復(fù)張法在有效應(yīng)力檢測中的應(yīng)用分析

高鳳山

(杭州市公路管理局，杭州 310030)

復(fù)張法在有效應(yīng)力檢測中的應(yīng)用分析

高鳳山

(杭州市公路管理局，杭州 310030)

復(fù)張法是當(dāng)前較為普遍的一種有效應(yīng)力檢測方法，主要用于對混凝土構(gòu)件預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行應(yīng)力檢測。該方法是對露在構(gòu)件體外的鋼絞線進(jìn)行張拉，用測得的張拉力和鋼絞線位移的對應(yīng)關(guān)系來計(jì)算有效應(yīng)力點(diǎn)。復(fù)張法進(jìn)行錨下應(yīng)力檢測有單根鋼絞線張拉和整束鋼絞線張拉兩種方式。對整束張拉而言，同一束鋼絞線中的預(yù)應(yīng)力不均勻會(huì)導(dǎo)致超張拉、欠張拉的情況。本文通過對同一片梁分別進(jìn)行單根張拉和整束張拉檢測試驗(yàn)，得出結(jié)論：單根張拉及評(píng)判較為合理，整束張拉無法得出實(shí)際有效應(yīng)力值。

復(fù)張法；鋼絞線；應(yīng)力檢測

預(yù)應(yīng)力技術(shù)在土木工程中應(yīng)用十分廣泛。預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量與結(jié)構(gòu)使用性能及安全性息息相關(guān)[1]，目前預(yù)應(yīng)力施工主要采用數(shù)控張拉技術(shù)，該技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)智能控制，通過儀器自動(dòng)操作，來完成對鋼絞線的張拉。數(shù)控張拉技術(shù)主要解決了張拉力控制精度、張拉同步性以及張拉數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確性的問題，但仍有一系列問題尚未解決：張拉控制應(yīng)力不合理，預(yù)應(yīng)力損失過大，進(jìn)而導(dǎo)致有效預(yù)應(yīng)力不滿足要求；同束鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力不均勻度過大，同斷面有效預(yù)應(yīng)力大小和均勻度不滿足要求；資料管理不規(guī)范，信息化程度低；缺乏可靠的檢測儀器，成熟的檢測方法以及適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)手段。因此應(yīng)對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行張拉應(yīng)力的檢測，以確保構(gòu)件符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

現(xiàn)行國家及地方規(guī)范對預(yù)應(yīng)力施工的有效應(yīng)力檢測指標(biāo)及檢測頻率都有一定的要求。目前工程界較多的是使用復(fù)張法來進(jìn)行錨下有效張拉應(yīng)力的檢測。復(fù)張法首先由Bruce等提出后在日本及香港地區(qū)開展了相關(guān)研究，國內(nèi)也進(jìn)行了少量試驗(yàn)研究，都是將預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉力取為荷載-位移曲線拐點(diǎn)處對應(yīng)的荷載值[2]。

復(fù)張法原理可靠，檢測精度高，且操作非常方便，已在全國多省的公路橋梁工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用[3]。目前采用復(fù)張法進(jìn)行錨下有效應(yīng)力檢測有單根張拉和整束張拉兩種方式，由于整束張拉相比單根張拉省時(shí)高效，很多工程中傾向于采用整束張拉進(jìn)行有效應(yīng)力檢測。然而一束鋼絞線中存在應(yīng)力不均勻的情況，同時(shí)張拉無法得到單根鋼絞線的實(shí)際有效應(yīng)力[4]。本文依托浙江省嘉興市某在建工程中的預(yù)應(yīng)力檢測項(xiàng)目，對同一根梁分別進(jìn)行單根張拉檢測和整束張拉檢測，通過該實(shí)例針對整束張拉存在的問題進(jìn)行分析。

1 復(fù)張法原理

1.1 復(fù)張法體系工作原理

采用復(fù)張法對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的鋼絞線進(jìn)行有效應(yīng)力檢測，首先在與構(gòu)件連接的工作錨后依次安裝前端限位板、測力計(jì)、后端限位板、穿心式千斤頂。位移傳感器記錄鋼絞線的位移，將位移傳感器和應(yīng)力傳感器連接到測試系統(tǒng)后進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集并繪制荷載-位移曲線，通過監(jiān)控曲線的斜率變化，找出應(yīng)力拐點(diǎn)，即錨下有效應(yīng)力點(diǎn)。復(fù)張法工作體系如圖1所示。

