錨索測力計測值與張拉千斤頂讀數(shù)不匹配的原因分析

菅 強(qiáng)，崔劍武，唐 勇，劉千駒

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065;2.中國水利水電第十四工程局有限公司， 昆明 650041)

0 前 言

預(yù)應(yīng)力錨索作為一種高效、經(jīng)濟(jì)、實用的工程技術(shù)，已廣泛應(yīng)用在邊坡工程、地下空間工程及其他土木建筑結(jié)構(gòu)中，設(shè)計人員可根據(jù)采樣監(jiān)測成果對整個錨固工程進(jìn)行控制，發(fā)現(xiàn)問題及時采取補(bǔ)救措施[1]。國內(nèi)某水電工程溢洪道閘墩采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，閘墩內(nèi)主預(yù)應(yīng)力錨索鎖定噸位為3 500 kN，錨索體由21根7Φ5的鋼絞線組成；錨塊內(nèi)次預(yù)應(yīng)力錨索鎖定噸位為2 400 kN，錨索體由15根7Φ5的鋼絞線組成。預(yù)應(yīng)力錨索采用先埋管后裝束的后張法施工。

為了解溢洪道閘墩預(yù)應(yīng)力錨索工作狀況，結(jié)合閘墩預(yù)應(yīng)力錨索布置安裝錨索測力計。錨索測力計分別布置于主錨索和次錨索的張拉端。主錨索監(jiān)測選用振弦式錨索測力計3臺，量程為3 500 kN；次錨索監(jiān)測選用振弦式錨索測力計2臺，量程為2 400 kN。2種錨索測力計精度均為0.5%F.S(滿量程)，超載范圍為125%F.S(滿量程)。

施工現(xiàn)場先對第1臺次錨索測力計進(jìn)行安裝，預(yù)緊后按設(shè)計要求分5級(設(shè)計荷載的25%、50%、75%、100%、105%)進(jìn)行張拉。各階段錨索測力計測值、千斤頂讀數(shù)見表1。

通過對比發(fā)現(xiàn)千斤頂讀數(shù)與測力計測值存在較大差距，在加載到第3級穩(wěn)壓后停止張拉，待查明原因后再繼續(xù)張拉。

表1 第1臺次錨索測力計測值與千斤頂讀數(shù)對比表

1 原因初判

通過對整個工序與相關(guān)儀器、設(shè)備的檢查，初步分析認(rèn)為造成千斤頂施加荷載與錨索測力計測值差距較大的原因主要有以下4個方面[4]的可能性：

(1) 錨索測力計測值不準(zhǔn)確；

(2) 千斤頂配置壓力表不準(zhǔn)確；

(3) 安裝偏心問題；

(4) 限位板與錨具問題。

下面分別從這4個方面入手查找原因。

2 錨索測力計測值可靠性分析

為了確認(rèn)錨索測力計測值是否可信，決定采用相同的安裝工藝和同一臺千斤頂，對第2臺次錨索測力計(與第1臺次錨索測力計同一廠家、同一型號、同一批次)進(jìn)行安裝并張拉錨索，全程記錄錨索測力計測值。各階段錨索測力計測值、千斤頂讀數(shù)見表2。

表2 第2臺次錨索測力計測值與千斤頂讀數(shù)對比表

從表2可知，第2臺次錨索測力計與第1臺存在相同的問題，千斤頂施加荷載與錨索測力計測值仍存在較大差距。由于2臺次錨索測力計均在安裝前不久經(jīng)廠家率定合格，且在現(xiàn)場檢驗率定也合格，基本可以排除錨索測力計自身的問題。

3 千斤頂和壓力表可靠性分析

由于施工現(xiàn)場無大噸位壓力機(jī)，無法進(jìn)行千斤頂和錨索測力計聯(lián)合率定。該千斤頂近期在第三方測試機(jī)構(gòu)檢測合格。為了模擬張拉和測試過程，在現(xiàn)場截取21束1.5 m長錨索鋼絞線，進(jìn)行了千斤頂與錨索測力計現(xiàn)場聯(lián)合測試，現(xiàn)場實際安裝情況見圖1。采用的錨索測力計為主錨索測力計(3 500 kN)，與次錨索測力計出自同一廠家。聯(lián)合測試按主錨索的設(shè)計要求分4級(設(shè)計荷載的24%、50%、75%、100%)進(jìn)行張拉。各階段錨索測力計測值、千斤頂讀數(shù)見表3。

