后張法預應力鋼絞線伸長量的計算與智能張拉控制

楊志剛　王朋振

摘 要：預應力施工是一項技術性很強的工作，預應力筋張拉是預應力砼結構的關鍵工序，施工質量關系到橋梁的安全和人身安全，所以施工質量要嚴格要求。該文通過在南林高速公路NLTJ-2標主線跨S209省道橋后張法預制箱梁的施工，就預應力鋼絞線伸長量的計算與智能張拉控制進行總結。

關鍵詞：后張法預應力 伸長量 智能張拉

中圖分類號：U44 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（a）-0088-02

南樂至林州高速公路是河南省高速路網規劃中南樂—安陽—林州高速公路的重要組成部分，是南林高速公路河南省與山東省的接頭段。主要技術指標為雙向四車道高速公路，設計速度120 km/h，主線路基標準寬度為28 m，其中行車道寬2 m×2 m×3.75 m，左側路緣帶寬2 m×0.75 m，右側硬路肩寬2 m×3.5 m（含右側路緣帶2 m×0.5 m），土路肩2 m×0.75 m；路面橫坡為2%，土路肩橫坡4%，路基邊坡坡率1∶1.5，兩側設邊溝。主線跨S209省道橋設計為4×35先簡支后連續橋梁，橋面橫坡利用蓋梁來調整。全長147 m，橋面寬度13.5+18.95 m，凈空5.5 m，交角135°，錯幅布置，灌注樁基礎，下部結構為柱式墩+肋板臺，上部結構為35 m預應力砼組合箱梁。預應力鋼筋采用1×7股，高強度、低松弛鋼絞線，公稱直徑φs=15.2 mm，標準強度fpk=1860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa。預應力管道成孔方法采用金屬螺旋管成孔法。

1 施工準備

1.1 會審設計圖紙，熟知設計參數

首先在施工圖紙施工說明中查閱關于預應力鋼絞線的規格，預應力鋼束采用1×7股，高強度、低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，標準強度為fpk=1860 MPa彈性模量Ep=1.95×105 MPa。松弛率ρ=0.035，松弛系數ζ=0.3。錨具變形、鋼筋回縮按6 mm（一端）計算，管道摩阻系數μ=0.25，偏差系數k=0.0015。箱梁混凝土達到設計強度的85%后，且混凝土齡期不小于7d時，方可張拉預應力鋼束，錨下控制應力為Δk=0.75 fpk=1395 MPa。

根據鋼絞線試驗結果取得鋼絞線實際彈性模量Ep=1.95×105 MPa。

1.2 原材料檢測

原材料委托有公路工程檢測資質的檢測單位檢測。金屬螺旋管根據《公路橋涵施工技術規范》要求檢測；錨具根據《公路橋梁預應力鋼絞線用YM錨具、連接器規格系列》及《公路橋梁預應力鋼絞線用錨具、連接器試驗方法及檢驗規則》之要求檢測；鋼絞線根據《預應力混凝土用鋼絞線》GB/T5224-2003之要求檢測

2 理論伸長量計算

后張法預應力鋼絞線在張拉過程中，主要受到以下兩方面的因素影響：一是管道彎曲影響引起的摩擦力，二是管道偏差影響引起的摩擦力；兩項因素導致鋼絞線張拉時，錨下控制應力沿著管壁向跨中逐漸減小，因而每一段的鋼絞線的伸長值也是不相同的。

2.1 計算公式

《公路橋梁施工技術規范》中關于預應筋伸長值ΔL的計算按照以下公式：

（1）

《公路橋梁施工技術規范》附錄G-8中規定了Pp的計算公式：

（2）

從公式（1）可以看出，鋼絞線的彈性模量Ep是決定計算值的重要因素，它的取值是否正確，對計算預應力筋伸長值的影響較大。所以鋼絞線在使用前必須進行檢測試驗，彈性模量一般為Ep=（1.96～2.04）×105 MPa，鋼絞線的截面積取公稱截面積140 mm2，彈性模量取實測值Ep=1.95×105 MPa進行計算。

公式（2）中的k和μ是后張法鋼絞線伸長量計算中的兩個重要的參數，其大小取決于管道的成型方式、預應力筋的類型、表面特征是否光滑、表面是否有銹斑，波紋管的布設是否正確，彎道位置及角度是否正確，成型管道內是否漏漿等等，各種因素在施工中的變動很大，還有很多是不可能預先確定的，因此，摩擦系數的大小很大程度上取決于施工的精確程度。實際計算取設計給定的參數計算，即k=0.0015和μ=0.25。

