后張法預應力筋張拉伸長量計算原理和影響因素分析

劉士濤

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,天津 300459 ）

某梁場生產(chǎn)后張法預應力混凝土簡支箱梁，箱梁長度分為32m和24m。預應力工序是箱梁預制的一項關鍵工序。32m箱梁梁體設置25束預應力鋼絞線，腹板16束，底板9束，分10根一束和11根一束兩種；24m箱梁梁體設置19束預應力鋼絞線，腹板12束、底板7束，分7根一束和19根一束兩種。對于預應力鋼絞線，一般采用標準型強度級別為1860MPa、公稱直徑為15.2mm高強度低松弛的鋼絞線，其技術性能應符合《預應力砼用鋼絞線》（GB/T5224—2003）的規(guī)定。

1 鋼絞線理論伸長量計算

1.1 理論公式

依據(jù)《橋涵施工技術規(guī)范》（TU041—2000）[1]，鋼絞線理論伸長量計算公式如下:

式中：PP—預應力筋的平均張拉力（N）;L—預應力筋的長度；AP—預應力筋的截面面積（mm2）;EP—預應力筋的彈性模量（N/mm2）;P—預應力筋張拉端的張拉力（N）;x—從張拉端至計算截面的孔道長度（m）;θ—從張拉端至計算截面的孔道部分切線的夾角之和（md）;k—孔道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù)；μ—預應力筋與孔道壁的摩擦系數(shù)。

1.2 計算方法

預應力筋在梁體中的布置一般是既有直線也有曲線，這樣才能使梁體的受力更加合理。由于預應力筋與管道之間存在摩擦力，使得張拉力從張拉端至跨中張拉力逐漸減小，因而不同線型區(qū)間的剩余有效張拉力及平均張拉力會有很大差異，在計算張拉的伸長量時，應采取分段法計算[2]，計算每一段剩余有效張拉力、平均張拉力以及伸長量，最后將每一段的伸長量進行疊加，這樣上式中：

因此在計算預應力伸長量時，除確定預應力筋的工作長度外，還要正確劃出分線型的段落等。

依據(jù)規(guī)范中理論伸長量的公式，現(xiàn)舉例說明計算方法：

對于在梁場生產(chǎn)的32m和24m混凝土簡支箱梁，采用后張法預應力施工，兩端同步張拉[3]，預應力筋是髙強度低松弛1×7-15.2-1860-GB/T5224-2003鋼絞線。以32m梁為例，其采用的鋼絞線分為10-7Φ5、11-7Φ5兩種，預應力管道成孔采用直徑為90mm橡膠抽拔棒。依據(jù)現(xiàn)場管道摩阻試驗測出：k=0.0016,u=0.5669,相關設計院依據(jù)工地實測的孔道摩阻系數(shù)和摩擦系數(shù)，可確定錨下張拉控制應力為Pk=1330MPa。

以預應力鋼束N3為例，由于采用兩端同步張拉，因而只需計算張拉端至跨中截面鋼絞線伸長量[4]，此孔道的鋼絞線為11根，每根鋼絞線的截面面積A=140mm2,鋼絞線的彈性模量E=195GPa，N3預應力鋼束(張拉端至跨中截面)的大樣見圖1（F端是跨中截面，A端是張拉端，標注尺寸以mm計）。

圖1 N3預應力鋼束大樣

AB段平彎與豎彎的大樣圖都是直線，因而AB段在空間上的線型也是直線，這樣AB端的鋼絞線長度可依據(jù)長方體對角線的計算原理進行計算[5]，AB段的鋼絞線長度為：

AB段是直線，因而θ1=0；AB段的錨下張拉力P1=1330×140×11/1000=2048.2kN；AB段的平均張拉力：

B點的張拉力

則AB段的伸長量

由于立面大樣圖是直線，BC段的平彎大樣圖是曲線，因而BC段空間上的線型是一條曲線；同時鋼絞線的彎曲角度很小，彎曲半徑很大，因而曲線段鋼絞線和直線段剛絞線的空間長度計算原理一致，所以BC段的鋼絞線長度就等同于BC段的平面弧長除以BC段的立面彎曲角度[6]。

由于管道存在摩擦阻力，因而BC段的起點張拉力是錨下張拉力克服AB段的管道摩阻后在B點的剩余有效張拉力P2，通過P2計算出BC段的平均拉力Pp2，再通過公式計算出BC段伸長量。通過上述方法再分別計算出CD段、DE段、EF段的伸長量。在計算鋼絞線的理論伸長量時，不僅要精確計算工作鋪至工具錨之間鋼絞線的伸長量，還要精確計算鋼絞線工作段的伸長量，其原因是工地實際測的鋼絞線伸長量包含了工具錨到工作錨之間鋼絞線的伸長量，該段鋼絞線的平均張拉力就是錨外張拉力，此時計算公式采用①式[6]。

最后將每段的伸長量疊加，再將計算結(jié)果乘以2,計算出鋼絞線的理論伸長量。此時N3預應力鋼絞線的伸長量計算見表1。

2 實測伸長量的測量與計算

當預應力鋼筋張拉時，其實際伸長量△L最好在建立初應力后就進行精準測量，然后將測得的伸長量△L1加上初應力以下的推算伸長量△L2[7]。即△L=△L1+△L2。

表1 N3預應力鋼絞線伸長量計算

式中：△L1—從初應力到最大張拉應力間的實測伸長量(m);△L2—初應力以下推算伸長量(m)。

預應力筋張拉時，應先調(diào)整到初應力，依據(jù)《橋涵施工技術規(guī)范》(JTG/T F50—2011)，初應力宜為張拉控制應力的10%～25%。

