預制小箱梁有效應力控制技術研究

李 濤

（中鐵十六局集團第二工程有限公司，天津 300162）

0 引言

預應力混凝土預制小箱梁因其受力清晰、結構簡單、施工機具配套完整，在公路橋梁工程建設中廣泛應用，滿足了橋梁相應跨度和應力的施工要求，對橋梁工程整體質量提供了有力的技術支撐。實踐中，小箱梁預制過程的預應力張拉對梁體的質量有著至關重要的影響，必須引起重視。本文對預應力混凝土預制小箱梁張拉過程中有效應力的控制進行分析。

1 工程概述

銀洲湖高速公路TJ03標位于廣東省江門市新會區(qū)會城街道和雙水鎮(zhèn)境內，標段起訖里程K18+262.504～K24+840，總長6.577km，橋梁占比為100%。橋梁包括現(xiàn)澆連續(xù)梁和預制小箱梁兩種結構形式，其中預制小箱梁以25m 和35m 梁為主，本項目共需架設預制梁2642片，占項目總投資額的28%。在項目實施過程中，遇到了同束不均勻度超標、有效錨下應力不足、內縮值、回縮量計算錯誤，缺少計算依據(jù)等問題，必須引起重視并采取措施。

2 預應力設計

該項目裝配式混凝土預制小箱梁采用廣東省標準化設計成果，結構設計采用了剛性橫梁法、剛接板（梁）法和梁格法3種計算方法進行對比分析。

預制小箱梁設計為先簡支后連續(xù)的結構形式，25m預制小箱梁預應力布置為4φs15.2及5φs15.2，35m預制小箱梁預應力布置為6φs15.2 及7φs15.2，采用夾片式錨具錨固體系。施加預應力采用后張法兩端張拉的形式。預制梁內正彎矩鋼束錨下張拉控制應力為1395MPa，預應力張拉時還需考慮鋼束與錨圈口的摩擦損失，暫按3%考慮錨口摩阻損失，即鋼束錨外張拉控制應力為1437MPa，根據(jù)試驗情況確定錨口摩阻損失具體數(shù)值。

3 預應力計算

3.1 設計伸長量校核

3.1.1 張拉力計算

預應力鋼絞線張拉力的公式：

以25m 預制小箱梁為例，通過計算得知：YM15-4錨具對應張拉力為781.2kN，YM15-5 錨具對應張拉力為976.5kN。

3.1.2 預應力筋工作長度計算

預應力鋼絞線根據(jù)直線段和曲線段進行分段計算，鋼絞線豎彎半徑為30000mm，豎彎角度5°。預應力鋼絞線縱斷面如圖1所示。

圖1 預應力鋼絞線縱斷面示意圖

圓弧段BC長度計算公式：

斜線段AB長度計算公式：

實測千斤頂長度370mm、過渡環(huán)長度250mm、限位板高度30mm（承壓部分），合計千斤頂工作段（工作錨至工具錨之間）的長度為650mm。CD段為圖紙設計長度，分別為：2642mm、4246mm、5847mm、7447mm、9915mm。

3.1.3 預應力筋理論伸長量計算

根據(jù)《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTG/3650-2020），預應力筋理論伸長量計算公式如下：

鋼絞線、管道、錨具等原材料進場后均進行原材料送檢，復核試驗數(shù)據(jù)。由鋼絞線測試報告結果取鋼絞線彈模平均值EP=196000MPa，通過金屬波紋管管路摩阻測試數(shù)據(jù)得出管路偏差系數(shù)K取0.00154，管路摩擦系數(shù)μ取0.236。

通過試驗數(shù)據(jù)及伸長量計算值，與設計伸長值偏差最大值為1.2%，滿足設計±6%允許偏差。

3.2 張拉控制力計算

3.2.1 計算施工時的平均張拉力P'

張拉施工控制應力須按設計考慮實際錨圈口損失，根據(jù)實驗報告YM15-4、YM15-5 錨具錨口損失3.3%，根據(jù)地方質檢部門要求錨口損失按照3%計算，張拉施工控制應力和施工張拉力計算結果如下：

3.2.2 計算千斤頂工作段的預應力伸長量LG

實測千斤頂長度370mm、過渡環(huán)長度250mm、限位板高度30mm（承壓部分），合計千斤頂工作段（工作錨至工具錨之間）的長度為650mm；

計算施工控制應力時的千斤頂工作段長度的預應力筋的理論伸長量LG，按照直線段計算。

3.3 伸長量測量計算方式

3.3.1 內縮值量測

為滿足內縮值的量測，項目部自制一種測量鋼絞線內縮值的工具，選擇便于安裝測量的一根鋼絞線，采用螺栓進行緊固安裝，如圖2所示。

圖2 內縮值測量方式

張拉過程數(shù)據(jù)讀取為：張拉至初應力σ0(15%σK')，持荷，系統(tǒng)自動測量并記錄預應力筋伸長量L0=22.4mm，用鋼板尺測量標尺距工具錨板端面的距離=26mm。千斤頂?shù)臏y量位置用筆作記號，后續(xù)的內縮量測量均對應此點。繼續(xù)張拉至相鄰級應力σ1(30%σK')，持荷，系統(tǒng)自動測量并記錄預應力筋伸長量L1=36.7mm，用鋼板尺測量標尺距工具錨板端面的距離=24.5mm。繼續(xù)張拉至施工控制應力(包含錨圈口3%應力損失)，持荷5min 后，系統(tǒng)自動測量并記錄預應力筋伸長量LK=104.7mm，用鋼板尺測量標尺距工具錨墊板端面的距離=23mm。同時檢查油表的讀數(shù)，看清油表的讀數(shù)和計算值是否相符。施工前設定了智能張拉設備的張拉程序，在回油至初應力時持荷，由系統(tǒng)自動測量錨固后的剩余伸長量LM=95.9mm。