3 分段計算原則

整束鋼絞線在進行分段計算時，首先是按設計給定的起彎點計算各分段的水平距離，按設計圖紙給定的縱坐標計算起彎點的垂直距離。

3.1 工作長度：工具錨到工作錨之間的長度，工作段長度=650 mm，計算時不考慮μ、θ，計算力為張拉應力，采用公式1直接進行計算，Pp=千斤頂張拉力=1395 MPa；

3.2 波紋管內長度：計算時要考慮μ、θ，計算一段的起點和終點力。每一段的終點力就是下一段的起點力。每段的終點力與起點力的關系如下式：

（3）

各段的起終點力可以根據公式（3）從張拉端開始進行逐步的計算。

3.3 根據每一段起點力Pq代入公式（2）中求出每一段平均張拉力Pp。

3.4 根據Pp代入公式（1）計算出每一段的伸長值ΔL，相加后得出全長鋼絞線伸長量。

4 伸長量計算

鋼束N1、N2、N3、N4曲線段半徑5000 cm，N5曲線段半徑3000 cm，預應力筋采用4Φ15.2 mm的鋼絞線束，fpk=1860 MPa，錨下（張拉）控制力為Δk=0.75 fpk=1395 MPa，Ep=1.95×105 MPa，孔道采用金屬螺旋管。采用簡化法計算理論伸長量，如表1所示。

當k=0.0015，μ=0.25總伸長量ΔL=（3.57+29.13+90.97）×2≈247 mm

設計引伸量為242 mm，取設計引伸量為伸長量控制值，即242 mm。

5 現場控制伸長量范圍endprint

根據《公路橋梁施工技術規范》規定“實際伸長值與理論伸長值的差值應控制在6%以內，否則應暫停張拉，待查明原因并采取措施予以調整后，方可繼續張拉”。

從上述計算中，當k=0.0015，μ=0.25時，總伸長量ΔL=247 mm，符合規范規定的控制范圍。但在實際施工時由于管道成型后表面特征是否光滑、表面是否有銹斑，位置偏差大小，彎道位置及角度是否正確、成型管道內是否漏漿等因素影響，規范中提供的μ是一個變值，因此取設計引伸量242 mm作為伸長量控制。

6 預應力智能張拉

預應力智能張拉是指橋梁結構預應力利用計算機智能控制技術，通過儀器自動操作，完成鋼絞線的張拉施工。本工程采用聯智橋隧生產的LZ59S10型智能張拉專家。其具有以下優點：

（1）智能張拉依靠計算機運算，能精確控制施工過程中所施加的預應力值，張拉各階段自動補張拉至規定值，能將張拉力誤差范圍控制在±1%。

（2）系統傳感器實時自動采集鋼絞線伸長量數據，反饋到計算機，自動計算伸長量，及時校核伸長量，與張拉力同步控制，實現真正“雙控”。

（3）控制系統按規范要求設定加載速率、停頓點和持荷時間等張拉過程，排除人為、環境因素影響；同時可緩慢卸載，避免沖擊損傷夾片，減少回縮量，且可準確測定實際回縮量。

（4）一臺計算機控制兩臺或多臺千斤頂同時、同步對稱張拉，實現“多頂兩端同步張拉”工藝。

（5）系統采用無線采集控制，遠程監控，便于操作，模塊化設計，具有較高的可靠性及可維護性；掌握梁板信息和張拉有關的技術信息，實現驗收評估自動化。

7 張拉施工

智能張拉儀連接，并連接好設備電源進行調試，連接無線網絡。正常后運行軟件。

（1）點擊主界面“修改”按鈕，輸入工程項目信息、包括張拉力值、混凝土強度、千斤頂編號、回歸方程、張拉儀IP地址、千斤頂噸位等信息。點擊“保存”按鈕，保存輸入內容。

（2）在主界面點擊“構件種類”按鈕，進入T梁或箱梁構件信息頁面，再點擊“構件輸入”按鈕，設置張拉梁板的具體參數，包括張拉梁號、張拉工藝、單根張拉控制力、孔號、鋼絞線根數、理論伸長量等信息。檢查無誤后點擊“保存”按鈕。

（3）點擊“啟動張拉程序”按鈕即可啟動“預應力智能張拉系統”的控制界面。點擊“開始張拉”按鈕，儀器開始工作。

張拉人員此時密切注意觀察電腦上顯示的壓力讀數、位移指示的顯示值與目標值的對比，并實現理論伸長量與實際伸長量的校核。

張拉過程中，如有異常情況立即點擊“暫停張拉”，進行相關檢查，排除異常情況后，方可繼續張拉。

（4）每一孔張拉完成后，設備自動退頂，保存數據，并自動跳到下一個張拉步驟。

8 結語

理論伸長量計算中，采取的是兩端張拉，鋼絞線對稱布置，在進行伸長量計算時是計算一半鋼絞線的伸長值然后乘以二的方法。鋼絞線的分段原則是將整根鋼絞線根據設計線形分成曲線連續段及直線連續段，而不能將直線段及曲線段分在同一段內。 預應力筋的伸長量計算方法有多種，常用的平均力法及簡化計算法在很多工程施工中也能夠滿足精度要求，這里我僅以簡化計算法作了簡單的介紹總結。

