现场预制预应力方桩的关键工序和技术难点浅析

现场预制预应力方桩的关键工序和技术难点浅析

摘要：主要针对在新回填土陆域上，采用先张法预制空心钢筋砼预应力方桩的施工工艺和技术难点进行实例分析，阐述了墩式台座钢梁结构形式的张拉台座设计，生产线的基础处理，单根张拉、砂箱放张及桩的吊运堆放工艺。

关键词：预制场 设计 施工 关键环节 技术难点

一、工程概况：

某沿海化工码头，码头结构形式采用典型的高桩梁板结构，桩基础为50×50的预应力空心方桩。施工现场周边均为山体，没有预制场地，但业主前期已经开工的围海造地工程中，已经填出有约100亩的罐区用地。综合考虑各方面因素并通过论证，施工单位决定在新形成有半年时间的陆域上搭建预制场进行预应力桩的生产。另外，在已经形成的南侧护岸上修建一个临时的出运码头用于桩和其他构件的运送作业。

二、预制场的建设、工艺设备的设计、加工：

1、总体方案：

在新形成的陆域上划出一块200m（长）×90m（宽）的场地作为预制场地；预制生产线长129m，宽5.8m，端部设计采用重力墩式台座二钢梁结构，一端锚固，另一端张拉。因生产线地基为新回填土，地基处理采用强夯碾压，以三合土、碎石碴做稳定层，面浇8cm的混凝土，每20m面层设置一伸缩缝；生产线两侧均设有排水沟，靠临时公路一侧设置一道围墙，保证施工张拉过程中行人及过往车辆的安全，也使施工现场形成一个独立的施工场地。（详见总平面布置及生产线结构图：图一、二）。

图一预应力钢筋砼桩预制加工场平面布置图

1.台座受力结构2.横梁3.台面4.预应力钢筋5.锚固夹具6.构件

先张法生产示意图

图二预应力钢筋砼生产线端部断面及平面图

2、模板设计加工：

底模由厚度1.8cm的胶合板制成，上面加铺设1cm厚的钢板，并用钉子钉牢，两边钉上2×2cm的三角木条作为方桩的倒角。

侧模采用厚度为2.5mm钢板，外侧用5cm×0.5cm角钢加强，中间采用4mm钢板条加固，上面钻ф14孔作为支模时定距杆固定孔，两侧各钻2个ф14孔，以便侧模之间的M12螺栓连接。钢模板要求有足够的强度和钢度，板面应平整、无变形、无扭曲。上方钉上2×2cm三角木条做为方桩倒角。

3、连接部位的设计、加工：

①固定端和张拉端各8根丝杆（由Ⅲ级28大头钢筋、Ⅲ级28钢筋、JM-25锚杆对焊而成，长3米）插入导向板孔，并加垫片、螺母；②桩帽穿入8根预应力钢筋中，将8根预应力钢筋由固定端起按顺序与连接器连接；③连接后保证张拉端丝杆伸出同一长度，并由固定端进行拧紧，将8个预应力钢筋拉直；④张拉端丝杆与千斤顶张拉杆连接；⑤所有的桩身预埋件应在连接中就位并检查。

4、张拉与放张设备的制作设计

①本工程采用了YC-60A型千斤顶，EB4-500型电动油泵；②因为本工程的预应力桩为轴心受压构件，为防止放张过程中产生偏心受压或出现附加应力，采用了砂箱放张发，所有预应力钢筋同时放张。砂箱由钢材制作的套箱和活塞组成，砂箱中的砂采用中砂，预应力钢筋放张时，将出砂口打开，砂慢慢流出，达到均衡徐徐放张的效果。（如下图所示）

1.活塞 2.套筒 3.套箱底板 4.砂 5.进砂口 6.出砂口

砂箱结构示意图

三、现场预制桩制作的关键环节和技术难点

1、地基处理和张拉台座测试：

A：地基处理①在新填土上实施陆上强夯，采用30T强夯机，按5m间距夯击三遍布置夯点，第一、二遍夯击能量控制为2000KN·M，第三遍夯击能量为1000KN·M，强夯后再来回碾压一次并整平；②铺以三合土、碎石渣做稳定层（厚30cm），面浇8cm厚C20砼，面层每20m设一道伸缩缝（缝宽3cm）；③对于处理后的地基进行连续的沉降观测，趋于稳定后方可进行预制桩的试张拉；④在生产线两侧1米处各设置一道排水沟，以免长时间积水对底模的影响；排水沟坡度为2‰，以利于排水。

B：张拉台座稳定测试和处理

①预制生产之前对张拉承台进行多次试张拉，观测台座的位移情况，并进行台座的抗滑移、抗倾覆验算；抗倾稳定性可按下列公式验算:

