永南高速桥梁预应力精细化施工技术讲义.ppt

1,桥梁预应力精细化施工技术 及张拉智能控制系统 主讲人：徐有为 吴涛,2,永南高速公路 桥梁预应力精细化施工技术 主讲人：徐有为 湖南联智桥隧技术有限公司 2010.10,3,目 录 1. 现有预应力桥梁病害分析 2. 预应力施工的现状 3. 桥梁预应力精细化施工技术 4. 锚下有效预应力检测,4,预应力技术在桥梁结构上运用越来越普遍。预应力桥梁其主要特点是： 工程造价相对相对较低 施工简单、快捷 结构自重轻，适应能力强 维护费用较少,1 .现有预应力桥梁病害分析,5,我国修建了大量的预应力桥梁，收到了良好的社会效益和经济效益，但由于预应力结构的设计、施工过程中仍然存在一些通病，在过去的二十多年里也给我们的桥梁主管部门和建设部门造成了严重的损失，归纳起来主要有如下几点： 梁体下挠 梁体开裂 耐久性问题,6,1.1梁体下挠 梁体内不能建立有效的预应力，在混凝土徐变的共同作用下，梁体必将发生严重的下挠。挠度过大不但会使跨中主梁下凹，破坏桥面的铺装层，影响桥梁的使用寿命和行车舒适性，甚至危及行车时的安全。,7,1.2 梁体开裂 在预应力桥梁使用中发现，有相当数量的箱梁在顶板、腹板、底板、横隔板以及齿块等部位出现了各种不同形式的裂缝，其中箱梁腹板裂缝最为普遍和严重。腹板裂缝一般集中在1/8跨至3/4跨之间，其中距支座l/4附近腹板斜裂缝数量较多，裂缝开展宽度一般在0.150.5mm之间；通常腹板内侧的裂缝数量较多，夏季缝宽较冬季有所增大，较宽的裂缝贯透腹板，在结构上呈一定的对称性。,8,裂缝产生的主要原因有： 除设计计算方法、混凝土收缩徐变、温度、施工因素和混凝土应力限值的影响外，在梁体内未能建立有效预应力是关键影响因素。,9,1.3 耐久性问题 由于预应力筋的有效预应力失效或梁体裂缝，特别是纵向预应力损失过大引起下挠和底板横向裂缝的进一步发展。当发展到一定程度，由量变转为质变，严重的影响到桥梁的使用寿命。,10,1.4 预应力桥梁破坏实例 1）钟祥汉江大桥 钟祥汉江大桥设计使用寿命50年，1993年竣工验收时工程质量等级优良，但仅运行10年便成为危桥。2001年检测，省交通部门就发现梁体有裂缝。2004年，大桥“病症”加剧，主桥箱梁腹板开裂，中间三跨跨中底板横向贯穿开裂，且仍在发展；两个次边跨下挠严重；混凝土劣化严重；箱梁接段质量较差，箱梁顶板开裂渗水；抽查的底板纵向预应力管道未见压浆；预应力钢束有断丝、滑丝现象，部分钢筋锈蚀严重。大桥荷载等级远低于原设计标准，不能满足使用要求，被定性为“危桥”。最终与2005年封闭并拆除。,11,拆除中的钟祥汉江大桥照片,12,2）三门峡黄河公路大桥 三门峡黄河公路大桥主桥为一座6跨预应力混凝土连续刚构桥，长1310.09米，跨径布置为105m+4160m+105m，于1993年建成通车。2002年6月对该桥的检查发现，跨中区域下挠最大达到22cm，另外箱梁腹板出现大量斜裂缝，且裂缝长度数量不断增加，结构承载力有下降趋势。为确保桥梁正常安全地使用，2003年7月对其主桥上部进行加固。主要加固项目：增设体外纵向预应力钢束提高承载力；处理裂缝，用压浆、封闭法及粘贴钢板修补裂缝。处理蜂窝、麻面和空洞；处理掉块、漏筋部位。总投资达2408万元，2005年底进行了竣工验收。为防止大桥出现二次病害，确保大桥安全，自本次工程竣工之日起，在桥两端设立超载、超限监控室，对过桥车辆进行限速、限距、限载控制，禁止55吨以上车辆过桥。