預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)控制與張拉伸長值計算分析

歐陽術(shù)

摘 要：預(yù)應(yīng)力混凝土施工是一種比較成熟的施工技術(shù)，《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》雖然對預(yù)應(yīng)力混凝土施工的過程有比較明確的要求，但對如何達到設(shè)計和規(guī)范的要求卻提及很少，對施工過程中容易出現(xiàn)的問題也沒有給出解決措施。作為一名高級工程技術(shù)管理人員，絕不能局限于對施工規(guī)范的理解和掌握，本文根據(jù)自身以往的工作經(jīng)歷，參考老一輩工程技術(shù)人員的經(jīng)驗，從工程技術(shù)管理的角度，對施工規(guī)范要求以外卻容易忽視的設(shè)計圖紙復(fù)核、張拉設(shè)備和原材料管理、混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力筋張拉、伸長值測量等方面的施工技術(shù)控制要點進行了總結(jié)，同時對張拉伸長值計算進行了系統(tǒng)的分析，并對其中部分項目進行了定量計算和分析對比。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土；施工技術(shù)控制；伸長值；計算分析

1 施工技術(shù)控制

1.1 復(fù)核設(shè)計圖紙

施工單位拿到設(shè)計圖紙后，首先應(yīng)從以下幾個方面對設(shè)計圖紙中的預(yù)應(yīng)力混凝土部分進行復(fù)核。

1.1.1 工程數(shù)量

復(fù)核工程數(shù)量一是為采購部門提供準(zhǔn)確的采購數(shù)量，二是避免施工過程中再發(fā)現(xiàn)設(shè)計圖紙錯誤而影響工期。給采購部門提供的工程數(shù)量應(yīng)考慮試驗所需的材料和施工過程中必要的損耗，其中，鋼絞線應(yīng)考慮張拉兩端的工作長度以及每卷廢棄的長度，波紋管應(yīng)考慮接頭搭接長度。

1.1.2 結(jié)構(gòu)尺寸

應(yīng)對設(shè)計圖紙中的結(jié)構(gòu)尺寸進行復(fù)核，對感覺有疑問的地方需及時與設(shè)計人員溝通，確保圖紙無誤。需要特別注意的是，應(yīng)根據(jù)張拉設(shè)備復(fù)核張拉端空間是否足夠，比如縱向普通鋼筋主筋是否影響千斤頂就位，施工中我曾遇到在端頭斷開的縱向普通鋼筋主筋影響千斤頂就位，而斷開的主筋直徑一般較大，不容易彎曲，且彎曲是容易破壞四周混凝土，給施工帶來了很大的困難。

1.1.3 波紋管直徑

為確保波紋管直徑滿足需要，作為一個工程技術(shù)人員應(yīng)該核實設(shè)計圖紙中給定的波紋管直徑是否滿足施工要求。波紋管直徑過大對結(jié)構(gòu)受力不利，并影響普通鋼筋的施工，同時可能導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋保護層變??；而波紋管直徑過小會給預(yù)應(yīng)力筋穿束以及壓漿帶來很大的困難，一般來說，波紋管斷面面積為預(yù)應(yīng)力筋截面面積的2～3倍。

1.2 張拉設(shè)備與原材料控制

1.2.1 張拉設(shè)備

首先，應(yīng)選擇合適的千斤頂和壓力表的型號。張拉控制力應(yīng)位于1/3至2/3的千斤頂噸位之間，壓力表的最大讀數(shù)也應(yīng)位于1/3至2/3之間的壓力表量程范圍內(nèi)。

其次，張拉設(shè)備除應(yīng)按施工規(guī)范要求進行定期維護和檢驗。下表為實際施工過程中本人繪制的一個張拉控制表，表中有標(biāo)定公式、張拉控制應(yīng)力、張拉設(shè)備編號和壓力表控制度數(shù)，為施工操作人員和技術(shù)人員提供了便利，如表1-1所示。

