桥梁工程施工机械之预力混凝土梁 後拉法

前言預力混凝土橋梁傳統之施工法大都採用預鑄梁吊裝及現場支撐澆鑄。

橋梁特殊工法之引進及推展乃是因應大量高架橋之興建需要及配合橋梁採多孔連續佈設之趨勢，為傳統工法無法達成者，目前在國內混凝土橋梁工程施工中廣被採用之支撐先進工法、節塊推進工法、場鑄懸臂工法及預鑄節塊工法等四種工法。

特殊工法之特點在於上部結構斷面標準化、施工設備機械化，不由地面支撐，採制式化循環施工，可克服不良地形因素或在不影響地面交通運轉下，提高工作效率，以降低成本，且由於橋梁採多孔連續，兩橋面伸縮間距大，增進行車舒適性。

一、一般說明:在混凝土橋樑中，大樑(beam or girder)為橋樑結構上之骨幹，除跨徑在15公尺以內之短樑使用鋼筋混凝土(reinforced contrete)外，幾乎所有大樑均為預力混凝土(prestressed concrete)構造，因為預力混凝土可勝任較大跨徑而又較經濟之故。

預力混凝土橫斷面約矩型、“I”、”T”及箱型(box type)預力混凝土對混凝土強度(compressive strength)之要求，多較鋼筋混凝土為高，通常為250~500(kg/cm2)，因此水灰比(water-cement ration)多須在0.45以下。

預力混凝土又有先拉法(pre-tension method)及後拉法(post tension method)二種。

二、預力混凝土樑基原理一樑在承受横向荷重而產生彎矩時，樑之橫斷面上，中性軸之上下兩側分別產生壓應力及拉應力，但因混凝土無法承受拉力，實際上混凝土拉力強度約為壓力強度1/10~1/12，故在應用時多予不計，視其無承受拉力之能力。

故在樑之拉力側多埋設鋼筋以承受該部份混凝土所受之拉力，然在拉力側之混凝土除用以鋼筋連拉外其重量將形成累贅，因此其彎矩大小與樑自重形成正比。

預力混凝土之構想係在樑未受活載重前，先施一壓力使拉力側之拉力抵銷，則同樣斷面積之大樑，即可承受較大之活載重，此力預先於大梁承受活載重時而施加故稱為預力。

三、先拉法混凝土預力樑說明在拉力側配置高拉力鋼鍵，並在承受載重前先行導入預力，使拉力側混凝土先承受其容許應力以下之壓應力，以便抵消加載重後產生之拉應力，以提高構件之結構強度。

一般預力作業方式可於澆鑄混凝土前先施預力於鋼鍵之先拉法及澆鑄混凝土後再施預力於鋼鍵之後拉法兩種；先拉法一般較適用於較小跨徑構件，而後拉法則可應用於較大跨徑者或必須配置彎曲鋼鍵之構件，於施加預力後藉由錨頭錨錠之方式達成預力效果。

預力混凝土應用於工程之範圍極為廣泛，諸如堤壩工程、橋樑工程、建築結構、港灣工程、地錨工程、基樁工程、道路工程甚至預力軌枕等皆常見其被廣泛應用。

(一)先拉法基本原理鋼筋混凝土中之鋼筋週邊與混凝土接觸面為水泥漿所緊密包裹，因而產生粘著應力(BOND STRESS)，故當混凝土承受拉力時，此粘著應力即將拉力傳播於鋼筋上，而由鋼筋承受此拉力，在鋼筋混凝土樑設計中，即利用此理論而達混凝土受拉力之基本原理。

鋼筋與混凝土接觸面上之粘著應力可以傳播應力，則同理亦可將鋼筋所受之應力傳播於混凝土中。

預力混凝土之鋼鍵(Tendon)，如同一般混凝土之鋼筋之特性，即在降伏強度(yield strength)限度內，其應力(stress)與應變(strain)之關係為直線變化。

S= c x E S：應力(stress) 公斤/平方公方 E應變，公分 c 常數換言之，當應力增加時應變亦比例增加，當一鋼鍵以一拉力施拉時，鋼鍵即有一定比率之伸長量(elongation)，當此拉力消除時，則伸長量回縮為零，亦即鋼鍵回復原有長度。

