后張法預(yù)應(yīng)力鋼絞線伸長量計(jì)算與現(xiàn)場量測控制

趙杰

摘要： 預(yù)應(yīng)力鋼絞線伸長量偏差是衡量預(yù)應(yīng)力張拉控制是否符合設(shè)計(jì)要求的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，其張拉伸長量（包括理論伸長量和實(shí)際伸長量）的準(zhǔn)確計(jì)算和量測，是控制伸長量偏差的主要依據(jù)。本文將結(jié)合工程案例，對預(yù)應(yīng)力筋理論伸長量分段計(jì)算方法進(jìn)行探討，并總結(jié)理論伸長量的幾項(xiàng)影響因素，通過準(zhǔn)確的計(jì)算為張拉控制提供有效的參考依據(jù)。

Abstract： The elongation deviation of prestressed steel strand is a key index to measure whether the prestress tension control meets the design requirements. The accurate calculation and measurement of stretching elongation （including theoretical elongation and actual elongation） is the main basis for controlling the elongation deviation. In this paper， combined with engineering cases， the theoretical calculation method of prestressed tendon elongation is discussed. And the theoretical extension of several factors is summarized to provide effective reference to tension control by the accurate calculation.

關(guān)鍵詞： 預(yù)應(yīng)力；理論伸長量；張拉力；量測

Key words： prestress；theoretical elongation；tension；measuration

中圖分類號(hào)：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）05-0106-04

0 引言

在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力施加過小或過大都會(huì)對混凝土結(jié)構(gòu)造成損壞。預(yù)應(yīng)力筋長期受荷載作用的影響，始終處在過高應(yīng)力狀態(tài)中，與造成結(jié)構(gòu)裂隙的荷載極為相似，都是沒有明顯征兆的破壞現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全使用構(gòu)成了極大的威脅。從另一方面來講，由于預(yù)應(yīng)力荷載過大，混凝土結(jié)構(gòu)的反拱度隨之增大，繼而導(dǎo)致預(yù)拉區(qū)的混凝土開裂的可能性也隨之增大，最終也將發(fā)展成為危害結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素。而如果預(yù)應(yīng)力荷載過小，混凝土結(jié)構(gòu)往往會(huì)承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，開裂等結(jié)構(gòu)缺陷，同樣也會(huì)直接破壞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。由此可見，預(yù)應(yīng)力荷載越接近設(shè)計(jì)值，對混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性越有利。對混凝土構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，須根據(jù)鋼絞線伸長量偏差來調(diào)整張拉力的大小，以免造成結(jié)構(gòu)破壞。這就需要準(zhǔn)確計(jì)算預(yù)應(yīng)力鋼絞線的理論伸長量，并嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確測量其實(shí)際伸長量。

本文在工程實(shí)踐中，以30m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁為例，提出一套準(zhǔn)確測量預(yù)應(yīng)力鋼絞線實(shí)際伸長量以及準(zhǔn)確計(jì)算其理論伸長量的工法，以準(zhǔn)確地校核施加的預(yù)應(yīng)力是否滿足設(shè)計(jì)要求，減少施加的預(yù)應(yīng)力與設(shè)計(jì)要求的預(yù)應(yīng)力差異。

1 工程實(shí)例

霍阿公路HATJ-4標(biāo)霍林郭勒特大橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，單根鋼絞線直徑Фs15.2mm，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1860MPa，鋼絞線面積A=140mm2，彈性模量Ep=1.95×105 MPa。設(shè)計(jì)鋼絞線每端工作長度為65cm，錨下控制應(yīng)力為бcon=0.75fpk=1395MPa。30m預(yù)制箱梁中鋼束均采用兩端張拉，且應(yīng)在橫橋向?qū)ΨQ均勻張拉，張拉順序?yàn)镹1、N3、N2、N4。預(yù)制箱梁錨具采用M15型及其配套設(shè)備，管道成孔采用波紋管，其技術(shù)參數(shù)見表1。