3.3.2 預應力筋錨固回縮量計算SM

式中：(1-σ0/)×LG——σ0～行程的千斤頂工作段長度的鋼絞線理論伸長量；

SM——預應力筋錨固回縮量，應不大于6mm，否則應暫停施工并查明原因。

3.3.3 張拉過程中鋼絞線內縮值計算

從初應力σ0張拉至相鄰級應力σ1時的鋼絞線內縮值Ns1為：

從初應力σ0張拉至控制應力σK'時工具錨的鋼絞線內縮值Ns2為：

張拉過程中的工具錨的鋼絞線名義內縮值Ns為：

3.3.4 張拉伸長量計算

兩端同時張拉預應力筋一端(A端)的張拉伸長量LA由σ0～行程的伸長量和0～σ0行程的伸長量(相鄰級σ0～σ1推算)組成，并扣除鋼絞線內縮值和千斤頂工作段長度的理論伸長量。

兩端張拉實測總伸長量：LZ=LA+LB=87.3+90.2=177.5(mm)

3.3.5 伸長量偏差判定

4 鋼絞線有效應力檢測

選取前兩片預制梁鋼絞線進行錨下應力檢測，錨口損失按3%計算，張拉控制應力為1436.85MPa，分別對預制梁進行12h 應力檢測及24h 應力檢測，12h 錨下應力平均值171.9kN，24h 錨下應力平均值170.9kN，如圖3所示，滿足廣東省交通質監(jiān)站178kN 設計值允許偏差±6%的要求，但錨下有效應力普遍偏低。

圖3 有效應力檢測（3%錨口損失）

選取另外兩片預制梁鋼絞線進行錨下應力檢測，錨口損失按3.3%計算，張拉控制應力為1441kN，同樣對預制梁進行12h 及24h 的應力檢測，12h 錨下應力平均值177.6kN，24h 錨下應力平均值176.5kN，如圖4 所示，滿足廣東省交通質監(jiān)站178kN 設計值允許偏差±6%的要求，且12h 時錨下應力非常接近設計要求的有效應力。

圖4 有效應力檢測（3.3%錨口損失）

根據(jù)張拉完成后不同時間段的預應力檢測發(fā)現(xiàn)，預應力在張拉錨固后存在一定的預應力損失，且與時間存在正比關系。規(guī)范設計要求在48h 內完成管道壓漿，但在施工過程中，為提高有效應力檢測一次合格率以及預應力施工工程質量，項目部將管道壓漿時間控制在12h進行，最長不得超過24h。

5 張拉控制措施

5.1 編束、穿束施工工藝

預應力鋼絞線的同束不均勻度與編束、穿束的施工質量有很大關系。該項目采用整體穿束的施工方案，在梳編臺進行鋼絞線梳理，每間隔1～1.5m 進行交叉綁扎，將同束鋼絞線的相對位置固定好，每根鋼絞線的端部均有序號標識。整理完成的鋼絞線進行整體穿束，工作錨安裝時，須保持鋼絞線位置準確，避免出現(xiàn)鋼絞線扭曲纏繞，較之以前的單根穿束方式，能避免受力不均產(chǎn)生的斷絲、滑絲、同束不均勻度超限等問題[1]。

5.2 過渡環(huán)、墊環(huán)設備

預制梁預應力設計為后張法施工，張拉端需設置張拉槽口，后期進行封錨施工[2]。由于千斤頂與張拉槽尺寸沖突，采用三個工作錨過渡方式進行過渡，張拉時構件同心同軸無法得到保證，錨具孔尺寸較小，極易與鋼絞線產(chǎn)生摩擦阻力，同時彈性變形不可控。采用過渡環(huán)、墊環(huán)方式進行過渡，根據(jù)千斤頂、限位板及張拉槽口尺寸，委托專業(yè)廠家進行生產(chǎn)，同時進行硬度檢測，保證硬度指標高于工作錨，減少預應力損失。

5.3 內縮值計算

采用位移傳感器自動測量千斤頂活塞形成的方式測定預應力筋伸長量時，在張拉設備啟動、鋼絞線受力逐步增大后，工具夾片夾持鋼絞線共同向內滑動，滑動的數(shù)值通稱為鋼絞線內縮值，計算預應力束張拉的總伸長量時應扣除該數(shù)值。此數(shù)值需進行前三片量的實測實量，取平均值作為后續(xù)計算依據(jù)，在鋼絞線、錨具等原材料發(fā)生較大變化時，需重新進行內縮值計算。

5.4 張拉力控制

根據(jù)預應力檢測數(shù)據(jù)總結，為保證工程質量，在預應力張拉完成12h后，進行錨下應力檢測及管道壓漿封錨，最長不得超過24h。同時需嚴格按照批次進行材料檢測，保證預應力相關材料性能可靠穩(wěn)定[3]。及時按照2%批次進行預制梁日常檢測，做好數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。當有效應力出現(xiàn)允許范圍內單向偏差時，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)及時進行張拉力調整，保證預應力100%合格率。

6 結束語

該項目中，通過編制預應力計算書、伸長量校核、內縮值測量工具使用、鋼絞線整體編束穿束工藝、優(yōu)化過渡環(huán)、墊環(huán)過渡方式、限位板選擇等方式，預制梁已完成620片，錨下有效應力檢測合格率100%，為保證后續(xù)施工質量、提高預應力施工水平提供了可靠、可行的技術支撐，其施工經(jīng)驗可供參考。