基於上述粘著力可傳播應力及鋼鍵應變可復原特性，配合混凝土體製作過程加以運用，乃有先拉法預力混凝土之誔生。

Ps：所謂鋼鍵，包括鋼線(wire)及鋼索(strand)(二)先拉法理論在樑之鋼鍵紮妥後未澆置混凝土之時，先將鋼鍵在縱行方向施以預先計算之拉力，令鋼鍵伸長一預期之伸長量，保持此拉力不變，維持鋼鍵在此伸長量下澆置混凝土，等混凝土凝固至某一程度(通常為二十八天強度的70%)時，放鬆鋼鍵之拉力，則鋼鍵原伸長量失去拉力而回縮，由於鋼鍵己完全在混凝土中所包裹，於是在混凝土拉力側產生一緃向壓應力以承受將來此樑所受活載重時之力量。

此法在混凝土澆置前先施拉鋼鍵以對混凝土拉力側產生壓應力以抵消活重產生之部份或全部之方法稱為先拉法預力混凝土。

註：預力樑(以下簡稱PC樑)設計，一般以簡支樑的結構型式，加以模擬PC樑於承受各種載重情況下，各個斷面應力變化狀態，使設計斷面應力均能達到安全要求。

一般場鑄後拉法預力樑結構，施工步驟和鋼筋混凝土結構雷同，只是PC樑在大樑內排放有預力鋼鍵(Tendon)，有效解決混凝土抗拉性不足的問題。

唯PC樑在施加預力後會產生彈性縮短、潛變(Creep)及混凝土收縮(Shrinkage)等預力損失的現象，因此結構分析時須一併考慮，由於預力的損失並非同時發生，如彈性縮短係在PC樑施預力時便產生，潛變則在大樑受預力作用後開始約三、四年結束，而混凝土收縮則在混凝土澆鑄後開始約十年後才停止。

潛變 ( Ceep ) 是指混凝土在持續載重的作用下，隨時間的增加而產生的變形。

乾燥收縮 ( Drying Shrinkage )所謂乾燥收縮為混凝土在位承受載重，並處於乾燥環境的情況下，混凝土內部的水分會逐漸向外移動而散失，如圖所示，所產生的收縮變形。

混凝土在乾燥的初期，所排出大孔隙內的自由水，僅會造成非常小的收縮量，而當乾燥作用持續進行時，就會使得存在於膠體間的吸附水與層間水被排出，導致膠體間的相互移動，使得混凝土產生收縮變形。

圖混凝土受到外界乾燥環境影響溼度移動示意圖混凝土受壓力作用的瞬間會先產生立即變形 ( instantaneous deformation )，受載重作用持續進行，隨著時間之增加，才有潛變的出現。

根據養護環境的不同，可將混凝土的潛變分為兩類：一類是指混凝土與外界的環境不進行溼度交換的情況下，混凝土受壓所產生的變形，稱為基本潛變 ( basic creep )；另一類是指混凝土在乾燥的環境下，受載重持續作用所產生的變形，稱為乾燥潛變 ( drying creep )，此部分的變形大於純乾燥收縮與基本潛變變形的總合。

預力損失(僅供參考)1)σcpt預力導入時，鋼線預應力 (kg/cm2)σpt =σpi / [1+n'(Ap/Ac)]n'= Ep / Ec' = 6.72)σcpt預力導入時，混凝土預應力 (kg/cm2)σcpt = (σpi〃AP) / Ac3)△σpΦ 混凝土潛變及乾縮預應力損失量 (kg/cm2)△σpΦ = (n〃Ψ〃σcpt + Ep〃εs) / [1+n(σcpt / σpi)(1+Ψ / 2)]n = Ep / Ec = 54)△σr鋼線鬆弛應力減少量△σr = r o(σpt-2△σpΦ )5)σpe 鋼線有效預應力σpe = σpt - (△σr +△σpΦ )6)σce 混凝土有效預應力σce = σpe〃Ap / Acσpi︰Ac︰n'︰Ec'︰Ep︰n︰Ψ︰εs︰ro︰pc鋼材之初期拉應力 (kg/cm2) 混凝土之斷面積預力導入時之彈性係數比預力導入時混凝土之彈性係數比pc鋼材之彈性係數pc鋼材與混凝土之彈性係數比混凝土之潛變係數混凝土之乾縮係數pc鋼材之純鬆弛(三)先拉法預力混凝土施工1.一般說明先拉法雖為預力混凝土二種施工法之一，此法多為工廠中預鑄預力混凝土樑再實施蒸氣養護，即可大幅度縮短生產時間又可減少堆存場地。