表1-1 張拉設(shè)備標(biāo)定系統(tǒng)和應(yīng)力控制表

標(biāo)定公式：y=0.0131x+0.7894，張拉控制應(yīng)力：1450.8MPa，張拉控制力：3437.34KN

鋼束編號 千斤頂編號 油泵編號 壓力表編號 百分率 張拉力（KN） 壓力表讀數(shù)

F1 2029 1 1536 10% 243.73 4.0

20% 487.47 7.2

50% 1218.67 16.8

100% 2437.34 32.7

1.2.2 原材料

原材料應(yīng)符合設(shè)計和規(guī)范的要求，并嚴格按照規(guī)范要求進行試驗檢測。

1.3 混凝土澆筑前的控制

預(yù)應(yīng)力管道一般采用金屬波紋管或塑料波紋管制作，管道的位置要按設(shè)計圖紙的要求布設(shè)準(zhǔn)確布設(shè)，并采用每隔50cm一道的定位鋼筋進行固定，接頭要平順，外用膠布纏牢，在管道的高點設(shè)置排氣孔。

錨墊板安裝前，檢查錨墊板的幾何尺寸是否符合設(shè)計要求，錨墊板要牢固的安裝在模板上。墊板與孔道要嚴格對中，并與孔道端部垂直，不能錯位。錨下螺旋筋及加強鋼筋要嚴格按設(shè)計圖紙設(shè)置，喇叭口與波紋管要連接平順、密封。對錨墊板上的壓漿孔要妥善封堵，防止?jié)仓炷習(xí)r漏漿堵孔。

1.4 混凝土澆筑的控制

預(yù)應(yīng)力混凝土澆筑時除應(yīng)嚴格按照施工規(guī)范要求進行施工外，還應(yīng)特別注意預(yù)應(yīng)力設(shè)施周邊混凝土的振搗。

1.5 施工張拉控制應(yīng)力的確定

施工張拉控制應(yīng)力的確定是預(yù)應(yīng)力張拉的關(guān)鍵步驟，在實際施工過程中，沒有經(jīng)驗的施工技術(shù)人員很容易將設(shè)計張拉控制應(yīng)力直接作為施工張拉控制力來進行預(yù)應(yīng)力張拉，這是錯誤的。

對此，我特意咨詢過多個項目中的設(shè)計人員，設(shè)計張拉控制應(yīng)力一般是指錨下張拉控制應(yīng)力，也就是扣除預(yù)應(yīng)力損失后的張拉控制應(yīng)力，而施工規(guī)范雖然在“后張法預(yù)應(yīng)力筋張拉程序表”中明確了對于低松弛預(yù)應(yīng)力筋無需超張拉，但在此表的注中明確說明了張拉控制應(yīng)力包含預(yù)應(yīng)力損失，由此來看，施工過程中不能以設(shè)計圖中的張拉控制力來作為施工張拉控制力，施工規(guī)范是要求我們計算出預(yù)應(yīng)力損失，并含到施工張拉控制力中去的。

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計規(guī)范》中列出了六種因素引起的預(yù)應(yīng)力損失，分別是預(yù)應(yīng)力筋與管道壁之間的摩擦，錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮，預(yù)應(yīng)力筋與臺座之間的溫差、混凝土的彈性壓縮，預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力松弛，混凝土的收縮和徐變。其中預(yù)應(yīng)力筋與管道壁之間的摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失由設(shè)計人員進行考慮，而施工規(guī)范對由此引起的張拉伸長值變化有具體的計算方法（公式2-1和2-2）；而由于溫差、彈性壓縮、應(yīng)力松弛、收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失定量計算復(fù)雜，但作為施工技術(shù)人員，應(yīng)考慮施工規(guī)范中規(guī)定的錨具變形、預(yù)應(yīng)力筋回縮和接縫壓縮容許值引起的預(yù)應(yīng)力損失。

