紅砬埡大橋預應力鋼絞線伸長值計算及張拉過程中存在問題的分析

陳 濤

(四川省晟茂建設有限公司, 四川成都 610045)

紅砬埡大橋預應力鋼絞線伸長值計算及張拉過程中存在問題的分析

陳 濤

(四川省晟茂建設有限公司, 四川成都 610045)

文章介紹了預應力鋼絞線理論伸長值計算以及伸長值量測中應注意的事項，分析了在鋼絞線張拉過程中造成伸長值不符合規范要求的各種原因。并結合工程實例加以論證。

后張法； 預應力； 鋼絞線； 伸長值； 量測

在建筑工程預應力混凝土結構施工中，最關鍵的技術當屬預應力施工這個環節，混凝土結構的使用可靠性，很大程度上取決于這個環節。在公路橋梁建設中，后張法預應力施工工藝已經日趨成熟，在施工過程中對鋼絞線伸長量的理論計算，施工中鋼絞線的張拉方法、錨固方式、量測方法等方面，都必須嚴格加以控制，不然將會出現伸長量不符合規范要求的情況。現從鋼絞線伸長量計算以及張拉時伸長量不符合規范要求時的原因分析作簡要說明。

1 預應力筋理論伸長量的計算

根據《公路橋涵施工技術規范》(JTG/T F50-2011)，預應力筋理論伸長值ΔL(mm)的計算按照以下公式：

(1)

式中：ΔL為各分段預應力筋的理論伸長值(mm)；PP為各分段預應力筋的平均張拉力(N)；L為預應力筋的分段長度(mm)；AP為預應力筋的截面面積(mm2)；EP為預應力筋的彈性模量(MPa)。

《公路橋涵施工技術規范》(JTG/TF50-2011)附錄，規定了PP的計算公式如下：

(2)

式中：P為預應力筋張拉端的張拉力，將鋼絞線分段計算后，為每分段的起點張拉力，即為前段的終點張拉力(N)；

θ為從張拉端至計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為從張拉端至計算截面的孔道長度(m)，分段后為每個分段長度或為式(1)中L值；

k為孔道每束局部偏差對摩擦的影響系數，管道內全長均應考慮該影響,取值參見表1；

μ為預應力筋與孔道壁之間的磨擦系數，取值參見表1。

在工程建設中，因預應力構件較長，必須對鋼絞線進行分段，然后分段計算伸長值，最后累加得出總的伸長值。計算時，需考慮每段的孔道偏差與摩擦導致的張拉力損失，其計算公式如下：

表1 系數K及μ值表

(3)

式中：δ為本段損失的張拉力(N)；P為本段張拉端的張拉力(N)；其他符號意義同前。

2 預應力筋實際伸長量計算及量測

2.1 預應力筋實際伸長量計算

預應力筋張拉時，應先調整至初應力。該初應力宜為張拉控制應力σcon的10 %～15 %，伸長值應從初應力開始量測。力筋的實際伸長值除量測的伸長值外，必須加上初應力以下的推算伸長值，但同時還應減掉預應力筋張拉全過程的錨塞回縮量。其計算公式一般為：

(4)

式中：ΔL1為從初應力至最大張拉應力間的實測值(mm)；ΔL2為初應力以下的推算伸長值(mm)；b為工具錨錨塞回縮量；c為工作錨錨塞回縮量。

2.2 預應力筋伸長值及錨塞回縮量的量測

在預應力筋張拉時，力筋的外露部份，大部分被錨具和千斤頂所包裹，預應力筋的張拉伸長量不容易在力筋上直接量測，故一般都采用量測千斤頂的活塞行程來計算。此時應注意，如果預應力筋較長，伸長量遠大于千斤頂活塞行程時，或設計有要求，為保持同一個水平線的幾個孔的預應力筋受力平衡，要分多次實施張拉，此時就需要采用倒頂反復張拉的方法，然后將伸長量迭加，最后求出總伸長量。

錨塞回縮量是指工具錨錨塞回縮量和工作錨錨塞回縮量，兩種錨塞回縮量的量測方法不同。簡述如下：

(1)工具錨錨塞回縮量的量測：當千斤頂張拉力達到初始應力，已將松弛的預應力筋拉緊，此時應將千斤頂固定好，量取工具錨錨環外露端面至力筋外露端頭的長度b1，當千斤頂張拉力達到控制應力時，再量取工具錨錨環外露端面至力筋外露端頭的長度b2，則工具錨錨塞回縮量b=b1-b2。應注意，當預應力筋由多數單根組成時，應量取其平均值進行計算。