,13,限载中的三门峡黄河公路大桥,14,3）黄石大桥 黄石大桥为一座5跨预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为162.5m+3245m+162.5m，于1995年建成。 该桥通车运营3年后，跨中仍然持续下挠。该桥运营7年后，各跨跨中均有明显下挠，与成桥时相比，大桥北岸次边跨2号墩和3号墩之间主梁跨中下挠累计已达30.5cm，中跨3号墩和4号墩之间主梁跨中下挠已达21.2cm，南岸次边跨4号墩和5号墩之间主梁跨中下挠累计已达22.6cm。 国内外出现问题的预应力桥梁还有很多，在此我们不一一例举!,15,16,2.预应力施工的现状,现今的预应力施工技术的不规范是造成桥梁病害的主要原因，目前的预应力施工工艺存如下几个问题：,17,2.1 同束有效预应力不均匀度过大,单根索受力不均匀性较大，张拉时出现断丝或滑丝现象。主要原因是纲绞线相互缠绕 ，长短不一，不能达到共同受力。即使张拉时不出现事故，锚下预应力经过长期的衰减后，在使用阶段仍然可能大于其疲劳极限0.65倍极限抗拉强度，在汽车等活载作用下将造成绞线的早期疲劳断裂。,18,2.2 同断面有效预应力大小和不均匀度不满足要求,1. 施工过程中各种原因导致的张拉控制应力与设计值偏差过大 预应力过大：可能导致预应力筋的破断，造成结构过大 变形或出现裂纹； 预应力过小：则预应力度不足，造成结构开裂、下挠等。,19,2. “双控法”存在人为读数误差的问题。压力表的标定不规范及标定条件与现场条件的差异将导致较大的张拉力误差。 3. 持荷时间不够将不能使预应力充分传递，张拉后未及时压浆将可能导致钢束的腐蚀。 4. 多节段施工的连续梁桥、刚构桥预应力钢束与管道的实际摩擦系数以及管道偏差系数k通常比规范规定的要大。,20,5.梁中同断面束力不均导致梁体有害变形 穿束工艺不当和管道漏浆，导致绞线无法穿全，整束束力变小。如下图2-1。,图2-1 穿束工艺不 当导致绞线无法穿全,21,2.3 张拉过程存在的问题,由于缺乏有效监控手段，对预应力筋张拉的同步性和对称性至今没有明确的质量标准；分批张拉造成的损失，梁体非对称受力引起梁体的平弯和扭曲，非对称受力过大导致梁体产生过大不利扭转变形。 由于受到监测手段的限制，桥梁工程预应力束同步张拉一般采用步话机人工控制，其同步精度根本无法保证。 张拉中停顿时间不充分，使得预应力筋回缩、锚具变形等原因引起的预应力损失十分大，严重影响有效预应力的建立。,22,2.4 缺乏检测验收的评估手段,现行规范对预应力工程施工中有效预应力控制与检测，都有十分明确的要求。 仅采用双控法根本无法达到规范的要求。由于缺乏完整的检测手段。使用传感器进行检测的方法只能被动检测，不能主动控制，同时精度不高，加之价格因素，无法完全实现。造成混凝土结构中建立的预应力状况与设计相差较大，使得梁体存在问题而导致其下挠和出现裂缝，甚至断裂等严重后果。,23,3. 桥梁预应力精细化施工技术,桥梁预应力精细化施工主要包括以下几个方面： 梳编穿束工艺 预应力张拉施工控制 锚下有效预应力检测,24,3.1 梳编穿束工艺,梳编穿束的目的：有效控制同束不均匀度 梳编穿束根据钢束长度不同施工工艺有所差别 分为： 短束梳编穿束工艺 长束梳编穿束工艺,25,3.1.1 短束穿束,适用范围：跨径小于或等于45m的预制梁及其它钢束长度较短、根数较少、重量较轻的预应力钢束应采用短束梳编穿束工艺。 优点：充分利用施工现场的材料器具梳编穿束。如以锚具代替梳束板、塑料瓶代替牵引头。其它扎丝、扎勾、卷扬机等一般施工现场均具备。,26,短束梳编穿束步骤： 下料：锚具孔中间绞线下料长出20cm，其它绞线下料应基本一致。 