γ0(γE·ΜEH′ ＋MZL)

≦ 1/γd (ΜG·γG＋γE·ΜEH＋γE ·ΜEV＋γE ·ΜEV′)

γ0——结构重要性系数；（取二级为：1.0）

γd——结构系数，取1.0

γG——台座自重力的分项系数，取1.0

γE——土压力的分项系数，取1.35

MZL——最大总张拉力对计算面前趾的倾覆力矩（KN·M）

ΜG——台座结构自重力标准值对计算面前趾的稳定力矩（KN·M）

ΜEH——被动土压力水平力标准值对计算面前趾的稳定力矩（KN·M）

ΜEV——被动土压力竖向分力标准值对计算面前趾的稳定力矩（KN·M）

ΜEH′——主动土压力水平力标准值对计算面前趾的倾覆力矩（KN·M）

ΜEV′——主动土压力竖向分力标准值对计算面前趾的稳定力矩（KN·M）

②在试张拉过程中台座会有一定的位移，并出现台座牛腿前趾下沉和“翘尾”现象，放张后台座将慢慢恢复原位，出现3～5cm的位移，牛腿下也有少许的空隙。对空隙的处理可采用水泥浆在台座两侧挖孔挤压、托升前趾的方法，并在台座后方地面加载增加主动土压力；

③详细记录试张拉过程中的张拉应力和位移情况，趋于稳定后即可进行预制桩生产。

2、钢筋加工制作的关键环节

①预应力钢筋的下料，按下述公式计算下料长度；

Ln

Lq = —————＋nδ

1＋a－Δ

式中：Lq——钢筋在冷拉前的下料长度；

Ln——冷拉后要求达到的长度（按钢筋成品总长度以及锚、夹具类型计算确定）；

a——由试验确定的冷拉率；

Δ——由试验确定的冷拉弹性回缩率；

δ——每个对焊接头的压缩长度；

n——对焊接头的数量。

②预应力钢筋的对焊：为提高钢筋塑性，采用“闪光、预热、闪光”焊的对焊方法。焊接后严格按规范进行外表检查和力学检查，在同一焊工焊接的300个接头中抽取6个接头，3个进行拉伸试验，另外3个进行冷弯试验。检验合格后方可进行预应力的冷拉。

3、预应力钢筋的张拉工艺

此工序是整个预制生产过程的最重要的一环，本工程采用了单根张拉（双控、“先拉后绑”）的方法，所有的设备（千斤顶、电动油泵、压力表）均进行了校验并标定。

张拉时应准确地控制张拉应力和其伸长率，其大小必须在保证构件生产和使用安全的前提下尽量充分利用钢筋的强度。一般规定为：бK≤0.9Ryb(бK:张拉控制应力；Ryb：钢筋的标准强度)。然而，在构件制作和使用过程中，由于混凝土收缩和徐变、钢筋松弛、锚固设备变形等影响，预应力将要损失一部分。为了减少这种损失，施工中常常要进行“超张拉”，将钢筋张拉到105%бK或者更多一些（但不能超过钢筋的屈服点）。

A：本工程实例实际操作中预应力钢筋冷拉严格遵循以下几点：

①控制冷拉应力时根据实验给定的冷拉率复核拉伸长度，并同时做好每根冷拉钢筋的冷拉应力和拉伸率数据记录；

②冷拉试验后，总结经验，制定了双控指标，即冷拉应力520MPa，伸长率2.53%和回缩率3.8‰；

③钢筋冷拉速率不宜过快，当拉到控制应力或冷拉率是需稍停，基本张拉程序按如下控制： （持荷2分钟）

钢筋应力：0→→初应力→→105%бK→→→→→→бK ；

бK为张拉控制应力

B：采用单根逐根张拉、“先拉后绑”的方法，其主要特点是：①单根预应力钢筋重量轻，可以用人力运入台座；②除底层钢筋要每隔一定间距垫以可滚动的圆柱形砼垫块外，还要在上层钢筋每隔一定距离用带滚筒的横杠托平；③由于没有箍筋的约束，只须测一次初应力，就可使各钢筋的初应力均匀一致；④绑扎钢筋骨架占用台座，台座周转期长。

C：张拉过程分三次张拉，即初应力测定后，或适当张拉至30%的张拉应力后，在台座内绑扎骨架，并按规定程序进行张拉。到张拉控制应力约70%时，支侧模。最后再张拉至控制应力（注意适当控制超张拉）。

