預應力錨索不均勻受力原因分析及對策

2019-09-13 06:24:40邢曉飛師亞龍沈文輝盧穎明

重慶交通大學學報(自然科學版) 2019年9期

邢曉飛, 師亞龍, 沈文輝, 盧穎明

(1. 中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都 611731； 2. 中鐵馬來西亞東方隧道公司，馬來西亞吉隆坡，58100；3. 武漢地鐵集團有限公司，湖北武漢 430030)

0 引言

隨著城市的發展，越來越多的深大基坑出現在城市中。預應力錨索加固技術由于其經濟合理、安全可靠、施工快捷、及對巖體擾動小等優點被廣泛運用到基坑及邊坡加固中[1-2]。錨索在張拉過程中，同一錨束中的多跟鋼絞線存在受力嚴重不一致現象，根據現場錨索張拉試驗可知，多數錨索測力計示值偏心達50%以上，如表1，甚至出現個別應變計不受力現象，嚴重影響施工安全，為基坑后續開挖埋下安全隱患。目前國內外對錨索偏心受力研究甚少，大多數研究集中在錨索測力計讀數大小與千斤頂示值不一致現象的對比分析及相關預應力損失這方面[3-7]，對錨索本身的不均勻受力研究較少。

付文光等[8]通過對室內外試驗與工程數據匯總分析，得到軸力計示值與千斤頂示值不匹配的主要原因為：儀器設備使用錯誤及數據錯誤、測量儀器誤差、構件誤差及安裝誤差等導致的施工誤差、錨索張拉及鎖定時應力損失等；韓光等[9]對預應力錨索應力損失的影響因素及其補償措施進了詳細對比分析和研究，得出了影響錨索預應力損失的因素包括，錨索材料鋼絞線的松弛、錨固對象巖土體的變形以及施工中的張拉、鎖定等；陳沅江等[10]通過對邊坡的預應力錨索現場試驗，得出了錨索預應力損失定量規律，并將預應力損失分為定量損失和時程損失，其中前者占比大約為初始張拉荷載的8%，后者分為短期和長期損失，其中長期損失可占初始張拉荷載的15%左右；劉新榮等[11]通過對基坑預應力損失規律及分級張拉控制措施進行現場試驗研究，發現使用分級分步張拉，可有效控制張拉鎖定及開挖過程中的預應力損失。

目前國內對于預應力錨索張拉過程中，錨束偏心受力的情況研究較少。因此，筆者針對預應力錨索張拉過程中產生的偏心受力問題進行詳細分析，并對其存在的問題給出了相應的措施，為今后類似工程提供參考。

表1 某地鐵車站錨索測力計受力統計Table 1 Force statistics of an anchor cable dynamometer at a subway station

1 預應力錨索施工工藝流程

錨索在施工前，首先應根據設計圖紙，進行測量放樣，確定其準確位置。其次確定鉆孔角度，然后調整鉆機鉆頭的傾斜角度，進行鉆孔作業。在鉆孔作業中，應注意當鉆頭進入軟硬土層交界面時，鉆頭角度極易產生偏差，造成所鉆孔的傾斜角度與設計角度有一定偏差，此時應注意控制鉆孔速度。然后向錨索孔中，投放預應力鋼絞線。再對錨索孔灌漿處理，并預留混凝土塊，進行實驗室標準養護，待達到設計張拉強度，進行預張拉。最后根據設計分級張拉荷載，達到設計預加荷載時進行鎖定。錨索主要施工流程如圖1。

2 預應力鋼絞線偏心受力原因分析

錨索測力計是測試錨索受力的主要測試元件，首先將達到強度要求的預應力鋼絞線穿過錨索測力計，錨索測力計安裝于錨墊板與工具錨之間，在每級荷載下，測讀錨索測力讀數。

圖1 錨索施工工藝流程Fig. 1 Flow diagram for cable construction process

根據各應變計的讀數計算整個預應力錨索的受力情況。現場試驗結果表明，每次加壓后各應變計的變化量不相同，有時差別還較大，即表明錨束之間存在不均勻受力。

由錨索施工工藝流程可以看出，造成鋼絞線偏心受力的主要原因大致可以分為兩個方面：① 施工誤差，是主要因素，并且只能減小，很難消除；② 設備因素，由張拉設備不匹配及張拉過程中千斤頂重力所引起。

2.1 施工誤差

1)錨孔傾斜角度誤差。錨孔傾斜角度誤差是指實際傾斜角度與設計傾斜角度不一致，造成該現象的主要原因有：① 鉆機鉆頭開鉆時，定位錯誤；② 鉆機在鉆孔過程中，鉆機擺放位置處的地基不穩，造成不均勻沉降；③ 當鉆頭由樁體進入土體以及由土體進入巖石時，鉆頭角度極易產生偏差，造成所鉆孔的傾斜角度與設計角度有一定偏差。

2)錨座或腰梁安裝誤差。基坑圍護結構中的錨索張拉均是成批次、對稱進行，錨索基座的安裝位置均設置在腰梁上，腰梁在施做過程中由于每根樁表面鑿除時，很難做到完全平整一致，使腰梁與錨座在安裝過程中存在一定的施工誤差。