圖1復(fù)張法工作體系

1.2 復(fù)張法檢測物理模型

彈性材料中力與變形的關(guān)系遵守胡克定律，可按照下式[5]來表達(dá):

式中：△L為彈性拉桿(此處指預(yù)應(yīng)力鋼絞線)的伸長量，mm；F為施加在預(yù)應(yīng)力鋼絞線上的外力，kN；L為受力鋼絞線的總長，mm；E為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的彈性模量，MPa，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010的表4.2.5，取E=1.95×105MPa；A為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的截面積，mm2。目前應(yīng)用最為廣泛的7絲標(biāo)準(zhǔn)型公稱直徑15.2mm，其截面面積為A=140 mm2。

由上式可得彈性系數(shù)：

復(fù)張法檢測技術(shù)利用上述物理模型，通過二次張拉預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中的鋼絞線，來繪制其應(yīng)力-應(yīng)變曲線，最終剔除各種誤差得到準(zhǔn)確的“拐點(diǎn)”，以此作為鋼絞線的有效應(yīng)力值?，F(xiàn)階段采用復(fù)張法進(jìn)行錨下有效應(yīng)力檢測有單根張拉和整束張拉兩種方式，下文將對這兩種張拉方式的合理性進(jìn)行分析。

2 單根張拉及分析

復(fù)張法進(jìn)行有效應(yīng)力檢測是通過對露在結(jié)構(gòu)體外的鋼絞線進(jìn)行張拉，隨著張拉力的增大，被測結(jié)構(gòu)體系會(huì)經(jīng)歷三個(gè)階段：穩(wěn)態(tài)1、非穩(wěn)態(tài)、穩(wěn)態(tài)2。通過測試鋼絞線的張拉力和位移量來計(jì)算有效應(yīng)力點(diǎn)。(當(dāng)張拉力增大到鋼絞線外露段和結(jié)構(gòu)體內(nèi)段一同受力時(shí)，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，斜率發(fā)生明顯變化，該拐點(diǎn)可認(rèn)為是鋼絞線的錨下有效應(yīng)力點(diǎn)。)

圖2 單根張拉示意圖

圖3 單根張拉F-S曲線

圖2所示預(yù)應(yīng)力梁的鋼絞線外露受力段長為0.15m，結(jié)構(gòu)體內(nèi)受力段長為30m，利用復(fù)張法對其進(jìn)行有效應(yīng)力檢測，千斤頂張拉力為F外，鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力為F內(nèi)，張拉過程中產(chǎn)生的摩擦力為F摩阻，我們對整個(gè)張拉過程的三個(gè)階段進(jìn)行分析。

(1)當(dāng)F外

該階段，外力無法拉動(dòng)內(nèi)部鋼絞線，工作夾片未發(fā)生滑動(dòng)，鋼絞線被工作錨分為內(nèi)外兩個(gè)部分，僅有外部鋼絞線L外=0.15m段發(fā)生形變伸長，該段曲線的斜率k1應(yīng)為L外段鋼絞線對應(yīng)的彈性系數(shù)。

(2)當(dāng)F外≤F內(nèi)+F摩阻時(shí)：非穩(wěn)態(tài)階段

該階段，外部應(yīng)力接近內(nèi)部應(yīng)力，工作夾片與工作錨正開始發(fā)生相對滑動(dòng)，由于F外除了克服F內(nèi)外，還要克服工作夾片與工作錨間的摩擦力，因此F-S曲線上往往會(huì)出現(xiàn)一個(gè)尖峰，然后消失。

(3)當(dāng)F外=F內(nèi)時(shí)：穩(wěn)態(tài)2階段

該階段，尖峰過后，工作夾片完全從工作錨中滑出，F(xiàn)外也對應(yīng)下降至F內(nèi)。此時(shí)外部應(yīng)力等于內(nèi)部應(yīng)力，工作夾片已完全滑出，內(nèi)外部鋼絞線成一個(gè)整體，發(fā)生形變伸長的鋼絞線長度為L內(nèi)+L外。該段曲線的斜率k2應(yīng)為L內(nèi)+L外整根鋼絞線對應(yīng)的彈性系數(shù)。