目前，一般的錨具生產(chǎn)廠家對夾片式錨具產(chǎn)生的回縮定義在3～6mm，接縫壓縮一般考慮1mm，也就是在施工前應(yīng)計算出將預(yù)應(yīng)力筋多拉長4～7mm需要增加多大的施工張拉控制力，通過公式2-1和2-2可以反算出多拉長4～7mm需要的張拉控制力，這個張拉控制力即為施工張拉控制力，施工張拉控制力超出錨下設(shè)計張拉控制力的部分就是超張拉。

以湖南醴茶高速二標(biāo)現(xiàn)澆箱梁中跨F1為例，梁長20m（實際張拉長度按21m計算），鋼絞線豎彎半徑均為15m，轉(zhuǎn)角為6.94°，采用兩端張拉，每端均需增加4～7mm的拉伸量，計算結(jié)果如下：

表1-2 設(shè)計伸長值計算表

鋼束 張拉長度

（m） 轉(zhuǎn)角

（°） 張拉應(yīng)力

（MPa） 平均應(yīng)力

（MPa） 單端伸長值

（mm）

F1 10.5 6.94 1395 1367 72

表1-3 增加伸長值需要的張拉應(yīng)力計算表

鋼束 張拉長度（m） 轉(zhuǎn)角（°） 單端伸長值（mm） 平均應(yīng)力（MPa） 張拉應(yīng)力（MPa） 超張拉（%）

F1 10.5 6.94 76 1442 1471 5.4

79 1499 1529 9.6

從上表可以看出，對一束20m長的預(yù)應(yīng)力筋來說，采取兩張張拉的方式進行張拉，每端需增加4（7）mm的伸長值，需超張拉5.4（9.6）%才能滿足設(shè)計的要求，而施工規(guī)范要求超張拉額不得超過設(shè)計張拉控制應(yīng)力的5%，這已嚴重超出施工規(guī)范的要求。考慮到張拉過程中會完成一部分回縮，我覺得首先應(yīng)選用回縮小的錨具，另外對于短束預(yù)應(yīng)力筋可適當(dāng)增大超張拉額（4-5%），對于長束預(yù)應(yīng)力筋，由于回縮量對伸長值的影響較小，可適當(dāng)減少超張拉額（2-3%）。

1.6 預(yù)應(yīng)力筋張拉的控制

預(yù)應(yīng)力筋張拉時除嚴格按照設(shè)計和施工規(guī)范要求進行施工外，還應(yīng)著重注意以下兩個方面的控制。

1.6.1 混凝土強度

構(gòu)件的混凝土性能應(yīng)符合設(shè)計要求，設(shè)計未規(guī)定時，不低于設(shè)計強度等級值的75%，其目的是確保構(gòu)件強度能夠承受足夠的張拉壓應(yīng)力，同時減少混凝土的徐變和混凝土彈性壓縮帶來的預(yù)應(yīng)力損失。需要注意的是必須在現(xiàn)場存留足夠的同條件養(yǎng)護混凝土試塊，不能以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室的試塊強度作為張拉強度的衡量值。

1.6.2 張拉順序

應(yīng)嚴格按照設(shè)計和施工規(guī)范的要求，采取縱向兩端、橫向?qū)ΨQ張拉，不能因為千斤頂數(shù)量或人員不夠就采用單端張拉，也不能因為移動張拉設(shè)備麻煩而不對稱張拉，這種不正確的張拉方法帶來的預(yù)應(yīng)力損失和伸長值變化會在下一章節(jié)中詳細分析。

1.7 實際伸長量的測量

鋼絞線實際伸長量的測量方法有多種多樣，目前使用較多的是直接測量張拉端千斤頂活塞伸出量的方法，這種測量方法操作比較簡便，但存在一定的誤差，這是因為工具錨端夾片張拉前經(jīng)張拉操作人員用鋼管敲緊后，在張拉到初始應(yīng)力時因鋼絞線受力，夾片會向內(nèi)滑動，張拉到更大的應(yīng)力時，夾片又會繼續(xù)向內(nèi)滑動，這樣通過測量千斤頂?shù)纳扉L量比鋼絞線的實際伸長值長，兩側(cè)同時張拉時影響更大，因此用測量千斤活塞的方法一般測出來的值都是偏大的。