3)鋼絞線伸出端頭角度不一致。錨束放入錨孔中后，注漿造成同一錨束中的多條鋼絞線，特別是端頭處的鋼絞線，張開角度不一致，如圖2。導致鋼絞線在穿過錨具錨孔時，產生的附加應力不一致，導致后續張拉過程中各根鋼絞線受力大小不一，產生偏心現象。

圖2 端頭處鋼絞線張開角度Fig. 2 Strand opening angle at the end

4)鋼墊板在張拉過程中產生變形，以及鋼墊板表面平整度較低等，使錨索產生偏心受力現象。

2.2 設備因素

1)張拉設備不匹配，造成較大偏心現象。錨具、夾具以及張拉千斤頂均應配套檢定、配套使用，應避免錨具孔數與鋼絞線根數不匹配現象。

2)千斤頂自重。張拉過程中應采取懸吊措施，抵消千斤頂在自重應力作用下所造成的“低頭現象”。

3 現場張拉試驗數據分析

針對現場前期已安裝的錨索測力計，從測試數據來看，大部分錨索測力計均存在較大的偏心受力現象，表明多數錨索受力偏心較大，對結構安全性埋下了安全隱患。基于此，筆者在現場進行多次張拉試驗。試驗主要分為兩種情況進行：① 常規張拉方法，錨索測力計直接安裝在鋼墊板上如圖3(a)；② 在鋼墊板上添加輔助糾偏裝置，然后將錨索測力計安裝在輔助糾偏墊盤上如圖3(b)。

圖3 預應力錨索現場試驗Fig. 3 Field test of prestressed anchor

圖4、圖5分別為常規加壓和添加糾偏墊盤時的偏心率變化曲線圖。由圖4、5可以看出，① 常規加載情況下，錨索偏心率并不隨著加載應力的增大而減小，添加有糾偏裝置的錨索測力計偏心率隨加載應力的增加大幅減小；② 兩種加載方式下，初始偏心率均較大，且無規律；③ 帶有糾偏墊盤的錨索測力計在加載過程具有自適應糾偏功能，隨著加載力加大，墊盤產生滑移，從而起到應力調整使受力均勻的作用。

在個別添加糾偏裝置錨索張拉試驗中，效果并不是很明顯。此時可以通過外力，懸吊千斤頂使墊盤產生滑動，減小偏心率。在外力糾偏時，應清楚錨索偏心方向，以免造成反向調節，從而使錨索偏心率增大。

圖4 正常加壓下錨索偏心率曲線圖Fig. 4 Anchor cable eccentric curve with normal pressurization

圖5 添加輔助糾偏裝置時錨索測力計偏心率曲線圖Fig. 5 Anchor cable dynamometer eccentric curveunder auxiliary corrective device

4 預應力錨索最大允許偏心率

根據吉隆坡地鐵大馬城北站設計公司所給出的錨索工作荷載、極限荷載以及預警荷載，對預應力錨索最大允許偏心率進行探討。表2為一對預應力錨束受力設計值。該表所給量值均為每對錨束的設計值，而在實際中設計有2～6對，此時受力設計值則按倍數增加。

表2 預應力錨索張拉設計值Table 2 Prestressed anchor cable tension design

錨索所能承受的最大偏心率，即個別錨束在達到極限抗拉強度時，所受到的最大偏心率。筆者主要以吉隆坡地鐵大馬城北站為例，對預應力錨索張拉過程中所允許的最大偏心率進行分析。相對來說錨束越多，其張拉過程中受力越趨于均勻，通過現場試驗發現，大多數的較大偏心受力出現在2,3,4對鋼絞線上。筆者亦只針對上述三種情況進行分析解析，主要考慮在該錨索破壞之前，錨索測力計示值應提前達到預警荷載。同時由于錨索所穿過的錨具均是左右對稱進行張拉，因此宜采用對稱分析，假設左右兩側的錨束受力一致。

由表2可知，對于2對錨束的錨索其預警荷載值為358 kN,3對錨束的錨索其預警荷載值為537 kN，4對預警荷載值為716 kN，每對錨束的極限抗拉應力為238 kN。錨具平面布置圖，如圖6。

圖6 錨具平面布置圖Fig. 6 Anchor layout

假設最下方的錨索達到極限屈服強度時，對通過最上方錨索所能承受的最小應力進行偏心應力分析。① 2對錨束時，由設計圖紙可知每對錨束的極限抗拉強度為238 kN,此時上面的錨束所受應力為358-238=120 kN，那么此時的偏心率為：(238-120)/238=49.6%左右。② 3對錨束時，經計算得：最上面受力約為126kN，中間錨束受力為168kN，因此可得偏心率為：(238-126)/238=47.1%，③ 同理，經計算可得4對錨束時，最上面一對錨束受力為128 kN，經計算可得最大允許偏心率約為46.2%。以上計算均是在錨索受力最不利情況下，結構受力達到預警荷載時的最大偏心受力。

由設計文件可知，預警荷載值與極限承載力比值為75%，而根據設計單位相關資料顯示，結構預警值分別按極限荷載的55%，70%，85%來分別設置為黃、橙、紅三級預警值。因此預警荷載值為結構所能承擔的極限荷載的85%時，此時所允許最大偏心率則分別為：30.3%(2對錨束)，29.0%(3對錨束)，29.4%(4對錨束)。

上述計算是在結構安全系數為1.6。參照國內設計規范，安全等級為一級的錨拉懸臂支擋結構的安全系數為1.35，此時所對應的錨索設計值及預警值如表3。