后張法單、雙端張拉預(yù)應(yīng)力的比較與探討

高 青 松, 李 有 發(fā), 楊 瑞 英

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司 ，四川 成都 610072)

1 概 述

眾所周知：造成鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失的主要原因有以下幾方面：(1)預(yù)應(yīng)力回縮引起的預(yù)應(yīng)力損失；(2)預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失；(3)鋼筋應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失；(4)混凝土的收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失；(5)張拉工藝引起的預(yù)應(yīng)力損失等。采用單、雙端張拉的方式在上述原因中只有第二項(xiàng)區(qū)別較大。筆者以渝廣高速繞城互通A匝道橋加寬橋?yàn)槔芯苛嗽擁?xiàng)原因所引起的預(yù)應(yīng)力損失，分析了單、雙端張拉對(duì)預(yù)應(yīng)力的影響[1]。

渝廣高速繞城互通A匝道橋加寬橋?yàn)橐黄诠こ藺匝道橋外側(cè)加寬橋(一期工程A匝道橋按等寬橋設(shè)計(jì))，采用(3×25)m+(4×25)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋?qū)拸? m變化至10.12 m。梁體采用單箱單室截面。A匝道加寬橋起于既有繞城互通，跨越已規(guī)劃的四縱線后接入B匝道橋。由于A匝道加寬橋6號(hào)墩、7號(hào)墩與繞城互通既有A匝道墩柱分別形成37.2°、8.5°的交角，A匝道7號(hào)墩蓋梁的一端靠近既有匝道蓋梁的距離不足1 m，現(xiàn)場(chǎng)不具備雙端張拉的操作條件(圖1)。

圖1 繞出互通A匝道加寬橋平面布置圖

該橋6、7號(hào)墩的蓋梁預(yù)應(yīng)力筋采用高強(qiáng)度、低松弛φs15.2鋼絞線，fpk=1 860 MPa，采用M15-9錨具，N1、N2各4束，長(zhǎng)度分別為1 278.5 cm(N1)和1 269.5 cm(N2)。

2 鋼絞線有效長(zhǎng)度的計(jì)算

設(shè)計(jì)鋼絞線大樣圖見(jiàn)圖2，筆者以N2為研究對(duì)象，鋼絞線的分段原則是將整根鋼絞線根據(jù)設(shè)計(jì)線形分成曲線連續(xù)段及直線連續(xù)段，而不能將直線段與曲線段分在同一段內(nèi)。按照鋼絞線分段原則，將N2鋼絞線分為5段，其中直線段為AB、CD、EF，曲線段為BC、DE。各段長(zhǎng)度分別為：AB=307.14 cm, BC=145.27 cm, CD=364.6 cm, DE=145.27 cm, EF=307.14 cm。張拉時(shí)使用的千斤頂包含的鋼絞線亦有一定的長(zhǎng)度。為了計(jì)算的相對(duì)準(zhǔn)確，將工作錨具和工具錨具中間的鋼絞線長(zhǎng)度納入了計(jì)算長(zhǎng)度，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為58 cm。

圖2 N1、N2鋼束大樣圖

3 預(yù)應(yīng)力損失及理論伸長(zhǎng)量計(jì)算

3.1 單端張拉

3.1.1 孔道摩阻力引起的損失

孔道摩阻力引起的損失產(chǎn)生的主要原因：(1)孔道偏差影響。(2)彎道影響。

兩項(xiàng)因素導(dǎo)致鋼絞線在張拉時(shí)錨下的應(yīng)力沿著管壁向跨中逐漸減小，因而每一段鋼絞線的伸長(zhǎng)值亦不相同。

3.1.2 計(jì)算公式

《公路橋梁施工技術(shù)規(guī)范》JTJ 041-2000中關(guān)于預(yù)應(yīng)筋伸長(zhǎng)值ΔL的計(jì)算按照以下公式進(jìn)行。

ΔL=Pp×L/Ap×Ep

(1)

式中 ΔL為各分段預(yù)應(yīng)力筋的理論伸長(zhǎng)值，mm;Pp為各分段預(yù)應(yīng)力筋的平均張拉力，N；L為預(yù)應(yīng)力筋的分段長(zhǎng)度，mm；Ap為預(yù)應(yīng)力筋的截面積，mm2；Ep為預(yù)應(yīng)力的彈性模量，MPa;

《公路橋梁施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041-2000)附錄G-8中規(guī)定了Pp的計(jì)算公式：

