后張法預(yù)制箱梁預(yù)應(yīng)力損失探討

劉浩波

（中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，河北 涿州 072750）

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土箱型橋梁除了具有鋼筋混凝土橋梁的所有優(yōu)點(diǎn)之外，還能夠充分利用高強(qiáng)度材料，使得構(gòu)件截面彎矩、自重彎矩占總彎矩的比例大大下降，從而使橋梁的跨越能力得到提高。 隨著高速鐵路的快速發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁得到廣泛的應(yīng)用。

由于生產(chǎn)工藝和材料的固有特性等原因， 在箱梁預(yù)制和使用中，預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力值不斷降低。如果在施工過程中不考慮這些應(yīng)力損失， 將影響箱梁在荷載作用下的結(jié)構(gòu)性能。若預(yù)應(yīng)力損失過大，則不能保證箱梁的荷載承受能力，達(dá)不到箱梁的設(shè)計(jì)指標(biāo)，甚至還會(huì)降低箱梁的安全性能和使用壽命。因此，開展預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁預(yù)應(yīng)力損失的研究十分必要。

中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司京濱鐵路寶坻制梁場(chǎng)承擔(dān)著京濱鐵路DK116+093.73～DK141+251 段662 榀后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁預(yù)制任務(wù)。筆者以寶坻制梁場(chǎng)張拉工序?yàn)槔?，探討了后張法預(yù)制箱梁張拉施工時(shí)， 張拉力損失原因及減少張拉力損失的措施。

1 預(yù)應(yīng)力損失產(chǎn)生的原因

預(yù)應(yīng)力損失包括鋼絞線松弛損失，錨具變形、鋼絞線回縮引起的預(yù)應(yīng)力損失，鋼絞線與預(yù)應(yīng)力孔道摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失，梁體混凝土收縮、徐變和彈性變形引起的預(yù)應(yīng)力損失。

1.1 鋼絞線松弛損失

箱梁終張拉后48 h 內(nèi)，完成孔道壓漿作業(yè)。 箱梁架設(shè)使用后，不斷承受荷載，鋼絞線會(huì)慢慢變得松弛，鋼絞線的控制應(yīng)力會(huì)逐漸變小。 由于鋼絞線材料自身組織的不均勻性， 應(yīng)力松弛試驗(yàn)不可重復(fù)。 本文選用1×7-15.20-1860 鋼絞線，按相關(guān)規(guī)定和要求進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如表1 所示［1］。 通過試驗(yàn)得出如下結(jié)論：初始應(yīng)力越大，鋼絞線松弛越多，應(yīng)力損失越大。另外，鋼絞線松弛損失還與溫度、試驗(yàn)時(shí)間有關(guān)。

表1 應(yīng)力松弛試驗(yàn)參數(shù)表Tab.1 Parameters of stress relaxation experiment

1.2 錨具變形、鋼絞線回縮引起的張拉力損失

當(dāng)對(duì)鋼絞線張拉結(jié)束并進(jìn)行錨固時(shí)， 錨具受千斤頂集中壓力的作用， 工作錨和錨墊板間的縫隙會(huì)被擠緊，導(dǎo)致工作錨變形，從而造成應(yīng)力損失。 工作夾片在鋼絞線回縮自錨時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力損失。錨具錨固力極限總應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果如表2 所示［2-3］。

表2 錨具錨固力極限總應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果Tab.2 Experiment results of limit total strain of anchorage force

1.3 鋼絞線與預(yù)應(yīng)力孔道壁間的摩擦引起預(yù)應(yīng)力損失

鋼絞線與預(yù)應(yīng)力孔道摩擦引起預(yù)應(yīng)力損失的主要原因是孔道彎曲和孔道定位不準(zhǔn)。 孔道彎曲引起的預(yù)應(yīng)力損失值隨預(yù)應(yīng)力管道彎曲角度變化而變化，彎曲角度越大，損失值也越大。 孔道定位不準(zhǔn)主要是由于定位網(wǎng)片位置不準(zhǔn)確，孔道不圓順。此項(xiàng)損失主要取決于鋼絞線的長度、 鋼絞線與孔道壁間的摩擦系數(shù)和孔道成型的質(zhì)量［4］。