彈性系數(shù)k1=182000遠(yuǎn)大于k2=905，因此在張拉荷載-位移曲線上會(huì)出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)態(tài)2的交界點(diǎn)，即所謂的有效應(yīng)力拐點(diǎn)。

3 整束張拉工程實(shí)例及分析

3.1 工程實(shí)例

下面通過工程實(shí)例來分析整束張拉的有效應(yīng)力檢測結(jié)果。嘉興市某預(yù)應(yīng)力檢測工程中，一片有四根鋼絞線的預(yù)應(yīng)力梁，長30m，首先使用單根張拉法對其進(jìn)行有效應(yīng)力檢測，得到四根鋼絞線的實(shí)際有效預(yù)應(yīng)力分別是F1=162kN，F(xiàn)2=168kN，F(xiàn)3=170kN，F(xiàn)4=175kN。接著又對該梁進(jìn)行整束張拉來檢測鋼絞線的有效應(yīng)力，此過程中不考慮摩擦力?，F(xiàn)場檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)逐步分析如下。

(1)當(dāng)千斤頂外力F外<162×4=648kN時(shí)，由于所有鋼絞線受到的外力都小于自身預(yù)應(yīng)力，因此工作夾片未發(fā)生滑動(dòng)，鋼絞線被工作錨具分為內(nèi)外兩段。只有外段鋼絞線在受千斤頂拉力，系統(tǒng)整體處于穩(wěn)態(tài)1階段。如圖4、圖5所示。

圖4 整束張拉示意圖-穩(wěn)態(tài)1

圖5 整束張拉F-S曲線-穩(wěn)態(tài)1

(2)當(dāng)千斤頂?shù)耐饬外=162×4=648kN時(shí)，第一根鋼絞線的工作夾片開始滑動(dòng)，鋼絞線被拉出后內(nèi)外兩段合為一根，出現(xiàn)第一個(gè)尖峰，此時(shí)有效應(yīng)力點(diǎn)的最小可能值出現(xiàn)，其余三根鋼絞線仍然是F外

圖6 整束張拉示意圖-非穩(wěn)態(tài)1

圖7 整束張拉F-S曲線-非穩(wěn)態(tài)1

(3)隨著外力的繼續(xù)增大，F(xiàn)外=168×4=672kN時(shí)，第二根鋼絞線的工作夾片開始滑動(dòng)，鋼絞線被拉出后內(nèi)外兩段合為一根，出現(xiàn)第二個(gè)尖峰，剩余兩根鋼絞線仍然是F外

圖8 整束張拉示意圖-非穩(wěn)態(tài)2

圖9 整束張拉F-S曲線-非穩(wěn)態(tài)2

(4)外力繼續(xù)增大，F(xiàn)外=170×4=680kN時(shí)，第三根鋼絞線的工作夾片開始滑動(dòng)，鋼絞線被拉出后內(nèi)外兩段合為一根，出現(xiàn)第三個(gè)尖峰，只剩余一根鋼絞線仍然是F外

圖10 整束張拉示意圖-非穩(wěn)態(tài)3

圖11 整束張拉F-S曲線-非穩(wěn)態(tài)3

(5)當(dāng)外力增大到F外=175×4=700kN時(shí)，第四根鋼絞線的工作夾片開始滑動(dòng)，鋼絞線被拉出后內(nèi)外兩段合為一根，出現(xiàn)第四個(gè)尖峰，如圖12、圖13所示。

圖12 整束張拉示意圖-非穩(wěn)態(tài)4

圖13 整束張拉F-S曲線-非穩(wěn)態(tài)4

(6)最終，所有鋼絞線均被拔出都成為整體，工作夾片全部脫落，有效應(yīng)力點(diǎn)的最大可能值出現(xiàn)，系統(tǒng)整體進(jìn)入穩(wěn)態(tài)2階段，見圖14所示。

圖14 有效應(yīng)力點(diǎn)范圍

采用整束張拉進(jìn)行有效應(yīng)力檢測時(shí)，從第一根鋼絞線的工作夾片滑出開始，到第四根鋼絞線的工作夾片滑出為止，共出現(xiàn)了四次拐點(diǎn)，因此無法在該范圍內(nèi)準(zhǔn)確判定有效應(yīng)力點(diǎn)。