對于鋼束實際伸長值的測量，可采用量測鋼絞線絕對伸長值的方法，而不使用量測千斤頂活塞伸出量的方法，后者測得的伸長值須考慮工具錨處鋼束回縮及夾片滑移等影響，尤其是在鋼絞線較長，必須進行分級張拉時，更為繁瑣，若直接通過測量千頂活塞的伸出量，則誤差累計更大。具體做法是：張拉到初始應(yīng)力時，用一個標(biāo)尺固定在鋼絞線上，不論經(jīng)過幾個行程，均以此來量測分級鋼絞線的長度，累計的結(jié)果就是初應(yīng)力與終應(yīng)力之間的實測伸長值。

2 張拉伸長值的計算與分析

2.1 伸長值的計算方法

根據(jù)施工規(guī)范，預(yù)應(yīng)力筋的理論伸長值ΔL可按公式2-1計算：

（公式2-1）

這個公式可以這么理解，Pp/Ap其實就是應(yīng)力，應(yīng)力除以Ep（彈性模量）就是應(yīng)變，應(yīng)變乘以L（長度）就是位移（伸長量）了。

同時，施工規(guī)范附錄G-8中規(guī)定了Pp的計算公式：

（公式2-2）

從公式2-1可以看出，鋼絞線的彈性模量Ep是決定計算值的重要因素，它的取值是否正確，對計算預(yù)應(yīng)力筋伸長值的影響較大。所以鋼絞線在使用前必須進行檢測試驗，彈性模量則常出現(xiàn)Ep=（1.96～2.04）×105Mpa的結(jié)果，這是由于實際的鋼絞線的截面積并不是絕對的140mm2，而進行試驗時并未用真實的鋼絞線截面積進行計算，根據(jù)公式2-1可知，若Ap有偏差，則得到了一個Ep值，雖然Ep并非真實值，但將其與鋼絞線理論面積相乘所計算出的ΔL卻是符合實際的，所以要按實測值Ep進行計算。

公式2-2中的k和μ是后張法鋼絞線伸長量計算中的兩個重要的參數(shù)，其大小取決于多方面的因素：管道的成型方式、預(yù)應(yīng)力筋的類型、表面特征是光滑的還是有波紋的、表面是否有銹斑、波紋管的布設(shè)是否正確、彎道位置及角度是否正確、成型管道內(nèi)是否漏漿等等，各個因素在施工中的變動很大，還有很多是不可能預(yù)先確定的，因此，摩擦系數(shù)的大小很大程度上取決于施工的精確程度。在工程實施中，設(shè)計有規(guī)定時按規(guī)定執(zhí)行，設(shè)計無規(guī)定時，對于直線型橋梁結(jié)構(gòu)且預(yù)應(yīng)力筋布置較簡單時可按施工規(guī)范中的參考區(qū)間選取，而對于彎曲橋梁結(jié)果或預(yù)應(yīng)力筋布置復(fù)雜時，應(yīng)按施工規(guī)范附錄G-9的要求對孔道磨擦系數(shù)進行測定，以確保摩擦系數(shù)的大小基本一致。

2.2 分段計算與整體計算的區(qū)別

計算預(yù)應(yīng)力筋張拉伸長值時，有人發(fā)表文章說應(yīng)分段計算伸長值，對此我持有不同意見。以上述20m中跨現(xiàn)澆箱梁為例，預(yù)應(yīng)力筋立面圖和F1鋼束分段示意圖如下：

圖2-1 預(yù)應(yīng)力筋布置立面圖

圖2-2 F1鋼束分段示意圖

查閱設(shè)計規(guī)范，后張法構(gòu)件張拉時，預(yù)應(yīng)力筋與管道壁之間的摩擦?xí)痤A(yù)應(yīng)力損失，計算公式如下：