表3 主錨索測力計與千斤頂聯(lián)合測試測值對比表

圖1 現(xiàn)場聯(lián)合測試安裝圖

圖2 主錨索測力計與千斤頂聯(lián)合測試測值對比曲線圖

根據(jù)聯(lián)合測試結(jié)果繪制對比曲線見圖2。從圖2中可知：除第1級加載時差值達(dá)到8.9%，后期隨著施加荷載的增大，二者差值占比均在5%以內(nèi)，考慮到千斤頂油泵的人工操作誤差以及錨索測力計的誤差，二者實際差值占比應(yīng)該更小，與其它工程的經(jīng)驗基本類似。

用于此次錨索張拉的千斤頂為國產(chǎn)YCW400B型千斤頂，作為大噸位錨索張拉的專用設(shè)備，具有體積小、重量輕和可靠性高等優(yōu)點，目前已廣泛用于后張法的預(yù)應(yīng)力錨索施工。本臺千斤頂專門用于這5套監(jiān)測錨索的張拉，在第三方測試機(jī)構(gòu)測試合格后直接進(jìn)場，至錨索張拉僅間隔1個月，結(jié)合以上聯(lián)合測試結(jié)論，基本可以排除千斤頂?shù)淖陨韱栴}。

4 錨束安裝偏心問題

4.1 原始測值分析

圖3 第1臺次錨索測力計頻率變化過程線圖

圖4 第2臺次錨索測力計頻率變化過程線圖

圖5 主錨索測力計頻率變化過程線圖

圖6 各錨索測力計頻率標(biāo)準(zhǔn)差曲線圖

所采用的錨索測力計每臺包含4支傳感器，間隔90°呈環(huán)形對稱分布，4支傳感器電纜顏色分別為紅、黑、黃、白。主、次錨索測力計各傳感器測值過程線見圖3～6。對2臺次錨索測力計和1臺主錨索測力計原始頻率讀數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著錨索逐級張拉，次錨索各傳感器測值逐漸分化，頻率測值差距逐漸拉大，最大頻率標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到175～200 Hz，離散化程度較高；主錨索測力計各傳感器測值基本一致，最大頻率標(biāo)準(zhǔn)差僅60 Hz，遠(yuǎn)小于次錨索測力計。用于聯(lián)合測試的主錨索測力計偏心問題不突出，2臺已安裝的次錨索測力較主錨索測力計而言存在一定程度的偏心[3]。

4.2 錨墊板

通過現(xiàn)場實地查看發(fā)現(xiàn)，次錨索孔口錨墊板表面凹凸不平，疑似有油漆和已凝固的水泥漿，錨墊板銹蝕嚴(yán)重。錨墊板不平整對錨索測力計的測值造成一定影響。

4.3 錨索測力計組裝

由于大噸位錨索測力計質(zhì)量在40 kg以上，給現(xiàn)場組裝和同心對中帶來一定難度。需要用鐵鏈、滑輪組吊起后反復(fù)調(diào)整位置。但是實際安裝過程中，錨索測力計和錨具組裝后沒有進(jìn)行調(diào)整，吊裝鐵鏈和滑輪組隨即撤去，由于錨索測力計與內(nèi)外錨板重量較大，直接與鋼絞線接觸，會造成與錨索鉆孔偏心。

4.4 錨索測力計偏心受力狀態(tài)分析

下面就偏心受力狀態(tài)進(jìn)行分析，圖7為監(jiān)測錨索張拉簡化物理模型，圖8為偏心受力狀態(tài)分析模型。

圖7 監(jiān)測錨索張拉物理模型圖

將工作錨、夾片以及夾片中鋼絞線段作為一個整體的研究對象進(jìn)行受力分析。根據(jù)靜力平衡原理豎直方向平衡方程為：

F·cosα-N= 0

(1)

由式(1)可得，錨索測力計受力即測力計對工作錨支持力N為：

N=F·cosα

(2)

