先張法預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土方樁張拉工藝改進(jìn)

辛軍，張乃超，滿偉

（1.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456；2.天津市交通運(yùn)輸工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，天津 300384）

1 研究背景

目前高樁碼頭樁基多采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土方樁為基礎(chǔ)，其成本相對較低，且施工效率高，施工速度快。預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土方樁斷面通常為600 mm×600 mm、650 mm×650 mm、700 mm×700 mm，方樁預(yù)應(yīng)力鋼筋為16根，鋼筋直徑在20～28 mm之間，斷面、主筋直徑及主筋保護(hù)層因設(shè)計(jì)不同而不同。預(yù)制過程中，采用先張法張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，張拉應(yīng)力及張拉伸長量雙控[1]，張拉應(yīng)力控制為主，張拉伸長量輔助校核。

本文以黃驊散貨碼頭所用700 mm預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土方樁為例，主筋為16根HRB400 28 mm螺紋鋼，主筋保護(hù)層為70 mm，主筋在四周均布。張拉示意見圖1。

圖1 鋼筋骨架張拉示意圖Fig.1 Diagram of reinforcement framework tension

2 研究目的和意義

方樁主筋采用預(yù)應(yīng)力形式，結(jié)構(gòu)受力性能好[2]，但在鋼筋預(yù)應(yīng)力施加過程中，受鋼筋自重、鋼筋骨架綁扎鉛絲扣約束、張拉施工工藝等的影響，張拉力或多或少會受到折損，且方樁預(yù)應(yīng)力筋較多，張拉過程中，鋼筋之間也會相互影響，形成一個(gè)較為復(fù)雜的應(yīng)力影響系統(tǒng)。

本文通過預(yù)應(yīng)力鋼筋連接傳感器，檢測在不同工況下，預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力值的大小，分析先張法鋼筋張拉過程中應(yīng)力值的影響因素及影響大小，從主要影響因素入手，改進(jìn)張拉工藝，提高先張法鋼筋張拉質(zhì)量水平。

3 工藝原理

3.1 先張法張拉流程

先張法預(yù)制混凝土方樁鋼筋張拉工藝[3]見圖2。

圖2 先張法鋼筋張拉流程Fig.2 Tensioning process of pre-tensioned steel bar

3.2 張拉過程

張拉前，根據(jù)千斤頂及壓力表率定報(bào)告及設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力張拉參數(shù)，計(jì)算設(shè)計(jì)壓力表讀數(shù)值及設(shè)計(jì)伸長量，根據(jù)計(jì)算數(shù)值控制張拉過程。

張拉臺座兩端分別作為張拉端及放松端，張拉端布置千斤頂進(jìn)行多預(yù)應(yīng)力鋼筋整體張拉[4]，放松端作為初應(yīng)力端，布置砂箱，進(jìn)行單根預(yù)應(yīng)力鋼筋初應(yīng)力施加操作及預(yù)制混凝土方樁預(yù)應(yīng)力放松出槽使用。

放松端砂箱內(nèi)填充干燥的中粗砂，砂箱端部擋板保證垂直，砂子填充密實(shí)飽滿，防止因?yàn)槭芰Σ痪鶎?dǎo)致鋼筋偏斜，甚至發(fā)生傾覆事故。采用中空小型千斤頂從砂箱端牽引鋼筋，施加初應(yīng)力，16根預(yù)應(yīng)力鋼筋逐根上下、左右對稱反復(fù)施加，單根單次伸長量控制在10 cm以內(nèi)，防止箍筋偏斜，初應(yīng)力張拉到10%δcon（δcon為設(shè)計(jì)控制應(yīng)力值，一般取450 MPa）。

預(yù)制方樁臺座張拉端配備2臺320 t以上油壓千斤頂，每臺千斤頂配置1個(gè)壓力表，壓力表與千斤頂經(jīng)率定后配套使用，2臺千斤頂布置于臺座張拉端張拉小車之上，通過油泵控制千斤頂進(jìn)出油量[5]，保證2個(gè)千斤頂行程同步牽引張拉梁，將16根預(yù)應(yīng)力鋼筋整體同步從10%δcon張拉到103%δcon，壓力表達(dá)到計(jì)算值時(shí)，將卡具及螺母緊固，完成張拉作業(yè)。

3.3 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

本次試驗(yàn)將預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土方樁預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉分為不同的工況，在不同工況下，分別進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉，過程中使用應(yīng)力傳感器檢測實(shí)際的張拉應(yīng)力值[6]，對比不同工況下應(yīng)力值的變化情況，分析張拉應(yīng)力值的影響因素及影響大小。

試驗(yàn)用儀器設(shè)備：24 t中空千斤頂及配套壓力表，6個(gè)50 t應(yīng)力傳感器及傳感器連接件見圖3，應(yīng)力數(shù)顯表（精度0.1 kN，相當(dāng)于0.01 t），2個(gè)320 t油壓千斤頂及配套抗震壓力表。