（公式2-3）

以F1鋼束為例，采取兩端張拉的方式，分段計算伸長值結(jié)果如下：

表2-1 F1鋼束整體計算伸長值表

L（m） θ（°） 起點應(yīng)力（Mpa） 平均張拉應(yīng)力（Mpa） △L（mm）

10.040 13.88 1395.00 1351.62 67.9

兩端伸長值合計 135.7

表2-2 F1鋼束分段計算伸長值表

分段 L（m） θ（°） 起點應(yīng)力（Mpa） 終點應(yīng)力（Mpa） 平均應(yīng)力（Mpa） △L（mm）

L1 1.091 0.00 1395.00 1392.72 1393.86 7.6

L2 1.816 6.94 1392.72 1355.69 1374.12 12.5

L3 4.226 0.00 1355.69 1347.12 1351.40 28.6

L4 1.816 6.94 1347.12 1311.30 1329.13 12.1

L5 1.091 0.00 1311.30 1309.16 1310.23 7.1

兩端伸長值合計 135.7

從表2-1和表2-2可以看出，采取分段或整體計算伸長值并無明顯差別。究其原因，是因為施工規(guī)范規(guī)定直線筋可以采用公式2-1進行計算，但對于既有曲線也有直線的預(yù)應(yīng)力筋，受力后的預(yù)應(yīng)力筋必然緊貼管道，直線段管道對預(yù)應(yīng)力筋也會造成預(yù)應(yīng)力損失，應(yīng)計算此部分預(yù)應(yīng)力損失對伸長值帶來的影響，而在整體計算伸長值時，是考慮所有預(yù)應(yīng)力管道長度和彎曲部分造成的預(yù)應(yīng)力損失帶來的伸長值影響，所以計算結(jié)果基本是一致的。

2.3 張拉端預(yù)應(yīng)力筋工作長度對伸長值的影響

設(shè)計圖紙中給出的伸長量一般指預(yù)應(yīng)力筋有效長度范圍內(nèi)的伸長量，而在實際施工過程中，在構(gòu)件錨固點以外還有千斤頂和工作錨，此部分預(yù)應(yīng)力筋在張拉過程中同樣受力，也會產(chǎn)生伸長值，所以在計算伸長值時，需考慮此部分預(yù)應(yīng)力筋工作長度對伸長值造成的影響。

根據(jù)經(jīng)監(jiān)理工程師批準(zhǔn)的施工方案和張拉設(shè)備，確定工作長度，并重新確定用來控制張拉的伸長值。對此，我在施工過程中做過定量的分析。

1m長鋼絞線在直線狀態(tài)下的伸長量為：

ΔL1=1395×1/2×100000=7.0mm

20m長的預(yù)應(yīng)力筋直線狀態(tài)下的伸長量為：

ΔL20=1395×20/2×100000=139.5mm

影響比例：

（7.0/139.5）×100%=5%

由此可見，一段1m長的工作長度對一個20m長的預(yù)應(yīng)力筋伸長量來說，將造成5%的影響，而我們在施工過程中，施工規(guī)范允許的伸長值偏差才6%，所以說，對于不是很長的預(yù)應(yīng)力筋張拉來說，預(yù)應(yīng)力筋張拉工作長度對伸長量來說是很重要的。

2.4 采取不同的張拉方式對伸長值的影響

2.4.1 兩端張拉與一端張拉的應(yīng)力應(yīng)變比較

單端張拉需要將鋼絞線長度和轉(zhuǎn)角總和從張拉端一直計算至錨固端，而兩端張拉只需將鋼絞線長度和轉(zhuǎn)角總和從張拉端計算至跨中，以上述現(xiàn)澆箱梁中跨為例，采取同兩種不同的方法計算平均張拉應(yīng)力與理論伸長值結(jié)果如下。