1.4 梁體混凝土收縮、徐變引起預(yù)應(yīng)力損失

箱梁進(jìn)行終張拉前后， 梁體會(huì)產(chǎn)生較大的彈性變形，在終張拉后60 d 或更長一段時(shí)間，箱梁仍有殘余變形存在，這個(gè)過程稱為徐變。箱梁澆筑混凝土后，在混凝土凝結(jié)初期或硬化過程中，出現(xiàn)的體積縮小現(xiàn)象稱為收縮。混凝土收縮、徐變會(huì)引起預(yù)應(yīng)力損失，損失值與收縮、徐變量有關(guān)。 混凝土徐變量受時(shí)間、溫度、荷載等影響。

1.5 梁體混凝土彈性壓縮引起預(yù)應(yīng)力損失

預(yù)制箱梁在預(yù)應(yīng)力張拉階段，已完成初張拉、并錨固的鋼絞線， 在后續(xù)分批張拉時(shí)， 會(huì)發(fā)生彈性變形。箱梁終張拉完成以后，梁體混凝土?xí)a(chǎn)生彈性壓縮變形，從而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失。

2 預(yù)應(yīng)力損失控制

通過對(duì)寶坻制梁場(chǎng)近100 榀箱梁張拉工序進(jìn)行分析，筆者總結(jié)出減少預(yù)應(yīng)力損失，提高后張法預(yù)應(yīng)力箱梁質(zhì)量的措施。

2.1 箱梁張拉工序過程控制

2.1.1 預(yù)應(yīng)力孔道摩擦損失控制［5］

預(yù)應(yīng)力孔道摩擦損失控制是箱梁張拉工序過程控制的關(guān)鍵，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：（1）嚴(yán)格控制定位網(wǎng)片的加工、焊接質(zhì)量和安裝位置。定位網(wǎng)片的間距應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)值30 cm、50 cm 進(jìn)行控制，并保證穿橡膠管后，管道不串動(dòng)，順直無死彎。（2）控制橡膠管穿束質(zhì)量。穿橡膠管前，仔細(xì)檢查橡膠管表層是否存在微小裂紋和管壁破損。穿橡膠管時(shí)，要防止鋼筋劃破管壁。將同一孔道內(nèi)、兩根抽拔管內(nèi)的鋼絞線進(jìn)行對(duì)穿，穿入長度不少于20 cm，確保連接緊密。采用厚0.5 mm、長300 mm 的鍍鋅鐵皮先對(duì)橡膠抽拔管連接處進(jìn)行包裹，然后用塑料膠帶纏緊，并用扎絲將鍍鋅鐵皮綁扎牢固， 防止水泥漿串入橡膠抽拔管內(nèi)，造成堵管。 抽拔管接頭處相互錯(cuò)開50 cm，且接頭不得處于同一斷面。（3）在混凝土澆筑過程中，插入式振搗棒不得接近或者觸碰抽拔管，以免引起管道位置偏移。（4）穿鋼絞線前，用梳子板對(duì)鋼絞線進(jìn)行整體編束，防止鋼絞線纏繞，減少鋼絞線與管壁的摩擦力。當(dāng)彈性模量差值超過3 GPa 的鋼絞線共用在同榀箱梁中時(shí)，禁止混用在同一個(gè)孔道。具體管道就位情況如圖1 所示，抽拔管接口檢查圖為圖2。