Pp=P×(1-e-(kx+μθ))/(kx+μθ)

(2)

式中P為預(yù)應(yīng)力筋張拉端的張拉力，將鋼絞線分段計(jì)算后，每分段的起點(diǎn)張拉力即為前段的終點(diǎn)張拉力，N；θ為從張拉端至計(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為從經(jīng)拉端至計(jì)算截面的孔道長(zhǎng)度，分段后為每個(gè)分段長(zhǎng)度或?yàn)楣?1)中的L值；k為孔道每束局部編差對(duì)摩擦的影響系數(shù)(1/m)，管道內(nèi)的全長(zhǎng)均應(yīng)考慮該影響；μ為預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁之間的摩擦系數(shù)，只在管道彎曲部分考慮該系數(shù)的影響。

每一段的終點(diǎn)力即為下一段的起點(diǎn)力，每段的終點(diǎn)力與起點(diǎn)力的關(guān)系見(jiàn)下式：

Pz=Pq×e-(KX+uθ)[2]

(3)

已知蓋梁預(yù)應(yīng)力筋采用高強(qiáng)度、低松弛Φs15.2鋼絞線，fpk=1 860 MPa，錨下控制應(yīng)力△k=0.75fpk=1 395 MPa，Ep=1.95×105MPa，μ取0.25，k取0.001 5，采用分段理論計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失及理論伸長(zhǎng)值，其分段計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 單端張拉預(yù)應(yīng)力損失及理論伸長(zhǎng)值計(jì)算表

當(dāng)控制應(yīng)力從張拉端AB端傳至錨固端EF時(shí)，單束預(yù)應(yīng)力只剩下190 342 N，此時(shí)單束鋼絞線應(yīng)力損失為35 MPa，預(yù)應(yīng)力損失為9×35=315(MPa)。理論伸長(zhǎng)值為97.77 mm。

3.2 雙端張拉

當(dāng)采用雙端張拉時(shí)，采用分段理論計(jì)算的預(yù)應(yīng)力損失及理論伸長(zhǎng)值結(jié)果見(jiàn)表2。

當(dāng)采取雙端張拉時(shí)，單束預(yù)應(yīng)力單端只剩下193 069 N，此時(shí)單束鋼絞線應(yīng)力損失為31 MPa，預(yù)應(yīng)力損失共計(jì)為9×31=279(MPa)。理論伸長(zhǎng)值為98.6 mm。

表2 雙端張拉預(yù)應(yīng)力損失及理論伸長(zhǎng)值計(jì)算表

對(duì)表1、2進(jìn)行分析得出：?jiǎn)味藦埨瓎问A(yù)應(yīng)力較雙端張拉多損失4 MPa，損失量基本相同，雙端張拉比單端張拉理論伸長(zhǎng)值略大。為減少預(yù)應(yīng)力損失與錨圈口摩阻損失，單端張拉采取超張拉5%，雙端張拉采取超張拉3%[3]的方式提高了1 395×(0.03～0.05)=(41.85～69.75)MPa，用以彌補(bǔ)預(yù)應(yīng)力損失。因此，對(duì)于該工程，單端張拉更為簡(jiǎn)潔、快速，能在保證質(zhì)量的前提下提高效率和安全系數(shù)。

4 預(yù)應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)及分析

4.1 張拉試驗(yàn)的組織與策劃

繞城互通A匝道加寬橋根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選取了A匝道加寬橋6號(hào)墩蓋梁采用雙端張拉、7號(hào)墩蓋梁采用單端張拉的形式，以N2鋼絞線作為研究對(duì)象，主要從錨下控制力、張拉伸長(zhǎng)值方面進(jìn)行對(duì)比分析。為保證試驗(yàn)的同步性、連續(xù)性和精確性，在試驗(yàn)開(kāi)始前，選取了同一套校核過(guò)的液壓千斤頂進(jìn)行張拉試驗(yàn)?？紤]到錨下預(yù)應(yīng)力損失均超過(guò)張拉值3%，故要求在張拉過(guò)程中必須嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行操作并安排人員旁站記錄。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