圖3 應(yīng)力傳感器及傳感器連接件Fig.3 Stress sensor and sensor connector

試驗(yàn)參數(shù)：臺座長度125 m，試驗(yàn)用鋼筋骨架長度：59 m+62 m（黃驊散貨700 mm方樁），16根HRB400E直徑28 mm主筋，箍筋間距400 mm，設(shè)計(jì)應(yīng)力值450 MPa，單根預(yù)應(yīng)力鋼筋設(shè)計(jì)張拉力276 kN（相當(dāng)于27.6 t）。

檢測點(diǎn)位：檢測2根主筋，主筋編號見圖4；每根主筋檢測3個(gè)點(diǎn)（張拉端、兩鋼筋骨架中間、放松端）。

圖4 主筋編號示意Fig.4 Number indication of main reinforcement

工況1：單獨(dú)張拉主筋，不穿入箍筋，主筋用鋼筋托架架立，托架沿臺座長度方向布置，間距5 m，主筋與底胎之間支墊鋼管。

試驗(yàn)?zāi)康模涸谙摻罟羌茏灾丶皼]有綁扣約束的情況下，檢測不同位置預(yù)應(yīng)力鋼筋實(shí)際張拉應(yīng)力值大小。

工況2：主筋用鋼筋托架架立，穿入箍筋，箍筋按照設(shè)計(jì)位置布置，不綁扎，托架沿臺座長度方向布置，間距5 m，主筋與底胎之間支墊鋼管。

試驗(yàn)?zāi)康模河泄拷钪亓Γ瑳]有綁扣約束的情況下，檢測不同位置預(yù)應(yīng)力鋼筋實(shí)際張拉應(yīng)力值大小。

工況3：鋼筋骨架綁軋后用鋼筋托架架立，鋼筋骨架與底胎之間支墊鋼管，骨架綁扎時(shí)，箍筋開口位置采用交叉雙扣綁扎，之后按照張拉程序張拉，并分別檢測應(yīng)力值。

試驗(yàn)?zāi)康模涸谙糠咒摻罟羌茏灾厍闆r下，檢測綁扣對張拉應(yīng)力的約束大小。

工況4：鋼筋骨架綁軋后不放置鋼筋托架，鋼筋骨架與底胎之間支墊鋼管，骨架綁扎時(shí)，箍筋開口位置采用交叉雙扣綁扎，之后按照張拉程序張拉，并分別檢測應(yīng)力值。

試驗(yàn)?zāi)康模轰摻罟羌茏灾丶敖壙垭p重影響因素對張拉應(yīng)力的影響程度。

工況5：鋼筋骨架綁軋后用鋼筋托架架立，鋼筋骨架與底胎之間支墊鋼管，骨架綁扎時(shí)，箍筋開口位置采用單扣綁扎，之后按照張拉程序張拉，并分別檢測應(yīng)力值。

試驗(yàn)?zāi)康模簩Ρ裙r3，減少約束后，是否可提高鋼筋應(yīng)力值。

工況6：鋼筋骨架綁軋后用鋼筋托架架立，鋼筋骨架與底胎之間支墊鋼管，骨架綁扎時(shí)，箍筋開口位置采用單扣綁扎，且隔一跳一，只綁扎50%，之后按照張拉程序張拉，并分別檢測應(yīng)力值。

試驗(yàn)?zāi)康模簩Ρ裙r3、工況5，減少約束的情況下，鋼筋應(yīng)力值的變化情況。

各工況檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同工況預(yù)應(yīng)力鋼筋實(shí)際張拉應(yīng)力值Table 1 Actual tensile stress value of prestressed steel bar under different conditions

結(jié)合各工況實(shí)際情況及過程中的檢測數(shù)據(jù)，分析對比得出以下結(jié)論：

1） 對比工況3、5、6、1，鋼筋骨架預(yù)應(yīng)力鋼筋與箍筋綁扎扣數(shù)量遞減的情況下，預(yù)應(yīng)力鋼筋實(shí)際張拉應(yīng)力值呈遞增趨勢，同一工況下，1號鋼筋較2號鋼筋綁扎扣多，每種工況下1號鋼筋的應(yīng)力值較2號鋼筋的應(yīng)力值均有所偏低。分析證明鋼筋骨架的綁扣對預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力值影響明顯；

2） 對比工況3、4，鋼筋骨架在消除部分自重影響及不消除自重的情況下，鋼筋應(yīng)力值有一定偏差，證明鋼筋骨架的自重也會影響最終的預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力值大??；

3）對比所有工況，同一鋼筋骨架，逐根使用中空千斤頂施加10%δcon及30%δcon時(shí)，不同鋼筋之間的應(yīng)力值有明顯偏差，導(dǎo)致張拉端整體張拉之后，不同鋼筋之間的應(yīng)力值有相同的偏差趨勢，數(shù)據(jù)證明，采用逐根預(yù)應(yīng)力鋼筋單獨(dú)施加預(yù)應(yīng)力時(shí)鋼筋之間相互影響，會造成不同鋼筋之間應(yīng)力不均勻。

3.4 工藝改進(jìn)