3.2 實(shí)例分析

上述試驗(yàn)結(jié)果為比較理想的受力情況，四根鋼絞線依次出現(xiàn)了拐點(diǎn)。因此，當(dāng)外力達(dá)到700kN時(shí)，有效應(yīng)力最大的第四根鋼絞線內(nèi)外力均衡，而其余三根鋼絞線的外力早已超出其施加的真實(shí)預(yù)應(yīng)力，這種情況下復(fù)張拉對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的承載力及安全性能都會(huì)產(chǎn)生不利影響。

另外，實(shí)際工程應(yīng)用中，并非每根鋼絞線的夾片會(huì)依次拔出，由于各根鋼絞線預(yù)加應(yīng)力大小不盡相同，會(huì)出現(xiàn)多種可能性，因此曲線也將出現(xiàn)多個(gè)拐點(diǎn)，從而無法判定有效應(yīng)力點(diǎn)。

因此，要準(zhǔn)確判定鋼絞線束的有效應(yīng)力，應(yīng)該通過單根鋼絞線復(fù)張法得出每一根鋼絞線的有效應(yīng)力，然后將這些鋼絞線的有效應(yīng)力相加從而得出整束鋼絞線的有效應(yīng)力。關(guān)于有效應(yīng)力評(píng)判，可參照重慶市公路工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《橋梁預(yù)應(yīng)力及索力張拉施工質(zhì)量檢測驗(yàn)收規(guī)程》 (CQJTG/T F81-2009)中第6.2.2條表6.2.2-3，對有效應(yīng)力同束不均勻度作出要求，允許偏差為±5%。因此通過單根鋼絞線復(fù)張法檢測到的各根鋼絞線有效應(yīng)力進(jìn)行對比，可判斷有效應(yīng)力同束不均勻度是否在規(guī)范規(guī)定的允許偏差范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語

本文介紹了復(fù)張法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件錨下有效應(yīng)力檢測的原理，用單根張拉的方式介紹了復(fù)張法檢測的工作歷程及有效應(yīng)力點(diǎn)判定的方法。在某預(yù)應(yīng)力檢測工程中對同一根預(yù)應(yīng)力構(gòu)件采用單根張拉及整束張拉兩種方式進(jìn)行檢測。

預(yù)應(yīng)力工程中普遍存在同束鋼絞線應(yīng)力不均勻的情況[6]。本文案例在整束張拉過程中，由于各根鋼絞線有預(yù)加應(yīng)力不均勻，導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線中出現(xiàn)多次拐點(diǎn)，無法得出準(zhǔn)確的有效應(yīng)力點(diǎn)，因此整束張拉不便于進(jìn)行錨下有效應(yīng)力的檢測；單根張拉則可以準(zhǔn)確得出每根鋼絞線的有效應(yīng)力點(diǎn)，便于進(jìn)行鋼絞線有效應(yīng)力的檢測。

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Analysis of Reverse Tensioning Method in Effective Stress Detection

GAO Feng-shan

(Hangzhou Highway Administration Bureau，Hangzhou 310030，China)

Reverse tensioning method is common to detect the effective stress at the moment; it is mainly used to detect the effective stress of pre-stressed steel strands in precast concrete members. The method is to stretch the steel strands which are exposed to the outside of the members, then calculate the effective stress point by tension and steel strand displacement. There are two ways to detect the under-anchorage effective prestress by using reverse tensioning method: single steel strand tension and a whole bundle of steel strands tension. For a whole bundle of steel strands tension, the prestress in the whole bundle is not uniform, there must be some over tension or under tension steel strands. In this paper, the effective stress of a beam is detected by single tension and integrated tension, a conclusion of the experiment shows that we cannot get the real effective stress from integrated tension method.

reverse tensioning method; effective stress; single steel strand; a whole bundle of steel strands; stress detection

2016-10-09

浙江省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015-2-13)

高鳳山(1964-)，男，浙江德清人，碩士，E-mail：hzgl_gao@126.com。

TU757.1

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2016.04.006

1671-234X(2016)04-0030-05