繞城互通A匝道6、7號(hào)墩蓋梁分別采用雙端張拉、單端張拉獲得的伸長(zhǎng)值見(jiàn)表3、4。

從表3、4中可以分析出：①單端張拉的實(shí)際伸長(zhǎng)值都要小于理論伸長(zhǎng)值，絕大部分的伸長(zhǎng)值都在95～97 mm區(qū)間段內(nèi)，并且所有的實(shí)際伸長(zhǎng)量與理論伸長(zhǎng)量之間的偏差值均大于-6%,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的[-6%～6%]區(qū)間段，故其符合設(shè)計(jì)要求。②雙端張拉實(shí)際測(cè)量的伸長(zhǎng)量都要大于理論伸長(zhǎng)量，實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)量都在99～102 mm這個(gè)區(qū)間段內(nèi)，并且所有的實(shí)際伸長(zhǎng)量與理論伸長(zhǎng)量之間的偏差值都小于6%,故其符合設(shè)計(jì)要求。

表3 單端張拉伸長(zhǎng)值記錄表

表4 雙端張拉伸長(zhǎng)值記錄表

在實(shí)際張拉控制過(guò)程中，在張拉并持荷完畢、千斤頂放松過(guò)程中，對(duì)于夾片式錨具而言，有一個(gè)夾片回縮自錨及錨具變形存在，單端張拉夾片式錨具回縮量為9～11 mm，雙端張拉夾片式錨具回縮量為8～11 mm。

對(duì)于錨下控制應(yīng)力，項(xiàng)目部委托重慶市交科院錨下應(yīng)力檢測(cè)單位對(duì)繞城互通A匝道加寬橋6、7號(hào)墩蓋梁錨下應(yīng)力進(jìn)行了錨下預(yù)應(yīng)力檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5、6。

表5 單端錨下預(yù)應(yīng)力檢測(cè)記錄表

表6 雙端張拉錨下預(yù)應(yīng)力檢測(cè)記錄表

從表4、5中可以看出：不論是單端張拉，還是雙端張拉錨下預(yù)應(yīng)力的實(shí)際預(yù)應(yīng)力檢測(cè)與設(shè)計(jì)錨下控制預(yù)應(yīng)力(1 757.7 kN)都是合格的，但單端張拉錨下應(yīng)力損失較雙端損失大一些。為減少預(yù)應(yīng)力損失與錨圈口摩阻損失，對(duì)單端張拉采取超張拉5%，雙端張拉超張拉3%的方式用以提高1 953×(0.03～0.05)=(58.59～97.65)kN彌補(bǔ)預(yù)應(yīng)力損失。

在實(shí)際張拉控制過(guò)程中，在張拉并持荷完畢、千斤頂放松過(guò)程中，對(duì)于夾片式錨具有一個(gè)夾片回縮自錨及錨具變形存在，使錨下控制應(yīng)力有所損失，根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTJ 041-2000表12.8.3規(guī)定，夾片式錨具容許回縮量不大于6 mm，筆者建議：在最后一步持荷并測(cè)量完伸長(zhǎng)量在控制范圍內(nèi)后，應(yīng)再將每端鋼絞線拉長(zhǎng)3～6 mm(補(bǔ)足夾片回縮量)，可使最終的錨固應(yīng)力成為設(shè)計(jì)的錨下控制應(yīng)力[4]。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)單端張拉與雙端張拉預(yù)應(yīng)力損失、理論伸長(zhǎng)值的計(jì)算得知：?jiǎn)味藦埨A(yù)應(yīng)力損失比雙端張拉預(yù)應(yīng)力損失略大一些；對(duì)于理論伸長(zhǎng)值，雙端張拉比單端張拉略大一些；通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知雙端張拉伸長(zhǎng)值略大于單端張拉，但無(wú)論是單端張拉，還是雙端張拉均符合設(shè)計(jì)以及工程實(shí)際要求。兩者對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的作用效果幾乎一樣。雙端張拉的效果略好于單端張拉。

(2)在特殊條件或雙端張拉不具備條件的情況下，選取單端張拉施工工藝亦滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(3)在張拉并持荷完畢、千斤頂放松過(guò)程中，對(duì)于夾片式錨具而言有一個(gè)夾片回縮自錨及錨具變形存在，使錨下控制應(yīng)力有所損失。若將單端張拉、雙端張拉超張拉3%～5%，可以使截面應(yīng)力提高，進(jìn)而降低預(yù)應(yīng)力損失[5]。

(4)為確保錨固應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，最后一步是通過(guò)持荷并測(cè)量完伸長(zhǎng)量在控制范圍內(nèi)后應(yīng)再將每端鋼絞線拉長(zhǎng)3～6 mm(補(bǔ)足夾片回縮量)。