(2)工作錨錨塞回縮量的量測：千斤頂與工作錨接觸處，設有一塊限制工作錨夾片在張拉過程位移的限位板，張拉時，工作錨夾片跟隨預應力筋的拉伸，向后移動至限位板凹槽底部，對預應力筋失去約束，當千斤頂張拉至設計控制張拉力，回油放松鋼絞線的瞬間，預應力筋彈性收縮，工作錨夾片跟隨收縮向錨環孔內位移，隨即將預應力筋錨固。張拉完畢卸掉千斤頂后，量測工作錨夾片的外露長度c2，同樣，當由多數力筋構成時，應取其平均值。限位板凹槽深度已知為c1，則工作錨錨塞回縮量c=c1-c2。

3 伸長值異常的情況分析

根據《公路橋涵施工技術規范》(JTG/T F50-2011)，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。

在建設工程實踐中，經常會遇到預應力筋張拉后伸長值偏大或偏小的情況，此時，我們一定要從理論伸長值的數據復核、預應力筋的各項技術指標檢測、千斤頂的校核、油壓表的精度測試、張拉機具是否按規程進行操作以及施工工藝是否符合規范要求等多方面進行詳細分析，以便找到伸長值異常的原因。

下面筆者將結合工程實例，分析預應力筋伸長值異常時的處理過程。

4 工程實例分析

4.1 工程概況

某高速公路紅砬埡大橋，全橋總長126 m(K12+102-K12+228)，橋跨設計為6-20 m預應力混凝土連續箱梁，全橋一聯。橋梁分為左右兩幅，左幅橋面寬為整體式路基的單幅標準寬12 m，右幅橋面寬為變寬設置。箱梁縱向預應力束按照兩次張拉方式設計，先施工3、4跨，兩端同時對稱張拉，第1、2跨及第5、6跨采用單端張拉，采用連接器與第3、4跨鋼束連接。預應力筋采用15.2鋼絞線，抗拉標準強度fpk=1 860 MPa，張拉控制應力σcon=0.75fpk=1 395 MPa。每19根鋼絞線組成一束，左幅共計9束，右幅共計12束。

在張拉時，因左幅5～6跨出現問題，現將左幅有關圖紙附上(圖1、圖2)。

圖1 紅砬埡大橋預應力鋼束總布置(5、6跨左幅)

圖2 紅砬埡大橋預應力豎彎大樣(5～6跨左幅)

4.2 紅砬埡大橋左幅5～6跨理論伸長值計算

根據設計資料及鋼絞線力學性能檢測報告，其每根鋼絞線截面面積A=139 mm2，每束面積為：AP=19×139=2 641 mm2；彈性模量實測為EP=196 444 MPa，張拉端張拉力P=1395×139×19=3 684 195 N；根據表1所規定，K取值0.0015，μ取值0.20。張拉時工作長度，包含千斤頂、工具錨、工作錨、限位板，共計90 cm。依據圖1、圖2的鋼束布布置形式，可將N1b鋼束分為16段(含工作段，下同)、N2b鋼束分為14段、N3b鋼束分為14段。根據式(1)～式(3)以及鋼絞線分段計算的規則，可以分別計算出N1b、N2b、N3b的理論伸長值。計算結果為N1b的理論伸長量為250.31 mm ,N2b的理論伸長量為249.51 mm，N3b的理論伸長量為254.69 mm。

4.3 紅砬埡大橋張拉程序及發現的問題

4.3.1 張拉程序

預應力張拉前對錨具、千斤頂、壓力表、高壓油泵等機具均送有資質的檢測單位進行了配套校驗，編號后配套使用。根據設計文件要求，現澆箱梁混凝土強度達到設計強度標準的100 %時，方準進行張拉。因該橋鋼絞線較長，其理論伸長量已超出千斤頂活塞的行程，故張拉程序定為：0→初應力(15 %)→2倍初應力(30 %)→50 %бcon回頂；然后50%бcon→100%бcon(持荷2分鐘)→錨固。張拉時先中腹板，再邊腹板，對稱張拉。

其張拉力與油壓表對應讀數見表2、表3。

表2 千斤頂張拉力與油壓表對應數值表一

表3 千斤頂張拉力與油壓表對應數值表二

4.3.2 張拉中發現的問題

紅砬埡大橋5～6跨左幅箱梁施工時，鋼束通過連接器與3～4跨鋼束相連。梁體現澆后，按規范養生，在梁體強度達到100%設計強度時進行了單端張拉。按設計文件要求，先張拉中腹板N1b鋼束，在張拉過程中出現如下異常情況：