编号：每根钢绞线的两端应编上同样的号码，同时对锚具进行编号，两端的锚具应同时编号，一块锚具顺时针编号，另一块锚具逆时针编号。如下图3-1所示。 端头帮扎：端头分层绑扎再整体绑扎，根据绞线根数不同形成一个矩形、梯形等形状。 梳束：利用梳束板或锚具对钢绞线进行梳理，每梳理钢绞线长度约1m时，用扎丝把钢绞线扎紧，绑扎时扎丝端头朝上。逐段绑扎直至将钢绞线梳理完毕 。,27,穿束：钢丝绳一端连接卷扬机，另外一端做成绳套与钢绞线穿入端绑牢，穿入端端头可用塑料瓶套住并用胶带缠紧。启动卷扬机缓慢匀速拉动钢绞线。 对中调整：穿束完毕后，先将中间钢绞线套入锚具孔内中间位置，上夹片，稍微顶紧，再将其它钢绞线分别套入对应的锚具孔内。旋动锚具使两端锚具各孔位对中。,28,图 3-1 钢绞线编号,29,图 3-2 锚具编号,右端锚具,左端锚具,30,图3-3 钢绞线端头绑扎,31,图3-4 梳束与绑扎,32,图3-5 梳束（2）,33,图3-6 穿束,34,图3-7 对中调整,35,3.1.2长束的穿束,跨径大于45m的预制梁、连续现浇构件及其它钢束长度较长、钢绞线根数较多、重量较重的预应力钢束应采用长束梳编穿束工艺。,1.梳束板（或锚具） 2.钢绞线 3.牵引螺塞 7.绑扎胶带 13.扎丝 图3-8梳编穿束示意图,36,长束梳编穿束工艺步骤： 1 钢绞线下料完毕后在其一端套入锚板作为梳束工具（也可用限位板），用砂轮锯将该端钢绞线各索端头切割2030cm，但保留中心一根钢丝。 2 将中心丝穿入具有与锚具相似位置孔的牵引螺塞（牵引螺塞上各孔距略大于钢绞线直径）后镦头（图3-9），镦头直径大于牵引螺塞孔的直径，以满足整束穿束时拖动钢绞线平动的要求。 3 镦头后的整束钢绞线（图3-10）通过牵引螺塞和螺旋套连接（图3-11），牵引螺塞外径和螺旋套内径相同，均带有丝口，拧紧即可。,37,4 钢绞线穿束前钢绞线端头（包括切割部分）须用胶带缠绕保护（注意牵引头缠胶带以前，应先用卷扬机牵引，使各根钢绞线在镦头处长短一致），防止穿束过程中钢绞线端头散索。 5 将牵引螺塞与螺旋套连接，螺旋套另一端由卷扬机上的钢丝绳牵引，穿束时由卷扬机缓慢牵引整束钢绞线平动完成整束穿束。若受场地限制可利用转向滑轮，也可增加卷扬机，钢绞线牵引时应采用锚板边梳理边绑扎，绑扎间距宜为1.0m。在穿束过程中，注意只克服钢绞线与波纹管的摩阻，便于对系统的保护。,38,图3-9 整束穿束的牵引套,39,图3-10 钢绞线的墩头,40,图3-11 镦头后整束钢绞线及牵引头,41,图3-12 牵引头与牵引套连接后,42,动画演示 梳编穿束工艺动画演示,43,3.1.3分节段施工的连续梁桥和连续刚构桥钢束穿束,1. 对于分节段施工的连续刚构桥，宜采用梳束板梳束，梳束板上各孔的大小应略大于钢绞线直径，但也不宜过大，防止其在穿束过程中扭转与其它钢绞线缠绕。 2. 梳束板各孔的间距宜为2mm，并且各孔位应做好对应编号，其位置应与锚具安装孔位保持一致。 3. 梳束时，连接器周边带挤压套的钢绞线与梳束板之间钢绞线线形应平顺，没有相互缠绕，对已梳理顺直的钢绞线可在远端进行逐段绑扎。 4. 梳束结束后，将绑扎好的整束钢绞线进行编号再穿束。 其它步骤参照长束梳编穿束工艺执行！,44,施工单位按照梳编穿束工艺进行，在工艺实施过程中，梳束与穿束可分别同时进行，在熟练掌握后不仅不会耽误工期，还能大大提高工程效率，并消除各根绞线受力不均引起的滑丝、断丝等事故。,45,3.1.4 梳编穿束实例,梳编穿束不当会严重影响各绞线受力的均匀性。,46,省内某高速第1合同段a匝道三号桥19-5#梁、水龙互通主线桥纵向束锚下有效预应力检测。 