預(yù)制箱梁智能張拉錨下預(yù)應(yīng)力施工控制技術(shù)

林欽國+王劍+鄧偉才

摘 要：結(jié)合重慶銅合高速公路預(yù)制箱梁預(yù)應(yīng)力的施工，分析了預(yù)應(yīng)力施工過程中的影響因素。通過錨下有效預(yù)應(yīng)力測試的基本試驗，得出梳編穿束工藝、控制持荷時間以及智能張拉技術(shù)等手段可以有效控制錨下預(yù)應(yīng)力的損失。

關(guān)鍵詞：箱梁；預(yù)應(yīng)力損失；錨下預(yù)應(yīng)力；智能張拉

中圖分類號：U448.21 文獻標(biāo)志碼：B

0 引 言

預(yù)應(yīng)力張拉施工工序較多、技術(shù)難度較大，結(jié)構(gòu)獲得的有效預(yù)應(yīng)力受材料、器具、設(shè)備以及張拉操作工藝等諸多因素影響，施工中需要有高效可靠的全過程控制手段，以及嚴(yán)格規(guī)范的操作和跟蹤控制[1]。因此，預(yù)應(yīng)力張拉的對稱、均勻和精準(zhǔn)到位對預(yù)應(yīng)力張拉測控技術(shù)提出了很高的要求。

有效預(yù)應(yīng)力的建立直接影響到橋梁的安全性、可靠性和長期使用壽命。特別是大跨徑預(yù)制箱梁，由于其跨徑大、張拉噸位大、預(yù)應(yīng)力體系和結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜等特點，一旦發(fā)生預(yù)應(yīng)力失控的現(xiàn)象，將帶來災(zāi)難性的后果。

1 工程概況

重慶三環(huán)高速公路（銅梁至合川段）K0+000～K29+339段制梁場主要生產(chǎn)預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁，設(shè)計梁長為20 m和30 m，底寬1 m，頂寬2.4 m，最大梁重96 t。預(yù)應(yīng)力鋼束采用符合（GB/T5224—2003）標(biāo)準(zhǔn)的低松弛、高強度鋼絞線，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，公稱直徑Φs為15.2 mm，彈性模量Ep=1.95×105 MPa。單根預(yù)應(yīng)力鋼束錨下張拉控制應(yīng)力0.75fpk=1 395 MPa。張拉工藝采用預(yù)應(yīng)力智能張拉設(shè)備，兩端對稱張拉，采取張拉力和延伸量雙控，以張拉力為主，延伸量和計算延伸量控制在±6%。

2 錨下預(yù)應(yīng)力張拉

預(yù)應(yīng)力使得混凝土變成拉壓性能基本對稱的線彈性材料，沒有預(yù)存壓應(yīng)力的混凝土材料是抗壓不抗拉的脆性材料，只能用于受壓結(jié)構(gòu)和小跨受彎結(jié)構(gòu)；然而一旦通過張拉預(yù)應(yīng)力筋給混凝土施加預(yù)壓應(yīng)力，得到的預(yù)應(yīng)力混凝土就可以根據(jù)需要獲得期望的抗拉性能，賦予結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工以極大的靈活性[3]。

2.1 錨下有效預(yù)應(yīng)力定義

錨下有效預(yù)應(yīng)力定義如下：預(yù)應(yīng)力筋張拉錨固后，實際張拉控制應(yīng)力扣除錨固損失和彈性回縮等損失，預(yù)應(yīng)力筋錨下留存的應(yīng)力。

2.2 預(yù)應(yīng)力損失因素

預(yù)應(yīng)力是通過張拉預(yù)應(yīng)力筋得到的，凡是能使預(yù)應(yīng)力筋回縮的因素，都將引起預(yù)應(yīng)力損失。現(xiàn)場施工中，預(yù)應(yīng)力損失主要表現(xiàn)在以下三個方面[2-4]。