1）DGS-16通道預(yù)應(yīng)力張拉電液伺服[7]控制系統(tǒng)的應(yīng)用

DGS-16通道預(yù)應(yīng)力張拉電液伺服控制系統(tǒng)采用16路全數(shù)字測量控制系統(tǒng)結(jié)合高精度力傳感器，通過16路電液比例伺服閥分別控制相應(yīng)的伺服液壓缸實(shí)現(xiàn)單獨(dú)加、卸及保載等過程，見圖5。

圖5 DGS-16通道預(yù)應(yīng)力張拉電液伺服控制系統(tǒng)Fig.5 DGS-16 channel prestressed tension electrohydraulic servo control system

該系統(tǒng)采用先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有好的人機(jī)界面，使用方便可靠，能夠自動精確地測量、控制每根鋼筋實(shí)現(xiàn)初應(yīng)力的張拉加荷、卸荷、保載等初應(yīng)力張拉全過程，實(shí)現(xiàn)16根預(yù)應(yīng)力鋼筋的均勻鎖緊，各種張拉參數(shù)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行測量、顯示、處理并打印，集成度高。多主筋初應(yīng)力張拉過程中，每根鋼筋同步單獨(dú)張拉，根據(jù)力傳感器的精準(zhǔn)反饋，獨(dú)立補(bǔ)償，解決了單根預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉時(shí)對其余預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的影響，實(shí)現(xiàn)了多主筋初應(yīng)力值一致，保證所有張拉鋼筋從同一應(yīng)力值開始終張拉，最終達(dá)到多主筋張拉后應(yīng)力值均勻一致的目的。

①技術(shù)參數(shù)

a.采用力傳感器實(shí)現(xiàn)對鋼筋張拉力的無慣性測量；

b.張拉力量程：0～300 kN；

c.張拉力測量誤差：≤±1%；

d.張拉控制精度：設(shè)計(jì)載荷值±1%。

②主要功能

a.自動測量、控制、數(shù)據(jù)采集、處理、繪制曲線及打印曲線報(bào)告。打印主要內(nèi)容：張拉條件、原始參數(shù)、張拉結(jié)果；

b.測量系統(tǒng)具有自動調(diào)零、自動標(biāo)定、連續(xù)全程測量不分檔；

c.張拉結(jié)果：使每根鋼筋同時(shí)均勻張拉至450 MPa的10%自動保持張拉力、完成鎖緊螺母的工作，還可實(shí)現(xiàn)任意根數(shù)的張拉；

d.可自行設(shè)置控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)程序自動運(yùn)行。

2）制作滾動式可拆卸鋼筋托架，鋼筋骨架入臺座后，每隔5 m支墊1個(gè)托架，通過托架的支撐，抵消部分鋼架骨架自重，減少張拉過程中鋼筋骨架自重對預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉應(yīng)力值的影響。滾動式可減少支架與鋼筋的摩擦，減小摩阻力。支架見圖6。

圖6 滾動式可拆卸托架Fig.6 Rolling removable bracket

3）減少綁扎扣對預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉的約束

預(yù)制方樁鋼筋骨架需綁扎后，吊入臺座再進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉施工，為了減小綁扎扣對張拉鋼筋的約束，在保證鋼筋骨架能夠起吊的情況下，盡量減少鋼筋骨架綁扎扣數(shù)量，待鋼筋張拉后，再進(jìn)行補(bǔ)綁扎，降低綁扎對張拉鋼筋應(yīng)力值的影響。

工藝改進(jìn)后，采用相同的試驗(yàn)參數(shù)及檢驗(yàn)部位，進(jìn)行鋼筋張拉應(yīng)力檢測試驗(yàn)，檢測實(shí)際鋼筋應(yīng)力值見表2。

表2 工藝改進(jìn)后預(yù)應(yīng)力鋼筋實(shí)際張拉應(yīng)力值表Table 2 Actual tensile stress of prestressed steel bar after technological improvement

試驗(yàn)結(jié)果顯示：先張法張拉工藝改進(jìn)后，不同預(yù)應(yīng)力鋼筋之間及同一根鋼筋的不同部位應(yīng)力值更加接近設(shè)計(jì)值，且張拉應(yīng)力更加均勻。

4 結(jié)語

通過一系列鋼筋張拉應(yīng)力檢測試驗(yàn)，掌握了原有先張法鋼筋張拉施工的影響因素及影響大小，經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析[8]顯示，初應(yīng)力時(shí)，多預(yù)應(yīng)力鋼筋之間相互影響較大，鋼筋骨架自重及鋼筋骨架綁扎扣的約束均會影響預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力值。通過使用DGS-16通道預(yù)應(yīng)力張拉電液伺服控制系統(tǒng)，多預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉應(yīng)力更加均勻，減少綁扣、鋼筋托架的使用，降低了工藝本身在先張法鋼筋張拉過程中的應(yīng)力損失。

后續(xù)采用改進(jìn)后的施工工藝，混凝土方樁斷樁率明顯下降，方樁抗錘擊數(shù)可提高到4 500錘以上，方樁預(yù)應(yīng)力張拉的整體質(zhì)量大幅度提升。