預應力智能張拉施工是《高速公路施工標準化技術指南》的要求，智能張拉采用多種創新性設計，精確控制張拉力值大小，精確測量預應力筋伸長量，實現自動補張，自動采集預應力筋伸長量，及時校核伸長量誤差，能真正實現“雙控”操作。

參考文獻

[1] 公路橋涵施工技術規范（JTJ 041-2000[S].北京人民交通出版社.

[2] 周水興.路橋施工計算手冊[M].北京人民交通出版社.

[3] 高速公路施工標準化技術指南：第四分冊（橋梁工程）[M].人民交通出版社.endprint

根據《公路橋梁施工技術規范》規定“實際伸長值與理論伸長值的差值應控制在6%以內，否則應暫停張拉，待查明原因并采取措施予以調整后，方可繼續張拉”。

從上述計算中，當k=0.0015，μ=0.25時，總伸長量ΔL=247 mm，符合規范規定的控制范圍。但在實際施工時由于管道成型后表面特征是否光滑、表面是否有銹斑，位置偏差大小，彎道位置及角度是否正確、成型管道內是否漏漿等因素影響，規范中提供的μ是一個變值，因此取設計引伸量242 mm作為伸長量控制。

6 預應力智能張拉

預應力智能張拉是指橋梁結構預應力利用計算機智能控制技術，通過儀器自動操作，完成鋼絞線的張拉施工。本工程采用聯智橋隧生產的LZ59S10型智能張拉專家。其具有以下優點：

（1）智能張拉依靠計算機運算，能精確控制施工過程中所施加的預應力值，張拉各階段自動補張拉至規定值，能將張拉力誤差范圍控制在±1%。

（2）系統傳感器實時自動采集鋼絞線伸長量數據，反饋到計算機，自動計算伸長量，及時校核伸長量，與張拉力同步控制，實現真正“雙控”。

（3）控制系統按規范要求設定加載速率、停頓點和持荷時間等張拉過程，排除人為、環境因素影響；同時可緩慢卸載，避免沖擊損傷夾片，減少回縮量，且可準確測定實際回縮量。

（4）一臺計算機控制兩臺或多臺千斤頂同時、同步對稱張拉，實現“多頂兩端同步張拉”工藝。

（5）系統采用無線采集控制，遠程監控，便于操作，模塊化設計，具有較高的可靠性及可維護性；掌握梁板信息和張拉有關的技術信息，實現驗收評估自動化。

7 張拉施工

智能張拉儀連接，并連接好設備電源進行調試，連接無線網絡。正常后運行軟件。

（1）點擊主界面“修改”按鈕，輸入工程項目信息、包括張拉力值、混凝土強度、千斤頂編號、回歸方程、張拉儀IP地址、千斤頂噸位等信息。點擊“保存”按鈕，保存輸入內容。

（2）在主界面點擊“構件種類”按鈕，進入T梁或箱梁構件信息頁面，再點擊“構件輸入”按鈕，設置張拉梁板的具體參數，包括張拉梁號、張拉工藝、單根張拉控制力、孔號、鋼絞線根數、理論伸長量等信息。檢查無誤后點擊“保存”按鈕。

（3）點擊“啟動張拉程序”按鈕即可啟動“預應力智能張拉系統”的控制界面。點擊“開始張拉”按鈕，儀器開始工作。

張拉人員此時密切注意觀察電腦上顯示的壓力讀數、位移指示的顯示值與目標值的對比，并實現理論伸長量與實際伸長量的校核。

張拉過程中，如有異常情況立即點擊“暫停張拉”，進行相關檢查，排除異常情況后，方可繼續張拉。

（4）每一孔張拉完成后，設備自動退頂，保存數據，并自動跳到下一個張拉步驟。

8 結語

理論伸長量計算中，采取的是兩端張拉，鋼絞線對稱布置，在進行伸長量計算時是計算一半鋼絞線的伸長值然后乘以二的方法。鋼絞線的分段原則是將整根鋼絞線根據設計線形分成曲線連續段及直線連續段，而不能將直線段及曲線段分在同一段內。 預應力筋的伸長量計算方法有多種，常用的平均力法及簡化計算法在很多工程施工中也能夠滿足精度要求，這里我僅以簡化計算法作了簡單的介紹總結。

預應力智能張拉施工是《高速公路施工標準化技術指南》的要求，智能張拉采用多種創新性設計，精確控制張拉力值大小，精確測量預應力筋伸長量，實現自動補張，自動采集預應力筋伸長量，及時校核伸長量誤差，能真正實現“雙控”操作。

參考文獻

[1] 公路橋涵施工技術規范（JTJ 041-2000[S].北京人民交通出版社.