（1） 摩擦損失σl1。在預(yù)應(yīng)力筋張拉過程中，后張法預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁之間的摩擦。

（2） 錨固損失σl2。錨具變形、鋼筋回縮及接縫壓縮引起預(yù)應(yīng)力筋的回縮、滑移。

（3） 松弛損失σl3。長度不變的預(yù)應(yīng)力筋，在高應(yīng)力的長期作用下會產(chǎn)生松弛，引起預(yù)應(yīng)力損失。

以抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa、公稱直徑Φs=15.2 mm、彈性模量Ep=1.95×105 MPa的低松弛高強度鋼絞線為例，計算出的各項預(yù)應(yīng)力損失及錨下有效預(yù)應(yīng)力的理論值如表1所示。

3 錨下有效預(yù)應(yīng)力測試基本試驗

本次后張法PC箱梁的錨下有效預(yù)應(yīng)力測試，主要采用以下兩種方法。

（1） 整體測試法。在工作錨與錨墊板之間加裝測力計，直接進行整束預(yù)應(yīng)力筋的錨下有效預(yù)應(yīng)力檢測。該方法主要用于測試單孔鋼絞線的錨下有效預(yù)應(yīng)力值[5-6]。

（2） 單束測試法。根據(jù)彈模效應(yīng)與最小應(yīng)力跟蹤原理，利用千斤頂反拉單根鋼絞線，從而帶動其與夾片沿軸線移動，當(dāng)移動距離達(dá)到0.5 mm時，測出的錨下預(yù)應(yīng)力值即為該束鋼絞線的錨下有效預(yù)應(yīng)力值[7]。該方法主要用于測試單孔鋼絞線的同束不均勻度（同束不均勻度=（測試最大有效應(yīng)力-測試最小有效應(yīng)力）/ 測試最大有效應(yīng)力 ×100%）。

以上兩種方法原理可靠，精度較高、操作方便，在全國各地的公路工程中得到推廣應(yīng)用。

3.1 試驗工況

本次錨下預(yù)應(yīng)力試驗共對10片20 m箱梁（圖1）和30 m箱梁（圖2）的20個孔道進行了測試。編號1～5號的箱梁長20 m，測試其N2左和N2右孔道；編號6～10號的箱梁長30 m，測試其N1左和N1右孔道。試驗條件如下。

（1） 試驗工況一。張拉編號為1、3、5、7、9號箱梁時，鋼絞線未梳編，單束張拉控制應(yīng)力為195.3 kN，張拉千斤頂直接作用于工作錨具。張拉施工時，僅在張拉分級為10%、20%時短暫停頓30 s；達(dá)到張拉控制應(yīng)力時持荷5 min。

（2） 試驗工況二。張拉4、6、8、10號箱梁時，鋼絞線梳編，單束張拉控制應(yīng)力為195.3 kN，張拉千斤頂直接作用于工作錨具。張拉施工開始后，在張拉分級為10%、20%時停頓30 s；在張拉分級為50%、80%時停頓60 s； 達(dá)到張拉控制應(yīng)力時持荷7 min。

張拉2號箱梁N2右孔道時，單束張拉控制應(yīng)力為195.3 kN，同時在張拉千斤頂與工作錨具間加4個錨具。張拉施工開始后，在張拉分級為10%、20%時停頓30 s；在張拉分級為50%、80%時停頓60 s； 達(dá)到張拉控制應(yīng)力時持荷7 min。

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗工況一和試驗工況二，錨下有效預(yù)應(yīng)力測試結(jié)果如表2、3所示。

分析表2、3數(shù)據(jù)可知：根據(jù)試驗工況一，當(dāng)鋼絞線不梳編、僅在張拉分級為10%、20%時停頓30 s，達(dá)到張拉控制應(yīng)力時持荷5 min，測試得到的預(yù)應(yīng)力筋錨下有效預(yù)應(yīng)力值普遍偏低，只能基本達(dá)到設(shè)計錨下有效預(yù)應(yīng)力的下限值，且同束不均勻度偏差較大（根據(jù)試驗工況一，計算得到同束不均勻度為（192.7-149.8）/192.7×100%=22%）。