圖1 管道就位圖Fig.1 Pipeline in position

圖2 抽拔管接口檢查圖Fig.2 Inspection of sucker rod interface

2.1.2 摩阻試驗(yàn)控制

摩阻試驗(yàn)控制也是箱梁張拉工序過程控制之一。試打梁期間，對(duì)不同跨度的前兩榀梁體要做孔道摩阻試驗(yàn)，以測(cè)算管道和喇叭口摩阻及夾片回縮量，確定預(yù)應(yīng)力損失。正常生產(chǎn)后，每100 榀進(jìn)行一次孔道摩阻試驗(yàn)。當(dāng)強(qiáng)度、彈模、齡期達(dá)到終張拉要求后，應(yīng)對(duì)箱梁進(jìn)行管道摩阻試驗(yàn)。 將管道摩阻試驗(yàn)報(bào)告交給設(shè)計(jì)單位、咨詢單位，并對(duì)張拉控制應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算、 調(diào)整， 按照調(diào)整后的數(shù)值對(duì)首榀箱梁進(jìn)行終張拉。

寶坻制梁場(chǎng)預(yù)制梁試生產(chǎn)期間， 邀請(qǐng)中鐵大橋科 學(xué) 研 究 院 有 限 公 司 對(duì) BD31.5ZW -001#、BD31.5ZW-002#兩榀預(yù)制箱梁進(jìn)行管道摩阻試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為：BD31.5ZW-001#箱梁預(yù)應(yīng)力管道摩阻系數(shù)k=0.001 7，μ=0.417 0；BD31.5ZW-002#箱梁預(yù)應(yīng)力管道摩阻系數(shù)k=0.001 1，μ=0.381 6。 經(jīng)綜合計(jì)算，兩孔箱梁管道摩阻系數(shù)k＝0.001 4，μ＝0.40。 實(shí)測(cè)8＃、9＃孔錨具（開封長城）的錨口＋喇叭口摩阻損失為5.4%，實(shí)測(cè)8＃、9＃孔錨具（開封長城）的單端錨具回縮量為4.4 mm。 管道摩阻試驗(yàn)報(bào)告交設(shè)計(jì)單位和咨詢單位， 并對(duì)張拉控制應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。 經(jīng)過重新計(jì)算，寶坻制梁場(chǎng)預(yù)制無砟軌道31.5 m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉力不需要調(diào)整， 在施工過程中， 應(yīng)加強(qiáng)張拉彈性上拱和后期徐變上拱的監(jiān)控。

2.1.3 油壓表與千斤頂?shù)男Ｕ?/p>

（1）張拉設(shè)備使用前，必須進(jìn)行校準(zhǔn)。 千斤頂校正系數(shù)不超過1.05。 千斤頂、油壓表的校定期限為1個(gè)月，且不大于200 次張拉作業(yè)，若遇故障，需修復(fù)后再校正。（2）張拉使用的0.4 級(jí)耐震型精密油壓表需每月檢定一次，每周校準(zhǔn)一次，用前復(fù)核油壓表。油壓表在遇下列情況之一時(shí)，需重新校正：千斤頂和油壓表達(dá)到校驗(yàn)期限；千斤頂發(fā)生嚴(yán)重漏油現(xiàn)象，油壓表指針不能回零； 油壓表使用時(shí)誤差超標(biāo)或突發(fā)故障。

2.1.4 喇叭口摩擦損失控制

（1）在澆筑箱梁混凝土的過程中，錨墊板喇叭口用止?jié){套塞入。 （2）在制梁臺(tái)座端頭，為防止灰漿進(jìn)入喇叭口， 并保證喇叭口和橡膠抽拔管在同一直線上，應(yīng)當(dāng)用托架托住外露的橡膠抽拔管。 （3）在拔出橡膠抽拔管后，將喇叭口清理干凈。

2.1.5 鋼絞線松弛損失控制［6］

進(jìn)行箱梁張拉作業(yè)時(shí)， 用記號(hào)筆在工具錨口處對(duì)每根鋼絞線畫線標(biāo)記，以確認(rèn)是否存在滑絲（如圖3 所示）。 如果沒有滑絲，兩端的張拉力達(dá)到設(shè)計(jì)值的100%時(shí)，保持進(jìn)油量持荷5 min。 持荷完成后，讀取大缸伸長值，并測(cè)量出工具錨外夾片外露量。把鋼絞線的實(shí)際伸長量與理論伸長量進(jìn)行對(duì)比， 實(shí)測(cè)誤差小于或者等于±6%時(shí)，張拉有效。