2 劃分計(jì)算段落

先按圖1～圖3對整束鋼絞線進(jìn)行分段再計(jì)算其伸長值。

2.1 工作長度

工具錨到工作錨之間的長度，圖1中工作段長度是650mm。

2.2 波紋管內(nèi)長度

第一步：將圖1分解為圖2；第二步：將圖2分解為圖3，平曲線與豎曲線重合部分以角度較大者為分段點(diǎn)。

以邊跨非連續(xù)端鋼束N1為例計(jì)算。

N1的BF段設(shè)計(jì)總長度為15.458-0.65=14.808m，E點(diǎn)為鋼絞線起彎點(diǎn)。

EF（直線段）=2.663m，

DE（曲線段）=α×π×R/180=5×π×45/180=3.927m，

BD=14.808-2.663-3.927=8.218m。

因N1的BC段為曲線筋平彎和豎彎重合部分，BC（曲線段）長度=1.506m（查閱設(shè)計(jì)圖紙圖4所得）。

CD段為連接BC段和DE段的直線段，CD（直線段）8.218-1.506=6.712m。

3 計(jì)算過程

《公路橋梁施工技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于箱梁正彎矩預(yù)應(yīng)力計(jì)算公式如下：

預(yù)應(yīng)筋伸長值ΔL通過計(jì)算公式（1）獲得：

ΔL=■（1）

在式（1）中，“ΔL”表示“各分段預(yù)應(yīng)力筋的理論伸長值（mm）”，“Pp”表示“各分段預(yù)應(yīng)力筋的平均張拉力（N）”，其計(jì)算公式為下式（2），“L”表示“預(yù)應(yīng)力筋的分段長度（mm）”，“Ep”表示“預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量（Mpa）”，“Ap”表示“預(yù)應(yīng)力筋的截面面積（mm2）”。

Pp：■（2）

在Pp的計(jì)算公式（2）中，“P”表示“預(yù)應(yīng)力筋張拉端的張拉力”，將鋼絞線分段計(jì)算后，為每分段的起點(diǎn)張拉力，即為前段的終點(diǎn)張拉力（N）；“μ”表示“預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁之間的磨擦系數(shù)”，只在管道彎曲部分考慮該系數(shù)的影響”，“θ”表示“從張拉端至計(jì)算截面曲線孔道部分切線的夾角之和”，分段后為每分段中每段曲線段的切線夾角（rad）；“x”表示“從張拉端至計(jì)算截面的孔道長度”，分段后為每個(gè)分段長度或?yàn)楣剑?）中L值； “k”表示“孔道每束局部偏差對摩擦的影響系數(shù)（1/m）”，管道內(nèi)全長均應(yīng)考慮該影響。

公式（1）可以得出，鋼絞線的彈性模量Ep是決定計(jì)算值的重要因素，它的取值是否正確，對計(jì)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(jìn)行測試檢測。

公式（2）中的μ和k是后張法鋼絞線伸長量計(jì)算中的兩個(gè)重要的參數(shù)，其大小有多個(gè)影響因素，比如預(yù)應(yīng)力筋類型、表面特征，管道的成型方式、管材質(zhì)量，彎道的角度、位置，波紋管安裝方式等等，在實(shí)際操作中各項(xiàng)因素變動(dòng)幅度較大，甚至有些因素具有不確定性，無法對其變化進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，因此對摩擦系數(shù)的控制主要取決于施工中對各節(jié)點(diǎn)參數(shù)的控制精度。

3.1 工作長度伸長量計(jì)算

張拉時(shí)預(yù)應(yīng)力筋的工作長度（mm），應(yīng)為下料長度減去圖紙給定的千斤頂工作長度加上實(shí)際的千斤頂工作長度；圖紙給定的為0.65m，實(shí)際為0.435m（千斤頂長度0.34m，工具錨厚度0.055m，限位板厚度0.04m）。計(jì)算時(shí)不考慮θ、μ，采用《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011）中關(guān)于預(yù)應(yīng)筋伸長值ΔL的計(jì)算按照公式（1）計(jì)算：

根據(jù)錨下（張拉）控制力為Δk=0.75 fpk =1395MPa，計(jì)算千斤頂張拉力P=1395×140=195300N（每根）；

根據(jù)公式（1）計(jì)算工作長度（AB）段的伸長量：

ΔL工作長度=■

ΔL工作長度=6.22mm

3.2 波紋管內(nèi)鋼絞線長度伸長量計(jì)算

①計(jì)算波紋管內(nèi)長度分段伸長量前需準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)。

張拉控制力=195300N，預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面面積是140mm2，預(yù)應(yīng)力鋼絞線彈性模量是195000MPa，由設(shè)計(jì)圖紙可知：K=0.0015，μ=0.25，X取分段長度m。

②N1鋼束理論伸長量計(jì)算見表2。

3.3 預(yù)應(yīng)力筋理論伸長量

△L=（△LBC+△LCD+△LDE+△LEF）×2+△LAB

從上述案例可以看出，理論伸長量的計(jì)算方法是目前來看比較精確的計(jì)算方法。實(shí)測伸長量的在允許誤差±6%左右浮動(dòng)時(shí)，應(yīng)該采用該方法精確計(jì)算理論伸長量計(jì)算值，如果張拉參數(shù)控制不當(dāng)，將為工程埋下質(zhì)量隱患，甚至造成工程返工，浪費(fèi)成本和資源。