同束不均匀度检测结果：,47,表3-1 索力不均匀度检测数据（t梁）,孔号：1 索力不均匀度：51.46% 梳束编束穿束质量：很差,48,孔号：4 索力不均匀度：22.46% 梳束编束穿束质量：很差,表3-2有效预应力检测数据（连续刚构纵向束）,49,经过退索后处理后采用整束穿束的方法进行梳编穿束后，取得了明显效果，同束索力不均匀度大为改观，绝不会出现张拉中的断丝现象，检测数据见下表所示。,50,表3-3 索力不均匀度检测数据（t梁）,孔号：1 索力不均匀度：4.06% 疏束编束穿束质量：优秀,51,孔号：4 索力不均匀度：7.36% 疏束编束穿束质量：良好,表3-4 有效预应力检测数据（连续刚构纵向束）,52,3.2 预应力张拉施工控制,包含以下几个方面的内容： 张拉准备 张拉施工工艺 断丝处理 停顿（持荷）时间 张拉过程控制,53,3.2.1 张拉前检查,张拉前检查砼龄期、强度外观尺寸是否符合设计要求，锚具位置砼的质量，有无蜂窝或其他缺陷等，应及时处理。因锚具位置处局部承压和应力集中，砼质量缺陷将导致张拉时发生意外。,54,省内某高速预应力张拉时发生锚下混凝土压碎的事故:,图3-13 锚下混凝土呈蜂窝状,图3-14 锚下混凝土压碎后二次浇筑,55,3.2.2 张拉前对仪器进行标定及张拉读数,张拉机具现场整体静态标定 现场：现场标定保证使用环境与标定环境的一致性。 整体：即千斤顶、油表、油泵同时成套标定。 静态：保证再每个标定停顿点持荷时间在30秒以上。,56,张拉系统的标定必须保持静态，绝不允许动态标定，否则由于摩阻影响、内泄漏影响将导致标定时油压表读数偏大，而张拉持荷时必然导致张拉力的恶性增大，加之各绞线受力不均，势必使受力大的绞线在张拉时进入屈服区，导致预应力施加的全面失败。,57,标定期限： 长期不使用、标定时间超过6个月、6个月内正常使用超过两百次、使用中预应力机具设备或仪表出现反常现象、千斤顶检修后均应重新标定。,58,油压表的精确读数 对张拉设备标定完好的设备，仍存在同梁束力不均匀度较大的问题，这就要求现场张拉人员对油表进行精读数，读数时读数人员所站位置与视线对读数结果均有不同程度影响。因此应让张拉读数操作人员参与标定读数，并使其逐步适应准确定位精读油压表数，提高张拉力的控制精度。,59,3.2.3 张拉施工工艺,预应力筋的张拉，应采取多顶同步分级张拉工艺，使梁在施加预应力的过程中受力均匀、对称且同步。施加预应力后，各束受力均匀度高，不会发生像传统逐束张拉时，梁体受到偏心力矩发生弯曲扭转，产生有害变形。,60,张拉施工时，各张拉机具应在保压持荷均达到稳定后同步放张。为排除混凝土的弹性压缩不均、预应力筋回缩及锚具变形不均等对张拉后有效预应力的影响而产生同断面有效预应力不均匀，采用设计规定的分级张拉程序，尽量消除各束预应力损失不均带来的有效预应力偏差。,61,对于竖向束等短束，主要根据由锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩造成的预应力损失情况来调整张拉应力，必要时采用低回缩值锚具； 对于长束、环形束，主要根据摩阻损失情况来调整张拉应力。确定张拉应力时必须考虑预应力筋束有效预应力的不均匀度，最大张拉应力不允许超过其屈服强度的0.94倍。,62,对于端部设有锚圈（有锚圈口摩阻损失的锚具）的锚具，张拉控制应力小于张拉应力；对于端部不设锚圈（无锚圈口摩阻损失的锚具）的锚具，张拉控制应力等于张拉应力。,63,张拉控制应力与锚下有效预应力的区别 张拉控制应力：是张拉时对预应力筋锚下所施加的最大应力值。 