先拉法之施工將依混凝土之處理、鋼鍵之處理鑄台之佈置及施拉方法作簡略說明：混凝土處理：抗力強度在250~500kg/cm2，一般在300kg/cm2以上之高強度混凝土，通常預力混凝土之強度，多於設計圖上有載明，施工時根據設計訂定再酌加15%(ASD DESIGN)或25%(LRFD DESIGN)，作為求取混凝土的配比之強度，必需注意的是預力混凝土由於斷面積小而其中埋設鋼鍵多，故一般最大粒徑在1”以下，由於粗骨材較細為達高強度故其水泥用量較大。

鋼鍵處理：鋼鍵需承受較高之拉力，在使用時不似一般鋼筋之易於搭接，即樑中之鋼鍵必須為全長，中間避免搭接，為方便運輸、儲存及使用起見，鋼鍵乃採用捲筒裝置運至工地，再以工地隨需要之長度予以一一切割應用。

先拉法預力混凝土使用之鋼鍵多係鋼線，較長跨徑時亦使用鋼索。

預力混凝土樑鑄造台之佈置：預力樑由於在未施預力前，必須保持水平，在澆置混凝土時、養護期間，絕不可因地面受重而沈陷現象，因此多將樑之製作場地，先行整平、壓實，壓實度約為相對密度95%以上。

鋼鍵預力之施拉：依理論設計應有之拉力大小，再確定鋼鍵之伸長量。

施拉力應包含由混凝土收縮及潛變及鋼鍵潛變等產生之應力損失，施工人員必須將此值計算後併入設計圖或施工規範指定拉力之內然後計算鋼鍵之伸長量，此一應力公式繁多，美國州公路及運輸官員學會(A meriacn A ssociation of S tate H ighway and T ransportation O fficers)-AASHTO，標準規範所訂，建議先拉預力應力耗損應為2450 kg/cm2，以此值乘上鋼鍵橫斷面積即為應力因損耗而添加之拉力。

通常多規定預力鋼鍵之工作應力不得大於鋼鍵最低終極拉力之60~70%，施拉時之最大短暫拉應力不得超過最低終極強度之80%，而拉後鋼鍵之應力通稱為初期應力不得低於設計要求之預力應力。

混凝土澆置及養護：在鋼鍵未施拉之前，樑之邊模應即裝妥，因此鋼鍵拖拉完成後，應以最速度澆置樑之混凝土，澆置時應特別注意振動之搗振，切忌將振動棒碰及張緊之鋼鍵。

混凝土澆置完成後，應即妥善養護，通常以灑水保持混凝土濕潤，至少三週以上。

如在預鑄場製作時，多以蒸氣養護，則多須養護十小時以上。

澆置完二十四小時後始可拆除二側之邊模。

完成預力混凝土於澆置及養護期間，鋼鍵仍在兩端抓握器鎖固下呈緊張狀態，其拉力仍維持施拉終了時之大小，待混凝土凝固而強度達到設計指定鬆握程度時，折除樑二端之端模。

先拉法：施作配置如圖1所示。

預力混凝土之先拉工法乃預先使鋼腱受拉力，並將其固定於兩端之固定臺，如照片1所示，然後灌注混凝土，通常均以蒸氣養護，如照片2所示，待混凝土達到預定之強度後切斷鋼線，於是由鋼腱與混凝土間之握裹力將預力傳達於混凝土梁，如照片3所示。

圖1 先拉法之長線鑄梁床示意圖(資料來源：林樹柱；“預力混凝土設計及施工”)照片1 先拉法之預鑄梁施預力作業照片2 先拉法之預鑄梁混凝土蒸氣養護作業照片3 先拉法之預鑄梁成品後拉預力混凝土樑(一)後拉法基本原理後拉法之基本構想除利用鋼腱彈性回縮原理外，下列兩項為其與先拉法不同之處:(1)不利用鋼腱與混凝土接觸面之握著力，即不使其產生握著力。