表2-3 兩端張拉伸長值計算表

鋼束編號 L（m） θ 張拉應(yīng)力（MPa） 平均應(yīng)力（MPa） △L（mm）

1 10.54 6.94 1395.00 1367.44 144.1

2 10.51 3.64 1395.00 1375.33 144.6

3 10.50 0.00 1395.00 1384.07 145.3

表2-4 單端張拉伸長值計算表

鋼束編號 L（m） θ 張拉應(yīng)力（MPa） 平均應(yīng)力（MPa） △Lmm

1 20.58 13.88 1395.00 1341.11 138.0

2 20.52 7.28 1395.00 1356.53 139.2

3 20.50 0.00 1395.00 1373.77 140.8

由表2-3和2-4可以看出，F(xiàn)1鋼束單端張拉時計算出來的鋼絞線平均應(yīng)力為1341.11MPa，兩端張拉時計算出來的鋼絞線平均應(yīng)力為1367.44MPa，單端張拉比兩端張拉的鋼筋線平均應(yīng)力時小2%，說明損失了2%的預(yù)應(yīng)力效果，如果在設(shè)計時沒有足夠的安全系數(shù)，此部分預(yù)應(yīng)力損失容易造成鋼筋混凝土梁在受拉區(qū)開裂。

2.4.2 非對稱張拉與對稱張拉的比較

對于箱梁，有時受條件所限，在兩端張拉且在腹板上對稱張拉，需要4套張拉設(shè)備和人員，而對于多箱室的箱梁，則需要更多。在湖南省醴茶高速第二合同段跨省道313的分離式立交的施工過程中，只有兩套張拉設(shè)備和人員，首先應(yīng)保證兩端張拉，在無法做到同時對稱張拉的情況下，我繪制了下列張拉順序圖，遵循了先下后上、先中間后兩邊的原則，盡可能的在斷面上保證了對稱張拉，使梁體受力更均勻。

圖2-3 鋼束張拉順序圖

2.5 伸長值不正常情況分析

施工規(guī)范中注明張拉鋼絞線時，應(yīng)先調(diào)整至初應(yīng)力，而初應(yīng)力宜為張拉控制應(yīng)力的10%～15%，在計算式伸長值時，推算初應(yīng)力的伸長值。

在實際施工過程中，經(jīng)常遇到從開始張拉至初應(yīng)力伸長值特別不正常的情況，分析原因如下。

2.5.1 初始伸長值偏大

一般是由于錨具、夾具，千斤頂?shù)劝惭b不到位，空隙過大，加載初應(yīng)力后，壓縮了此部分空隙，導(dǎo)致初始伸長值偏大，對此情況，一般不需采取額外的措施，只需在下次安裝千斤頂、錨具、夾具時安裝到位就行，一般不會對預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生不好的影響。

2.5.2 初始伸長值偏小

施工過程中，出現(xiàn)初始伸長值偏小的原因一般有兩種，一是鋼絞線在管道中有交叉，影響了鋼絞線的自由伸縮，而加載的初應(yīng)力還不足以使交叉在一起的鋼絞線分開，導(dǎo)致初始伸長值偏小，而在初應(yīng)力后的張拉過程中會將交叉在一起的鋼絞線分開，從而導(dǎo)致初始伸長值后的伸長值偏大；二是管道中有少量漏漿，對鋼絞線產(chǎn)生一定的約束，導(dǎo)致的結(jié)果與前一種類似，需要一個比初應(yīng)力大的張拉力將鋼絞線和約束分離，張拉過程中有時會聽見嘣的聲音。以上原因?qū)е聫念A(yù)先設(shè)置的初始張拉控制力到更高的張拉控制力之間，還存在預(yù)應(yīng)力鋼束未按正常情況伸長的情況，這時我們需要排除此種干擾，找出準(zhǔn)確的伸長規(guī)律，才能正確判斷張拉的準(zhǔn)確性。

解決辦法：多分幾個階段進行張拉讀數(shù)，計算出各階段的伸長值，分析伸長值數(shù)據(jù)，剔除不正常階段的伸長值數(shù)據(jù)，根據(jù)正常階段的伸長值推算剔除階段的伸長值，并計算總伸長值。

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