由以上推導(dǎo)可得千斤頂施加荷載與錨索測力計測值之差△為：

△=F-N=F·(1-cosα)

(3)

根據(jù)式(3)，對于已安裝的測力計，其偏心角α基本固定，則錨索測力計測值與千斤頂施加荷載基本呈正相關(guān)關(guān)系。由于目前無法得到錨索測力計偏心角α準(zhǔn)確值，僅對千斤頂施加荷載與錨索測力計測值之差△的理論值進(jìn)行推算。根據(jù)式(3)：△=F·(1-cosα)，取α=3°(預(yù)估值)，F(xiàn)=1 800 kN(當(dāng)千斤頂加載至1 800 kN)時，所得△為2.5 kN。與2臺次錨索測力計實測值150 kN(第1臺次錨索)、271 kN(第2臺次錨索)測值相差甚遠(yuǎn)。

圖8 偏心受力狀態(tài)分析模型圖

4.5 現(xiàn)場試驗

為了確認(rèn)是否存在安裝偏心問題，在現(xiàn)場對新安裝的錨索測力計采取了在錨墊板上繪制對中圓圈、對錨墊板表面進(jìn)行打磨處理及吊起錨索測力計進(jìn)行對中及其他一系列對中措施，但是實測數(shù)據(jù)表明千斤頂所加荷載與錨索測力計測值仍有明顯差距。通過理論分析與現(xiàn)場試驗表明，錨索測力計安裝偏心對千斤頂壓力表讀數(shù)和錨索測力計測值的差值影響較小，并不是造成二者差距較大的主要原因。

5 限位板與錨具配套問題

5.1 限位尺寸偏小受力狀態(tài)分析

通過逐項排查后，問題的焦點集中在限位板與錨具是否匹配的問題上。限位板的選擇通常由生產(chǎn)錨具的廠家根據(jù)錨索錨束公稱直徑提供配套產(chǎn)品，才能達(dá)到良好的效果。當(dāng)限位尺寸理想時，工作錨夾片對鋼絞線的摩擦力相對張拉力可忽略不計。在預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉和卸載回縮過程中，工作錨夾片始終對預(yù)應(yīng)力鋼絞線有機(jī)械嚙合力，為了防止卸載回縮時滑絲，錨具廠專門減小限位板凹槽深度，以在張拉時刮傷預(yù)應(yīng)力鋼絞線為代價達(dá)到減小卸載瞬間荷載損失的目的，其結(jié)果是降低了預(yù)應(yīng)力鋼絞線的強(qiáng)度，更重要的是在張拉過程中，工作錨夾片對鋼絞線的摩擦力是一個未知數(shù)，張拉力被此摩擦力抵消多少，也是個未知數(shù)[2]。此受力狀態(tài)分析模型見圖9。

圖9 限位尺寸偏小受力狀態(tài)分析模型圖

將工作錨、夾片以及夾片中鋼絞線段作為一個整體的研究對象進(jìn)行受力分析。根據(jù)靜力平衡原理豎直方向平衡方程為：

N-F鋼絞線= 0

(4)

以鋼絞線為研究對象，根據(jù)靜力平衡原理則有：

F-f-F鋼絞線= 0

(5)

由于鋼絞線與夾片摩擦力f與豎向壓力m呈正相關(guān)關(guān)系，設(shè)k為相關(guān)系數(shù)，則有：

f=k·m

(6)

將式(5)與(6)代入(4)式，可得千斤頂施加荷載與錨索測力計測值之差△為：

△=k·m

(7)

5.2 與實測數(shù)據(jù)對比

對2臺次錨索測力計測值與千斤頂施加荷載進(jìn)行統(tǒng)計，繪制過程線見圖10，通過實測數(shù)據(jù)可知千斤頂施加荷載與錨索測力計測值之間確實基本呈正相關(guān)。