根據(jù)試驗工況二，當(dāng)采取鋼絞線梳編且張拉分級在10%、20%時停頓30 s，在50%、80%時停頓60 s， 達(dá)到張拉控制應(yīng)力時持荷時間7 min等措施時，預(yù)應(yīng)力筋錨下有效預(yù)應(yīng)力值處于設(shè)計錨下有效預(yù)應(yīng)力±5%內(nèi)，能夠滿足設(shè)計要求。在千斤頂與工作錨具（圖3）之間增加4個錨具測試工作長度段鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失。通過測試可知，增加錨具引起的預(yù)應(yīng)力損失大致為8 kN，這主要是因為增加的4個錨具造成了錨固損失及錨具與鋼絞線之間的摩阻損失[7-9]。endprint

3.3 基本試驗結(jié)論

根據(jù)實測的錨下有效預(yù)應(yīng)力的相關(guān)情況，可以得出以下結(jié)論。

（1） 通過梳編穿束工藝的改進，可以控制有效預(yù)應(yīng)力的不均勻度。

（2） 由孔道摩阻、錨固回縮及預(yù)應(yīng)力筋松弛等

引起的預(yù)應(yīng)力損失比理論計算預(yù)應(yīng)力損失偏大，因此對低松弛預(yù)應(yīng)力筋施工時，宜在張拉分級為10%、20%時做短暫停頓（建議為30 s），在50%、80%時也做停頓（建議為60 s）， 達(dá)到張拉控制應(yīng)力時持荷時間為5 min以上，同時預(yù)應(yīng)力張拉施工宜采用智能張拉施工工藝，以確保對各階段預(yù)應(yīng)力張拉進行精確控制。

4 結(jié) 語

（1） 為了確保預(yù)應(yīng)力筋張拉施工質(zhì)量能夠滿足設(shè)計要求，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、布束的位置及形式等因素分別確定有效預(yù)應(yīng)力的建立方法。

（2） 為切實提高預(yù)應(yīng)力張拉施工質(zhì)量，應(yīng)做到梳編穿束工藝規(guī)范化，采用經(jīng)過精確標(biāo)定的智能張拉設(shè)備進行預(yù)應(yīng)力筋張拉施工以便減少人為因素的影響。另外，預(yù)應(yīng)力筋張拉施工時必須從兩端同步對稱進行且張拉至100%設(shè)計荷載時，持荷時間宜大于施工規(guī)范要求的5 min。

（3） 單根鋼絞線錨下有效預(yù)應(yīng)力的測試是檢測控制中最重要的部分。單根鋼絞線通過了嚴(yán)格的梳束、編束和穿束，因此只要單根鋼絞線的錨下有效預(yù)應(yīng)力符合要求，整束鋼絞線的錨下有效預(yù)應(yīng)力也就符合要求。

參考文獻：

[1] JTG/T F50—2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 張?zhí)煜?預(yù)應(yīng)力箱梁智能張拉施工控制[J].山西建筑，2014，40（1）：189-190.

[4] 張發(fā)明，劉 寧，陳祖煜，等.影響大噸位預(yù)應(yīng)力長錨索錨固力損失的因素分析[J].巖土力學(xué)，2002，23（2）：194-197.

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[9] 李建慧，李愛群.自錨式懸索橋靜力隨機分析與可靠度評估[J].中國公路學(xué)報，2012，25（6）：74-79.