采用单根张拉法，钢筋张拉顺序必须严格按下述规定：

1—2—3—4—5—6—7—8（见如下示意图）

最后一次张拉后进行锚固，检查箍筋是否变形，若变形应及时校正，对连接器、大头钢筋、螺帽、锚具、桩尖（或H桩）、桩帽进行检查，有问题及时处理。

4、混凝土工程

①各项程序必须严格按规范要求执行；

②严格控制搅拌时间和入模温度，以便判断其允许的间歇时间；

③浇注砼时，每根桩的混凝土做一次坍落度检测，并留三组试块；

④胶囊的拔出及洞口封堵：因空心方桩采用φ24cm空心胶囊做内模，故混凝土浇注完毕4小时左右，应用手指检查混凝土凝固情况，确认胶囊拔出后混凝土不会坍落且胶囊不与砼粘结，即可开始拔出胶囊。拔出前，打开充气阀门，待空气放尽后人工拔出，用草袋或麻袋封堵洞口（推入洞内50～60cm），用C50混凝土封口并抹平。

5、预应力钢筋的放张工艺：

①混凝土试块养护4天后，取一组试块进行抗压强度试验，试块强度达到设计强度的75%以上方可进行预应力钢筋放张；采用砂箱放张法，所有预应力钢筋同时放张。

②砂箱由钢制的套箱和活塞组成，砂箱中的砂采用干砂，选用适宜的级配，防止出现砂压碎，引起流不出现象或增加砂的空隙率，使预应力损失增大。装砂量为砂箱容量的1/3～2/5，砂箱放置在台座与横梁之间，预应力钢筋张拉时，砂箱内的砂被压实，承受横梁的反力。预应力钢筋放张时，将砂口打开，砂慢慢流出而使预应力钢筋徐徐放张。

③砂箱内的砂放完后，预应力钢筋停止回缩，此时的预应力钢筋仍有少量应力，从固定端起用氧—乙炔气切割，切割顺序为：1—2—3—4—5—6—7—8

④切割位置：桩尖（H桩尖）处钢筋离砼面5cm、桩帽处与顶板平齐进行切割。

6、桩的吊运、堆放

①采用40T履带吊机起吊，按设计要求四点平吊，吊点处用钢丝绳捆绑，并有相应的措施保护桩不被钢丝绳损坏；

②桩堆放场地的处理：回填土经碾压平整，每隔10m用碎石渣堆起一道道高30cm的碎石堆垛；

③起吊时吊点处采用麻袋作衬垫，四点同时受力，徐徐起落，吊绳与构件水平面所成的夹角不应小于45度；方桩放落碎石垛时，徐徐下落保持桩距大于60cm，悬臂尽量两端相等。吊放高层桩时，应先放垫木并垂直对准碎石堆垛中心，方木支垫间距可为1.0～2.0m，各层方木支垫应上、下对齐。

四、施工安全措施及注意事项

1、在进行张拉作业的台座周围，特别是在距其两端的一定范围内，不得有人逗留，即使是张拉操作人员，也应站在两端的侧面进行操作，以防止预应力钢筋突然断裂伤人。

2、检查各连接器，观察其是否处于良好的工作状态。

3、注意张拉钢梁的移动情况：如不平移，应通过调整油泵分离器上的进油阀，调节千斤顶的进油量；如上下翘起，应回油放松，调正千斤顶的着力中心；如移动速度异常，应回油放松，检查各预应力钢筋有无屈服现象，或压力表失灵情况。

4、张拉完毕后，如当天不能浇注混凝土，应回油、放松至张拉控制应力的70%左右，待需浇注时，再张拉至张拉控制应力和支端头侧模。

5、敲击锚具的锥塞或契木时，不应用力过猛，以免预应力钢筋断裂伤人。

6、砼未达到一定强度前，不允许碰撞或踩动钢筋。

五、结语

1、在施工现场远离施工单位基地，现场又没有现成的施工预制场地的情况下，采取了简单有效的现场预制预应力桩的方案，实际操作中取得了良好的效果。

2、因用于工程的预制桩数量不是大批量的，从经济角度考虑，生产线结构采用了简便实用的二梁式重力墩台座结构，并按单根张拉、“先拉后绑”的方法实施，生产线周转的效率较低，但也起到了经济实用的工程目的。

2003年12月

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参考文献

1、交通部第一航务工程局·《港口工程施工手册》（上册）·1994年

2、《水运工程施工技术》·人民交通出版社·1998年

3、《港口工程桩基规范》·人民交通出版社·1998年

4、《港口工程质量检测评定标准》·人民交通出版社·1998年

5、《港口工程质量地基规范》·人民交通出版社·1998年

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来源：建筑信息汇编