锚下有效预应力：是锚固后张拉控制应力扣除了各种因素的预应力损失（此时主要是绞线回缩和梁体压缩）。,64,精轧螺纹钢筋： 可反复张拉到控制应力，以尽可能消除构件间的非弹性 变形，然后按正常张拉程序张拉锚固后测伸长和锚固；也可采用先张拉、锚固，在压浆前再次重新张拉、锚固的方法张拉。,梁的竖向预应力筋施工控制,65,低松弛钢绞线： 可采用“二次张拉低回缩钢绞线竖向预应力锚固体系，指在第一次按照常规的方法将钢绞线张拉至控制应力后放张后锚固，第二次张拉将低回缩值锚具的锚杯连同预应力筋整体张拉至设计控制应力，此时锚杯下端将离开垫板5-10mm，持荷2分钟，最后向垫板侧拧紧支撑螺母，消除锚杯与垫板之间的空隙，以弥补第一次张拉锚固所产生的预应力损失，提高有效预应力。,66,图3-15 二次张拉（锚杯与预应力筋整体张拉）,67,3.2.4 断丝处理,断丝原因分析： 预应力筋整束不均匀度过大，部分绞线应力大于其极限强度； 钢绞线本身质量有问题； 千斤顶重复多次使用，导致张拉力不准确，应重新标定千斤顶； 锚具存在质量问题。 限位板、工具锚与锚具孔位分布不重合一致，发生偏位。,68,断丝处理： 张拉过程若出现断丝情况，可能因为绞线受力不均匀度过大或锚具、绞线存在质量问题。 若因为锚具或绞线质量不合格而出现断丝情况，必 须更换锚具或绞线。 若由同束绞线受力不均而引起的断丝，说明梳、编、穿束工艺有问题。若因张拉力过大或同束索力不均匀度过大而导致断丝，必须更换，同时对所有束进行检测，必要时退锚，重新梳束。 重新按锚具孔位分布加工限位板、工具锚。,69,3.2.5 持荷时间,持荷时间为油泵开启、油压表读数稳定后的稳压时间，按照规范要求：不得少于2分钟。一般来说，从张拉至张拉控制应力到油压表读数稳定一般要35min（与梁的长短、预应力筋布局、张拉方式有关）。 一般来讲30mt梁两端张拉时停顿时间约3分钟，30100m约5分钟，100200m约5到8分钟。以保证有效预应力充分传递，对梁体反拱也有很大好处。同时，充分的持荷时间可以部分抵消由于梁体和锚具变形，接缝压缩等所造成的预应力损失。,70,3.2.6 张拉控制,1 张拉过程控制 在预应力张拉过程中，张拉过程控制包括： 单束钢绞线两端张拉同步性：保证有效预应力在钢绞线内合理均衡分布； 多束钢绞线对称张拉同步性：避免使梁体不因受到偏心力矩作用而发生弯曲扭 转和侧弯，不在锚下等部位产生过大的附加内力而变形，也可以防止先张拉的钢束的应力受后张拉钢束的影响； 张拉停顿点同步性：在张拉到控制力的50%以后至最终张拉力值的控制尤为重要，这时张拉不同步对预应力质量的影响将变大； 张拉过程的同步性：是比较各个停顿点各顶张拉力的同步性，根据停顿点持荷时波峰波谷的差值，能发现千斤顶是否存在内泄漏。,71,2 同步性控制的传统方法 张拉跟踪控制需保持张拉过程中两端的同步性，传统方法是在张拉时两端操作人员通过步话机相互报告张拉值、伸长值的数据。由于两端张拉同步性要求高，在张拉过程中，应增加停顿次数。加载到张拉控制应力应保证其精度和足够的持荷时间，再缓缓同步放张锚固。但数据记录、表报处理费时费事。 双控法更好的方法： 采用lz-5901预应力施工智能控制系统。,72,4.1 检测时间 预应力筋张拉后，24h内进行检测，以便准确掌握张拉质量，及时进行灌浆封锚；索张拉后，1h内进行检测，能做到检测控制及时，方便可靠，达到张拉质量控制的目标。,4 锚下有效预应力检测,73,4.2 检测控制的主要内容 对称张拉、两端张拉的同步性； 检测整束预应力筋和单根钢绞线的有效预应力。,74,4.3 精度要求 有效预应力检测精度： 单根钢绞线和整束预应力钢筋有效预应力大小允许偏差