制梁場鋼絞線的初應力取值為20%張拉控制應力，初應力作用下鋼絞線實際伸長量應以實際伸長量與實測應力之間的線性關系為依據(jù)△L2=[20%×△Ll×(1-20%)]，也可采用等量的相鄰級的伸長量作為初應力作用下鋼絞線的伸長量。

鋼絞線實測伸長量L實的經(jīng)驗公式：

當Lb—張拉應力為100% Pk時，梁段兩端千斤頂活塞行程之和；當La—張拉應力為20% Pk時，梁段兩端千斤頂活塞行程之和；當Lc一張拉應力為10% Pk時，梁段兩端千斤頂活塞行程之和。

根據(jù)以上公式，如果鋼絞線角度較小、較短時，應采用式⑤計算會更符合設計伸長量。如果鋼絞線較長，且角度很大時，采用式④計算可實現(xiàn)更接近設計伸長量。原因是預應力筋的長度及彎起角度決定了實測伸長量的計算公式，如果彎起角度較小、鋼絞線較短時，摩阻力引起的預應力損失也較小，這樣10%～20%的鋼絞線伸長量基本可反映實際變化，此時0～10%的伸長量可按照相鄰級別10%-20%推算出來；如果彎起角度較大、鋼絞線較長時，摩阻力引起的預應力損失也較大，因而初應力采用20%張拉控制應力，采用20%～100%推算0～20%的伸長量會更加精準[8]。

該梁場的初始應力采用20%的張拉控制應力，預制的箱梁為32m和24m，鋼絞線長度較大，因而應采用式④計算鋼絞線的實際伸長量。

3 伸長量的影響因素及防治措施

3.1 伸長量的影響因素

在項目箱梁預制過程中，必須考慮影響預應力筋伸長量的一些重要因素，現(xiàn)對其做提煉分析。

（1）抽拔橡膠棒的定位網(wǎng)片間距過大時，未將定位網(wǎng)片焊接牢固等原因，可能會造成設計管道的線型或位置與工地實際成孔管道相差較大，理論管道和實際管道摩阻不一致，會影響實際伸長量的計算出現(xiàn)較大誤差。（2）箱梁混凝土澆筑完成后過早抽拔橡膠棒，會造成孔內(nèi)塌孔，且在穿鋼絞線前未及時用髙壓風清孔，孔道內(nèi)摩擦阻力增大，會造成實際伸長量偏小。（3）喇叭口內(nèi)的混凝土未清理干凈或有其他雜物，可能導致喇叭口及錨口的應力損失偏大，預應力筋的實際張拉力偏小，實際伸長量偏小。（4）預應力筋下料后未做到疏整編束，使孔道內(nèi)預應力筋互相纏繞，張拉后預應力筋的應力分布不均，導致實際伸長量與理論伸長量誤差較大。（5）計算理論伸長量時，若預應力筋的彈模取值不準，可依據(jù)試驗確定彈模的取值為試驗值的中間值，原因是彈模離散型較大，可能不太穩(wěn)定，會使理論和實際伸長量出現(xiàn)較大誤差，且不能滿足規(guī)范要求。（6）油表失靈或其他設備出現(xiàn)問題，油表讀數(shù)不能反映真實的張拉力，導致預應力筋的實際伸長量與理論伸長量相差較大。（7）現(xiàn)場操作不當，未做到兩端同時對稱張拉，近似單端張拉，導致張拉力損失較大，預應力筋的伸長量偏小。

3.2 預控措施

（1）預應力管道的定位鋼筋網(wǎng)片按坐標和設計間距務必控制精準，且要焊接牢固，可防止?jié)仓炷習r定位鋼筋移位，造成設計和成孔管道的線型出現(xiàn)較大出入。（2）成孔橡膠棒不能過早抽拔，務必在混凝土終凝后穿鋼絞線前用高壓風對孔道清理干凈。（3）及時清除喇叭口內(nèi)的混凝土及雜物，保證張拉質(zhì)量。（4）預應力筋下料完畢后要梳整編束，每隔1.5m用鐵絲捆扎編束，保證孔道內(nèi)的預應力筋順暢不扭結(jié)。（5）精準加大鋼絞線的檢測頻率，每捆鋼絞線務必取樣做彈模試驗，這樣才能精準計算鋼絞線的理論伸長量。（6）按照規(guī)范要求定期對千斤頂及油表進行校驗，做到定期校準、周期檢定、用前復合。（7）確保現(xiàn)場操作精準，兩端同步張拉時務必做到兩端密切呼應，這樣才能確保兩端張拉力的一致性。

4 結(jié)語

預應力技術是控制預應力混凝土橋梁施工的一項關鍵技術，決定橋梁能否滿足正常使用要求以及耐久性能。預應力筋的伸長量是復核預應力張拉質(zhì)量的一項重要措施，能檢驗梁體內(nèi)預應力筋的應力是否滿足要求。因此，本文通過后張法預應力筋伸長量理論計算與實際計算，分析影響因素并提出預控措施，旨在通過橋梁預應力筋伸長量控制，提高張拉質(zhì)量，落實現(xiàn)場施工中對預應力工序的檢查、驗收，為橋梁施工中后張法預應力控制提供可靠依據(jù)。