[2] 周水興.路橋施工計算手冊[M].北京人民交通出版社.

[3] 高速公路施工標準化技術指南：第四分冊（橋梁工程）[M].人民交通出版社.endprint

根據《公路橋梁施工技術規范》規定“實際伸長值與理論伸長值的差值應控制在6%以內，否則應暫停張拉，待查明原因并采取措施予以調整后，方可繼續張拉”。

從上述計算中，當k=0.0015，μ=0.25時，總伸長量ΔL=247 mm，符合規范規定的控制范圍。但在實際施工時由于管道成型后表面特征是否光滑、表面是否有銹斑，位置偏差大小，彎道位置及角度是否正確、成型管道內是否漏漿等因素影響，規范中提供的μ是一個變值，因此取設計引伸量242 mm作為伸長量控制。

6 預應力智能張拉

預應力智能張拉是指橋梁結構預應力利用計算機智能控制技術，通過儀器自動操作，完成鋼絞線的張拉施工。本工程采用聯智橋隧生產的LZ59S10型智能張拉專家。其具有以下優點：

（1）智能張拉依靠計算機運算，能精確控制施工過程中所施加的預應力值，張拉各階段自動補張拉至規定值，能將張拉力誤差范圍控制在±1%。

（2）系統傳感器實時自動采集鋼絞線伸長量數據，反饋到計算機，自動計算伸長量，及時校核伸長量，與張拉力同步控制，實現真正“雙控”。

（3）控制系統按規范要求設定加載速率、停頓點和持荷時間等張拉過程，排除人為、環境因素影響；同時可緩慢卸載，避免沖擊損傷夾片，減少回縮量，且可準確測定實際回縮量。

（4）一臺計算機控制兩臺或多臺千斤頂同時、同步對稱張拉，實現“多頂兩端同步張拉”工藝。

（5）系統采用無線采集控制，遠程監控，便于操作，模塊化設計，具有較高的可靠性及可維護性；掌握梁板信息和張拉有關的技術信息，實現驗收評估自動化。

7 張拉施工

智能張拉儀連接，并連接好設備電源進行調試，連接無線網絡。正常后運行軟件。

（1）點擊主界面“修改”按鈕，輸入工程項目信息、包括張拉力值、混凝土強度、千斤頂編號、回歸方程、張拉儀IP地址、千斤頂噸位等信息。點擊“保存”按鈕，保存輸入內容。

（2）在主界面點擊“構件種類”按鈕，進入T梁或箱梁構件信息頁面，再點擊“構件輸入”按鈕，設置張拉梁板的具體參數，包括張拉梁號、張拉工藝、單根張拉控制力、孔號、鋼絞線根數、理論伸長量等信息。檢查無誤后點擊“保存”按鈕。

（3）點擊“啟動張拉程序”按鈕即可啟動“預應力智能張拉系統”的控制界面。點擊“開始張拉”按鈕，儀器開始工作。

張拉人員此時密切注意觀察電腦上顯示的壓力讀數、位移指示的顯示值與目標值的對比，并實現理論伸長量與實際伸長量的校核。

張拉過程中，如有異常情況立即點擊“暫停張拉”，進行相關檢查，排除異常情況后，方可繼續張拉。

（4）每一孔張拉完成后，設備自動退頂，保存數據，并自動跳到下一個張拉步驟。

8 結語

理論伸長量計算中，采取的是兩端張拉，鋼絞線對稱布置，在進行伸長量計算時是計算一半鋼絞線的伸長值然后乘以二的方法。鋼絞線的分段原則是將整根鋼絞線根據設計線形分成曲線連續段及直線連續段，而不能將直線段及曲線段分在同一段內。 預應力筋的伸長量計算方法有多種，常用的平均力法及簡化計算法在很多工程施工中也能夠滿足精度要求，這里我僅以簡化計算法作了簡單的介紹總結。

預應力智能張拉施工是《高速公路施工標準化技術指南》的要求，智能張拉采用多種創新性設計，精確控制張拉力值大小，精確測量預應力筋伸長量，實現自動補張，自動采集預應力筋伸長量，及時校核伸長量誤差，能真正實現“雙控”操作。

參考文獻

[1] 公路橋涵施工技術規范（JTJ 041-2000[S].北京人民交通出版社.

[2] 周水興.路橋施工計算手冊[M].北京人民交通出版社.

[3] 高速公路施工標準化技術指南：第四分冊（橋梁工程）[M].人民交通出版社.endprint