确。伸长值实测时,读数错误,或理论伸长值为0至σk的值,实测值未加初应力时的推算伸长值,或压力表读数错误;或压力表千斤顶有异常。预应力钢材,有些弹性模量E或直径达不到产品标准,或个别钢材为应力松弛值大的材料。预留孔道质量差,产生过大管道摩阻。
预防措施:张拉设备应配套定期校验和标定。校验时,应使千斤顶活塞的运行方向,与实际张拉工作状态一致,张拉前,应检查各设备是否按编号配套使用,若发现不配套应及时调整。张拉人员必须经过培训,合格后方可上岗,并且人员要固定。要设专人测量伸长值,并及时进行伸长率的复核,一旦伸长率超标,马上停止张拉,查找原因。当异常因素找到、消除后,方可继续张拉作业。张拉前,做好各束预应力钢材的理论伸长值计算。张拉中发现钢材异常,应重测其弹性模量,钢丝直径,重新计算其理论伸长值。如实测孔道摩阻大于设计值时,应用实测摩阻μ值去重新计算理论伸长值。对初应力张拉推算伸长值的取舍,必须与理论伸长值计算中,初应力的取舍相对应。操作中应缓慢回油,勿使油表指针撞击,以免影响仪表精度。
3 灌浆时的质量缺陷
3.1 孔道灌浆不实
现象:灌浆强度低,在孔道内填充不饱满。
危害:由于孔道灌浆不实,易产生预应力钢材的锈蚀。对于通过灌浆握裹钢材,来传递预加应力给结构混凝土的作用,将有所削弱。
原因分析:材料的选用、材料的配合比不当,或铝粉的质量不好,未使水泥浆有足够膨胀,形成灌浆的抗压强度低于设计要求。灌浆的压力低、灌浆的顺序、时间不符合有关规定,当采用纯水泥浆时,未从另一端进行第二次灌浆。灌浆的操作工艺不当。
预防措施:灌浆用的水泥,应是新出厂,标号不低于425#的硅酸盐水泥或普通水泥,用水不得含有对灰浆和预应力钢材产生不良影响的物质;灰浆的水灰比宜控制在0.4~0.45之间,要求灰浆拌好3h后泌水率不大于2%,最大不超过4%,24h后泌水应全部被浆吸收。为在尽量小的水灰比下获得较大流动性,可掺入适量减水剂(如木钙);为减少灰浆的收缩,可加入水泥重的0.01%以下的铝粉做为膨胀剂。但要注意铝粉的细度、成份及颗粒形状,注意铝粉掺入时间,才能保证灰浆发生膨胀的时间正好在灌浆后与灰浆硬化前之时间区段内。灰浆的配合比,必须结合施工季节、使用材料,现场条件等灵活选取,通过试配试验确定。灰浆强度最小不低于20Mpa,才能移运。水泥浆的稠度宜控制在14~18s之间。灌浆前,要检查灰浆质量是否符合要求,检查灌注通路的管道状态是否正确通畅,对孔道应在灌前用压力水冲洗。张拉后应尽早进行孔道压浆(一般不超过14h)。压浆应缓慢、均匀、连续进行,灰浆入灰浆泵前应过筛孔为1.2mm的筛子,防止灰浆中颗粒堵塞孔道。压浆作业宜在灰浆流动性未下降的30min内进行。压浆顺序应先下后上,曲线孔道应从最低点开始向两端进行,灌浆压力以0.3~0.6Mpa为宜。孔道未端应设排气孔,灌浆到排气孔溢出浓浆后,才能堵住排气孔,继续加压到0.5~0.6Mpa,稳压2min后停止。为防止在锚具背面附近有空气滞留,应在此处设排气管。灌浆后,应填写灌浆记录,检查孔道密实情况,如有不实,及时处理纠正。压浆中,每一工作班留取不少于3组的7.07×7.07×7.07(mm)试件,标准养护28d,做为灰浆强度的评定依据。每孔道应一次灌成,中途不应停顿,否则需将已压灌部分水泥浆冲洗干净,从头开始灌浆。
3.2 管道开裂
现象:构件或结构的预应力管道,在灌浆前后沿管道方向产生水平裂缝。
危害:导致孔道内预应力钢材发生锈蚀。
原因分析:抽管、灌浆操作不当产生裂缝。由于灰浆泌水量较多,或灰浆水灰比大,灰浆硬结后形成空腔,夏季有水渗入,冬季冻胀使管道产生开裂。施工中,个别钢束孔未灌浆,存留其中的水发生冻结,使管道产生裂缝。
防治方法:混凝土应振捣密实,特别是保证孔道下部的混凝土密实;对于抽芯法预留孔道时,防止抽管时使管道产生裂缝。避免冬季进行灌浆。如需要时,要保持管道周围温度在灌浆前不低于5℃,灌注灰浆的温度宜控制在10~20℃之间,压浆中及压浆后48h内,结构混凝土温度不得低于+5℃,否则应采取保温措施。灌浆中认真检查,防止发生漏灌现象。对开裂管道,将裂缝部分混凝土凿掉,排除积水,然后再压注灰浆或树脂剂等,填满所有空隙。
3.3 管道压浆困难
现象:预应力钢材张拉后,发理孔道无法灌浆,或灌注过程中,发生不能完成灌注灰浆的。
危害:无法保证预应力钢材的安全。
原因分析:浇注混凝土过程中,振捣器将灌浆管或排气管碰坏,使混凝土钻入管道内,造成无法灌浆。套管被振捣器压振变窄,预应力钢材或套管生锈及存有异物,灌浆时灰浆将铁锈及异物聚集,妨碍灰浆通过。灌浆前,未事前清洗管道,灰浆失水沉积;灰浆未过筛,混入灰浆的异物、颗粒堵塞灰浆通道。
防治方法:对于无法灌浆的情况,应避免强行灌注,可采取措施凿除侵入混凝土,设法让灰浆通过。灌浆前,必须让灰浆通过1.2mm筛孔的筛,并用压力水冲洗管道。在炎热夏天,压力水冲洗,可降低灌注通路温度和湿润通道,避免灰浆早凝、早硬、沉积。当发生灌注中管道堵塞时,应中止灌浆,立即由相反方向灌入压力水,将已灌灰浆完全排除,待灌注通道畅通后,再重新灌浆。
3.4 锚具未用混凝土封堵
现象:后张预应力构件张拉后只灌浆,锚区未用混凝土浆锚头封堵,就吊运或安装。
危害:未浇注封锚混凝土,应吊运、安装构件是十分危险的做法。锚头极易受振动、碰撞产生滑束,甚至崩锚。轻者构件报废,重者件毁、人亡。
原因分析:对及时封锚的重要性认识不足;或管理不严格,吊运前未进行认真检查。
防治方法:建立严格有效的出厂检验制度。生产中的技术交底要强调及时浇注封锚混凝土,并严格控制其质量和外形尺寸偏差。发现未封锚已移运的构件,要检查锚头锚固情况,根据其是否完好决定构件是否报废。对可用的封锚后,经静载试验检验合格方可安装。
预应力施工是现代桥梁施工中的关键部分,只有通过正确的操作方法和严格的施工工艺和严格的材料检验,才能达到较高的施工质量。