圖3 滑絲觀察標(biāo)記Fig.3 Mark of sliding observation

2.1.6 張拉作業(yè)要做到兩個(gè)“三”

張拉作業(yè)時(shí)，需做到兩個(gè)“三”，即“三同心”和“三對(duì)應(yīng)”。 “三同心”是指預(yù)留管道、錨具、千斤頂三者同心。 “三對(duì)應(yīng)”是指鋼絞線直徑與限位板槽的深度對(duì)應(yīng)，試驗(yàn)彈模與伸長量計(jì)算值對(duì)應(yīng)，前批剩余鋼絞線穿入孔道編號(hào)的技術(shù)指定與實(shí)際操作對(duì)應(yīng)。

2.2 原材料控制

2.2.1 橡膠抽拔管的控制

箱梁預(yù)應(yīng)力孔道成孔采用橡膠抽拔管， 橡膠管應(yīng)無表面熱膠粒、表面裂紋、膠層海綿，膠層氣泡、外徑偏差、不圓率、硬度、拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長率、表面雜質(zhì)痕跡長度和深度等均要符合規(guī)范要求。 為了加強(qiáng)橡膠管的使用剛度，可在橡膠管內(nèi)穿一根鋼絞線。當(dāng)橡膠抽拔管拔出后，應(yīng)整齊放于指定的存放位置，并保護(hù)好。

2.2.2 鋼絞線的控制

（1）鋼絞線進(jìn)場(chǎng)時(shí)，每批質(zhì)量不大于30 t，每批鋼絞線由同廠家、同品種、同規(guī)格、同批號(hào)和同一生產(chǎn)工藝捻制。 （2）按規(guī)定對(duì)每批次鋼絞線的0.2%屈服力、彈性模量、公稱直徑、單位長度重量、整根鋼絞線最大力和最大力總伸長率進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)。（3）參照表3， 根據(jù)鋼絞線的實(shí)際直徑選取相應(yīng)限位深度的限位板。

表3 限位板選擇參數(shù)表Tab.3 Parameters of spacing board selection

2.2.3 錨具、夾具及連接器的控制

預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨具采用夾片錨。采用規(guī)格、原材料及生產(chǎn)工藝相同且一次投料生產(chǎn)并連續(xù)進(jìn)場(chǎng)的預(yù)應(yīng)力筋用錨具、連接器和夾具。 錨具、連接器和夾具進(jìn)場(chǎng)時(shí)，每2 000 套為一批，每批抽取5%且不少于10 套進(jìn)行外觀檢查； 每批抽取5%且不少于5 套進(jìn)行硬度試驗(yàn)； 每批抽取3 個(gè)組裝件樣品進(jìn)行靜載錨固性能試驗(yàn)； 每批抽檢3 個(gè)樣品， 進(jìn)行錨板強(qiáng)度試驗(yàn)。

錨墊板進(jìn)場(chǎng)時(shí)，每批抽取5%進(jìn)行測(cè)量，長度保證鋼絞線在錨具底口處的最大折角不大于4°，底口直徑與橡膠抽拔管直徑的間隙應(yīng)不超過5 mm，止口端面的平面度不大于0.5 mm。

3 結(jié)語

在張拉工序施工中，一定要做好過程控制、原材料控制，從而有效控制預(yù)制箱梁的預(yù)應(yīng)力損失，為后序施工提供保障， 進(jìn)而提高后張法預(yù)制箱梁的施工質(zhì)量。 除了原材料和張拉工序影響箱梁的張拉力損失外，還有一些因素會(huì)引起預(yù)應(yīng)力損失。為保證后張法預(yù)制箱梁的施工質(zhì)量，要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范施工。