(1)油壓表指針走動不均勻，或停滯不前，或突然跳動，上下搖擺劇烈，無法穩定。

(2)張拉過程中，鋼絞線發出異常的響聲。

(3)達到50%控制應力時，千斤頂活塞伸出量較小，行程足夠，沒必要進行回頂進行二次張拉。

(4)實測其最終伸長值為183 mm，而N1b鋼束理論伸長值為250.31 mm，伸長率誤差值達到-26.9%，遠超±6%的規范要求。

(5)卸掉千斤頂后，發現外露鋼絞線束劃痕明顯，劃痕連續，深淺不一。

4.4 伸長值不足的情況分析與應對措施

發生上述情況后，按規范要求，暫停張拉，查找原因。

4.4.1 金屬波紋管是否破裂

考慮是否金屬波紋管在澆筑混凝土時破裂，或是波紋管接頭未處理好而發生斷開，導致水泥漿從裂口滲入，致使預應力鋼束被水泥漿包裹凝固，致使伸長量不足。據調查，左幅金屬波紋管在施工過程中，但凡有接頭地方均采用防水封閉膠帶纏繞三層，纏繞長度為30 cm，能有效的防止波紋管從接頭處斷開。為了驗證管道是否從其他地方破裂，遂用空壓機從張拉端口用強風吹入，然后在遠端連接器處的預留壓漿通氣孔處驗證，左幅九個孔道內均有強風吹出，故排除波紋管破裂導致鋼束被水泥漿包裹凝結住的可能。

4.4.2 油壓表、千斤頂是否損壞

考慮油壓表、千斤頂在施工現場是否有碰撞、跌落的情況，導致指針讀數不準，從而導致張拉結果異常。隨即再次送檢，檢測結果表明油壓表、千斤頂同原來檢測結果有很細微的差別，故排除了這方面的原因。

4.4.3 鋼紋線是否合格

考慮鋼絞線的力學性能不穩定，隨即對鋼絞線取樣送有資質的單位檢測。最后結果表明該批鋼絞線的力學性能仍然是符合規范要求的，隨即排除了鋼絞線不合格的原因。

4.4.4 施工工藝是否正確

排除了上述原因之后，轉而從施工工藝方面找原因。故從安裝工作錨、限位板、千斤頂、工具錨等各個環節，逐一復核施工工藝是否有不符合規范的地方。在操作人員還原張拉機具的安裝過程中，發現設計圖紙要求預留張拉端槽口寬度為40 cm，深20 cm，而YDC5000型千斤頂直徑為56 cm，在安裝了工作錨及工作夾片之后，限位板及千斤頂根本不能就位。操作人員因為不了解限位板的作用，技術人員也忽略安裝過程的監控，遇到此種情況后，操作人員在安裝了工作錨及工作夾片后，私自在其上加了兩個工作錨錨環人為墊長，超過了張拉端預留槽口深度后，才使限位板及千斤頂安裝就位。

發現了這種安裝方式后，才算找到了伸長值不足的真正原因，而在張拉過程中出現的種種異常情況也得到了合理的解釋。上文提到，限位板的作用是在張拉時使工作夾片向后伸出至限位板凹槽底部，使鋼束失去約束，而能自由伸長。但操作人員因預留槽口狹窄，而用工作錨錨環墊長，此時，工作夾片被錨環頂緊，不能向后伸出，導致鋼絞線不能自由伸長，故在千斤頂的強大力量張拉時，導致應力傳輸受阻，在力量足夠大時，工作夾片會劃破鋼絞線而致鋼鉸線突然伸長，故會在張拉過程中出現異響、油壓表指針上下擺動、鋼絞線上會留下深淺不一的劃痕等現象，最終導致實際伸長量與理論伸長量相差較大。

4.4.5 應對措施

應對措施是將張拉端槽口每邊開鑿加寬10 cm，總寬度達到60 cm，然后使限位板、千斤頂正常就位。隨后按要求進行張拉，其結果顯示，伸長值滿足了±6%的規范要求，使紅砬埡大橋左幅5～6跨箱梁的施工順利完成。表4為其中三個孔的張拉伸長值記錄。

5 結束語

預應力混凝土橋梁施工中，預應力施加的過程是最關鍵的一環，必須按規范要求進行張拉力與伸長值雙控。在出現伸長值超出規范要求的情況后，必須細心分析各種可能出現的原因，才能及早發現并解決問題。本文的案例反映出，不僅張拉機具的性能對預應力的施加起主要作用，同時加強對施工操作工藝方面的控制，也是同樣重要的。

表4 紅砬埡大橋左幅5～6跨張拉記錄

[1] JTG/T F50-2011 公路橋涵施工技術規范[S].

[2] JTG D60-2004 公路橋涵設計通用規范[S].

[3] JTG D62-2012 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[4] 向中富. 橋梁施工控制技術[M] . 北京：人民交通出版社，2001.

[5] 范立礎.預應力連續梁橋[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

2015-06-26

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