4 張拉時(shí)鋼絞線實(shí)際伸長量的測量方法

當(dāng)前工程領(lǐng)域有幾種有效的鋼絞線實(shí)際伸長值的測量方法，其中直接測量張拉端千斤頂活塞伸出量的方法多見于實(shí)際操作中。但是這種方法在具體操作中容易出現(xiàn)測量誤差，因?yàn)閺埨?0%σk時(shí)，鋼絞線受力，用鋼管敲緊的工具錨端夾片滑向內(nèi)側(cè)；在張拉到20%σk時(shí)，借助夾片對千斤頂?shù)纳扉L量測量10%～20%σk的伸長量，所得結(jié)果往往比實(shí)際伸長值多出1～2mm。如果以測得的結(jié)果作為0%～10%σk的伸長量，則0%～20%σk張拉控制段內(nèi)鋼絞線伸長量的總誤差將是2～3mm。在20%σk張～100%σk的張拉段內(nèi)，夾片不斷滑向內(nèi)側(cè)，若此時(shí)計(jì)算最小值滑動(dòng)量下單端鋼絞線伸長量，雖然張拉力符合要求，但是其測量誤差將達(dá)到3～4mm，若兩端同時(shí)張拉，誤差值將達(dá)到6～8mm。因此，通過測量千斤活塞的方法進(jìn)行張拉鋼絞線伸長量的測量和計(jì)算，所得到的結(jié)果通常比鋼絞線實(shí)際伸長量偏大。

測量鋼束實(shí)際伸長量時(shí)，可以不使用量測千斤頂活塞伸出量的方法，采用量測鋼絞線絕對伸長值的方法，前者測得的伸長量必須兼顧工具錨處鋼束回縮及夾片滑移等影響因素，而直接通過測量千頂活塞的伸出量，則會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，如果較長的鋼絞線必須進(jìn)行分級(jí)張拉時(shí)，更為繁瑣。推薦采用圖5所示的測量方法。測量時(shí)，先在鋼絞線上固定一個(gè)標(biāo)尺，用標(biāo)尺量測分級(jí)鋼絞線的長度，各段量程累計(jì)的伸長值即為初應(yīng)力與終應(yīng)力之間的實(shí)測伸長值。

5 夾片回縮量補(bǔ)充張拉

張拉并持荷完畢后放松千斤頂使其回彈。在回彈過程中，夾片式錨具將會(huì)變形，造成錨下控制應(yīng)力損失，基于《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于錨具回縮量的控制標(biāo)準(zhǔn)是不超出6mm，實(shí)際執(zhí)行時(shí)往往因?yàn)殄^具生產(chǎn)廠家的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，錨具回縮量通常都在3～6mm之間，因此張拉并持荷完畢后，千斤頂回彈時(shí)需要再將各段鋼絞線拉長3～6mm，以彌補(bǔ)夾片回縮量造成的應(yīng)力損失。

6 結(jié)束語

本文僅針對理論伸長量的精確計(jì)算方法進(jìn)行了一定程度的分析討論，具體操作時(shí)建議將通過本方法得出的計(jì)算值作為與實(shí)測伸長量的對比依據(jù)，以此來衡量張拉是否到位，是否存在異常情況，并深入分析異常工況的成因。分析異常原因時(shí)注意避免一些不確定性的影響因素。

①原材料的波動(dòng)會(huì)造成預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量隨波動(dòng)。

②施工隊(duì)伍人員的操作質(zhì)量波動(dòng)會(huì)造成孔道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù)波動(dòng)。

③波紋管質(zhì)量、存放時(shí)間和銹蝕程度不同的變化會(huì)造成孔道壁與預(yù)應(yīng)力筋的摩擦系數(shù)變化。

④張拉應(yīng)力的變大會(huì)造成預(yù)應(yīng)力筋的截面積逐步變小，但理論伸長量中的AP采取一恒定值與實(shí)際不符，該要素會(huì)導(dǎo)致理論伸長值減小，無法為衡量張拉操作的準(zhǔn)確性提供客觀依據(jù)。

⑤可以采用量測鋼絞線絕對伸長值的方法，對鋼束實(shí)際伸長值進(jìn)行測量，避免工具錨處鋼束回縮及夾片滑移等影響。

參考文獻(xiàn)：

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