5.3 試 算

當(dāng)限位板凹槽深度較淺時，千斤頂加載后限位板凹槽內(nèi)的夾片被限位板推入工作錨具，“咬住”錨束。隨著千斤頂荷載繼續(xù)增加，夾片受到的推力保持不變，鋼絞線與夾片摩擦力保持不變，增加的荷載由工作錨具承擔(dān)。千斤頂施加荷載與錨索測力計測值之差基本保持不變。對k值取0.05～0.5，m值取10～100 t，按式(7)進(jìn)行試算，結(jié)果見表4。試算表明工作錨夾片對鋼絞線的摩擦力對測力計測值的影響較為可觀。

表4 千斤頂讀數(shù)與錨索測力計測值之差試算表

5.4 現(xiàn)場檢查

為了進(jìn)一步驗證限位板與錨具的配套問題，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)錨索張拉所用限位板限位尺寸為6.5 mm，為錨具生產(chǎn)廠家提供的配套產(chǎn)品。根據(jù)廠家提供資料，該型限位板適用于鋼絞線直徑為15.2 mm的情況。但是經(jīng)過現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)，所用鋼絞線實際直徑為15.5 mm。廠家提供的鋼絞線直徑與限位尺寸配套說明見表5，鋼絞線直徑與限位尺寸配套關(guān)系見圖11。

表5 鋼絞線直徑與限位尺寸配套說明表

根據(jù)鋼絞線實際直徑應(yīng)選用的限位尺寸應(yīng)為7.8 mm，目前選用限位板尺寸小于廠家要求1.3 mm，限位尺寸偏小，限位槽偏淺。查看次錨索鋼絞線，發(fā)現(xiàn)在鎖定部分有明顯的刮傷痕跡，刮下的鋼屑均充填在夾片中。

圖11 鋼絞線直徑與限位尺寸配套關(guān)系圖

6 結(jié) 語

經(jīng)分析、試算與現(xiàn)場實地考察發(fā)現(xiàn)，本工程2臺次錨索測力計與千斤頂測值差距較大的主要原因在于限位板限位槽較淺，錨索張拉時夾片被限位板頂入工作錨，造成張拉力與錨索測力計測值差。千斤頂讀數(shù)誤差、錨索測力計誤差、安裝偏心等因素也造成一定影響。

針對于大噸位錨索測力計的安裝，特提出以下建議：

(1) 應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場測量的錨索錨束實際直徑，選擇購買同一廠家生產(chǎn)的錨具與配套的限位板。如果無法買到合適尺寸的限位板，可通過在限位板內(nèi)增加墊圈的方法來調(diào)整限位深度。

(2) 安裝前應(yīng)對測力計與千斤頂進(jìn)行聯(lián)合標(biāo)定，得出千斤頂與測力計聯(lián)合標(biāo)定關(guān)系曲線。

(3) 錨墊板應(yīng)平整光滑，并與測力計上下面緊密接觸，測力計或傳力板應(yīng)與孔軸線垂直，其傾斜度應(yīng)小于0.5°,偏心不大于5 mm。

(4) 從安裝至張拉全過程應(yīng)將錨索測力計吊起或支撐起來，并在錨墊板上繪制對中圓圈，將錨墊板打磨平整，保證錨索鉆孔、錨索測力計、工作錨與千斤頂全部同軸。

參考文獻(xiàn):

[1] 易著煒,賈志欣.壓縮分散型錨索在軟弱巖土中的應(yīng)用與試驗研究[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報,2010,8(2)：121-127.

[2] 李宗強(qiáng),范振濤,徐明方.KM系列錨具限位板凹槽深度的現(xiàn)場測試研究[J].青島理工大學(xué)學(xué)報,2012,33(6):90-93.

[3] 汪運星.預(yù)應(yīng)力錨索測力計安裝情況分析[J].大壩與安全,2004,(4):74-76.

[4] 區(qū)美華,魏振宇,黃冰.錨索張拉千斤頂標(biāo)定值與測力計讀數(shù)誤差分析[J].廣西水利水電,2006,(2)：46-48.

[5] 施正友,他維強(qiáng),常新.建積石峽水電站溢洪道堰閘段工程中錨索測力計的應(yīng)用[J].西北水電,2011,(S1): 105-107.

[6] 倪志鵬.拉西瓦水電站泄洪臨時底孔部位試驗性錨索測力計設(shè)計及安裝質(zhì)量控制[J].西北水電,2009,(3): 65-6.