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1、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2005年12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,3.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)
2、 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,4.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535；（2）混凝土拌和物入模温度宜控制在1030；（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
3、方面：混凝土养护温度的控制先期生产时混凝土的早期开裂,混凝土的水化热发展规律,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1620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。,混凝土水化热的下降,梁跨中及端部截面底板每小时降温约0.450.55，顶板每小时降温约0.350.45，腹板每小时降温约0.300.35。,箱梁混凝土与环境的温差,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1720外，箱梁其他部位与环境的温差基本在15之内。同时，梁体混
4、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。,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;（2）为有效避免可能出现的梁体早期裂缝，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，应采用三次张拉工艺；（3）应对张
5、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,（1）管道摩阻损失的组成 由摩擦引起的摩阻(摩擦系数m) 由管道偏差引起的摩阻（摆动系数k，并与管道长度有关） 因此，
6、设计规范中计算管道摩阻损失的公式为： P2/P1e-(kx+mq),（2）影响损失的主要因素,摩擦系数(相对较稳定)； 管道弯起的角度； 管道的长度； 直管道的平顺程度。其中：24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,（1）产生损失的原因,（2）影响损失的主要因素,锚口摩阻： 夹片的加工精度； 限位高度； 钢绞线的直径。喇叭口摩阻： 分丝角度； 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
7、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
8、每100件进行一次测试。 6.3.1 管道摩阻试验,6.3.2 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：梁体锚底之间钢绞线的伸长量(设计值)；工作锚与工具锚之间钢绞线的伸长量；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：钢绞线的弹性模量；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,令,由,钢绞线微段的伸长量,为,，两边积分得：,（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LL1K1K2L2L3,6.3.3 严格
9、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
10、.5级低碱硅酸盐水泥或低碱普通硅酸盐水泥，浆体水胶比不应超过0.34，水泥浆不得泌水，0.14MPa压力下泌水率不得大于2.5；浆体流动度不大于25s，30min后不大于35s；压入管道的浆体不得含未搅匀的水泥团块，终凝时间不宜大于12h。水泥浆28d抗压强度不小于35MPa，抗折强度不小于7.0MPa；24h内最大自由收缩率不大于1.5，标准养护条件下28d浆体自由膨胀率为00.1。（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
11、道真空度应稳定在-0.06-0.10 MPa之间；浆体注满管道后，应在0.500.60MPa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：生产厂家多，各种低价劣质成品多；低价中标、原材料质量低劣；施工单位重视
12、程度低，施工质量差；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,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78mm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
13、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,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
14、支点不平整箱梁的底板横向应力,（4）试验研究结论： 为保证箱梁端隔板不出现裂缝，并留有一定的安全储备，箱梁支点不平整度应控制在3mm以内，施工阶段可限制在5mm以内。当支点不平整量超过5mm后，在端隔墙及顶、底板出现裂缝的可能性很大，只要恢复支点平整，裂缝基本闭合，肉眼仅可观察到很细微的裂缝（0.05mm）。,9.2 保证箱梁各支点受力均匀的措施,（1）采用新的架梁方式，即预制梁落下后应采用测力千斤顶作为临时支点，应保证每支点反力与四个支点的平均值相差不超过5%。（2）支承垫石顶面与支座底面间隙应采用压力注浆填实。（3）加强支座成品的检验工作，要求配套检验（四个支座受力后的竖向相对变形小于1m
15、m）,9.3 架梁的其他要求,（1）落梁时，支承垫石顶面与支座底面之间注浆材料的强度不应低于垫石混凝土的设计强度，弹性模量不小于30GPa，厚度不小于10mm。注浆压力不小于1.0MPa。 （2）预制梁架设后，与相邻预制梁端的桥面高差不应大于10mm，支点处桥面标高误差应在+0-20mm。,10.静载检验及质量要求,10.1 质量要求与以往的质量要求相比增加的项目：（1）终张拉30天后梁体上拱度L/3000；（2）钢筋的保护层厚度不小于设计值。,10.2 静载检验,与T形梁相比，箱梁的受力有以下特点：（1）箱梁的剪力滞后效应；,以秦沈客运专线跨度24m预应力混凝土双线整孔简支箱梁为例：,综合剪
16、力滞系数1.044其中： 自重剪力滞系数1.035二期恒载剪力滞系数1.041中活载剪力滞系数1.053静载检验(5点加载)剪力滞系数1.071考虑剪切变形后的刚度折减系数0.91,（2）箱梁单线受力下的扭转效应；,单线加载实测应力/双线加载应力82.8%； 要求加载（卸载）时两侧荷载差在5之内。,（3）箱梁支点不平整效应；,（4）箱梁设计时刚度控制设计，活载在设计荷载中的比例减少，导致混凝土抗拉强度部分在抗裂安全系数计算中所占比例较大，因此虽然箱梁的设计抗裂安全系数均在1.3以上，但只要出现早期裂缝，其抗裂安全系数只能达到1.01.05之间。上述情况表明，只有加强预应力混凝土箱梁施工的过程控制，才能保证梁体的质量和静载检验的合格。,