[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]endprint

3.3 基本試驗結(jié)論

根據(jù)實測的錨下有效預(yù)應(yīng)力的相關(guān)情況，可以得出以下結(jié)論。

（1） 通過梳編穿束工藝的改進，可以控制有效預(yù)應(yīng)力的不均勻度。

（2） 由孔道摩阻、錨固回縮及預(yù)應(yīng)力筋松弛等

引起的預(yù)應(yīng)力損失比理論計算預(yù)應(yīng)力損失偏大，因此對低松弛預(yù)應(yīng)力筋施工時，宜在張拉分級為10%、20%時做短暫停頓（建議為30 s），在50%、80%時也做停頓（建議為60 s）， 達(dá)到張拉控制應(yīng)力時持荷時間為5 min以上，同時預(yù)應(yīng)力張拉施工宜采用智能張拉施工工藝，以確保對各階段預(yù)應(yīng)力張拉進行精確控制。

4 結(jié) 語

（1） 為了確保預(yù)應(yīng)力筋張拉施工質(zhì)量能夠滿足設(shè)計要求，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、布束的位置及形式等因素分別確定有效預(yù)應(yīng)力的建立方法。

（2） 為切實提高預(yù)應(yīng)力張拉施工質(zhì)量，應(yīng)做到梳編穿束工藝規(guī)范化，采用經(jīng)過精確標(biāo)定的智能張拉設(shè)備進行預(yù)應(yīng)力筋張拉施工以便減少人為因素的影響。另外，預(yù)應(yīng)力筋張拉施工時必須從兩端同步對稱進行且張拉至100%設(shè)計荷載時，持荷時間宜大于施工規(guī)范要求的5 min。

（3） 單根鋼絞線錨下有效預(yù)應(yīng)力的測試是檢測控制中最重要的部分。單根鋼絞線通過了嚴(yán)格的梳束、編束和穿束，因此只要單根鋼絞線的錨下有效預(yù)應(yīng)力符合要求，整束鋼絞線的錨下有效預(yù)應(yīng)力也就符合要求。

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3.3 基本試驗結(jié)論

根據(jù)實測的錨下有效預(yù)應(yīng)力的相關(guān)情況，可以得出以下結(jié)論。

（1） 通過梳編穿束工藝的改進，可以控制有效預(yù)應(yīng)力的不均勻度。

（2） 由孔道摩阻、錨固回縮及預(yù)應(yīng)力筋松弛等

引起的預(yù)應(yīng)力損失比理論計算預(yù)應(yīng)力損失偏大，因此對低松弛預(yù)應(yīng)力筋施工時，宜在張拉分級為10%、20%時做短暫停頓（建議為30 s），在50%、80%時也做停頓（建議為60 s）， 達(dá)到張拉控制應(yīng)力時持荷時間為5 min以上，同時預(yù)應(yīng)力張拉施工宜采用智能張拉施工工藝，以確保對各階段預(yù)應(yīng)力張拉進行精確控制。

4 結(jié) 語

（1） 為了確保預(yù)應(yīng)力筋張拉施工質(zhì)量能夠滿足設(shè)計要求，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、布束的位置及形式等因素分別確定有效預(yù)應(yīng)力的建立方法。

（2） 為切實提高預(yù)應(yīng)力張拉施工質(zhì)量，應(yīng)做到梳編穿束工藝規(guī)范化，采用經(jīng)過精確標(biāo)定的智能張拉設(shè)備進行預(yù)應(yīng)力筋張拉施工以便減少人為因素的影響。另外，預(yù)應(yīng)力筋張拉施工時必須從兩端同步對稱進行且張拉至100%設(shè)計荷載時，持荷時間宜大于施工規(guī)范要求的5 min。

（3） 單根鋼絞線錨下有效預(yù)應(yīng)力的測試是檢測控制中最重要的部分。單根鋼絞線通過了嚴(yán)格的梳束、編束和穿束，因此只要單根鋼絞線的錨下有效預(yù)應(yīng)力符合要求，整束鋼絞線的錨下有效預(yù)應(yīng)力也就符合要求。

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[9] 李建慧，李愛群.自錨式懸索橋靜力隨機分析與可靠度評估[J].中國公路學(xué)報，2012，25（6）：74-79.

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