后張法預(yù)應(yīng)力筋張拉伸長量計(jì)算原理和影響因素分析

劉士濤

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司,天津 300459 ）

某梁場生產(chǎn)后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，箱梁長度分為32m和24m。預(yù)應(yīng)力工序是箱梁預(yù)制的一項(xiàng)關(guān)鍵工序。32m箱梁梁體設(shè)置25束預(yù)應(yīng)力鋼絞線，腹板16束，底板9束，分10根一束和11根一束兩種；24m箱梁梁體設(shè)置19束預(yù)應(yīng)力鋼絞線，腹板12束、底板7束，分7根一束和19根一束兩種。對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼絞線，一般采用標(biāo)準(zhǔn)型強(qiáng)度級(jí)別為1860MPa、公稱直徑為15.2mm高強(qiáng)度低松弛的鋼絞線，其技術(shù)性能應(yīng)符合《預(yù)應(yīng)力砼用鋼絞線》（GB/T5224—2003）的規(guī)定。

1 鋼絞線理論伸長量計(jì)算

1.1 理論公式

依據(jù)《橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（TU041—2000）[1]，鋼絞線理論伸長量計(jì)算公式如下:

式中：PP—預(yù)應(yīng)力筋的平均張拉力（N）;L—預(yù)應(yīng)力筋的長度；AP—預(yù)應(yīng)力筋的截面面積（mm2）;EP—預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量（N/mm2）;P—預(yù)應(yīng)力筋張拉端的張拉力（N）;x—從張拉端至計(jì)算截面的孔道長度（m）;θ—從張拉端至計(jì)算截面的孔道部分切線的夾角之和（md）;k—孔道每米局部偏差對(duì)摩擦的影響系數(shù)；μ—預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁的摩擦系數(shù)。

1.2 計(jì)算方法

預(yù)應(yīng)力筋在梁體中的布置一般是既有直線也有曲線，這樣才能使梁體的受力更加合理。由于預(yù)應(yīng)力筋與管道之間存在摩擦力，使得張拉力從張拉端至跨中張拉力逐漸減小，因而不同線型區(qū)間的剩余有效張拉力及平均張拉力會(huì)有很大差異，在計(jì)算張拉的伸長量時(shí)，應(yīng)采取分段法計(jì)算[2]，計(jì)算每一段剩余有效張拉力、平均張拉力以及伸長量，最后將每一段的伸長量進(jìn)行疊加，這樣上式中：

因此在計(jì)算預(yù)應(yīng)力伸長量時(shí)，除確定預(yù)應(yīng)力筋的工作長度外，還要正確劃出分線型的段落等。

依據(jù)規(guī)范中理論伸長量的公式，現(xiàn)舉例說明計(jì)算方法：

對(duì)于在梁場生產(chǎn)的32m和24m混凝土簡支箱梁，采用后張法預(yù)應(yīng)力施工，兩端同步張拉[3]，預(yù)應(yīng)力筋是髙強(qiáng)度低松弛1×7-15.2-1860-GB/T5224-2003鋼絞線。以32m梁為例，其采用的鋼絞線分為10-7Φ5、11-7Φ5兩種，預(yù)應(yīng)力管道成孔采用直徑為90mm橡膠抽拔棒。依據(jù)現(xiàn)場管道摩阻試驗(yàn)測出：k=0.0016,u=0.5669,相關(guān)設(shè)計(jì)院依據(jù)工地實(shí)測的孔道摩阻系數(shù)和摩擦系數(shù)，可確定錨下張拉控制應(yīng)力為Pk=1330MPa。

以預(yù)應(yīng)力鋼束N3為例，由于采用兩端同步張拉，因而只需計(jì)算張拉端至跨中截面鋼絞線伸長量[4]，此孔道的鋼絞線為11根，每根鋼絞線的截面面積A=140mm2,鋼絞線的彈性模量E=195GPa，N3預(yù)應(yīng)力鋼束(張拉端至跨中截面)的大樣見圖1（F端是跨中截面，A端是張拉端，標(biāo)注尺寸以mm計(jì)）。

圖1 N3預(yù)應(yīng)力鋼束大樣

AB段平彎與豎彎的大樣圖都是直線，因而AB段在空間上的線型也是直線，這樣AB端的鋼絞線長度可依據(jù)長方體對(duì)角線的計(jì)算原理進(jìn)行計(jì)算[5]，AB段的鋼絞線長度為：

AB段是直線，因而θ1=0；AB段的錨下張拉力P1=1330×140×11/1000=2048.2kN；AB段的平均張拉力：

B點(diǎn)的張拉力

則AB段的伸長量

由于立面大樣圖是直線，BC段的平彎大樣圖是曲線，因而BC段空間上的線型是一條曲線；同時(shí)鋼絞線的彎曲角度很小，彎曲半徑很大，因而曲線段鋼絞線和直線段剛絞線的空間長度計(jì)算原理一致，所以BC段的鋼絞線長度就等同于BC段的平面弧長除以BC段的立面彎曲角度[6]。

由于管道存在摩擦阻力，因而BC段的起點(diǎn)張拉力是錨下張拉力克服AB段的管道摩阻后在B點(diǎn)的剩余有效張拉力P2，通過P2計(jì)算出BC段的平均拉力Pp2，再通過公式計(jì)算出BC段伸長量。通過上述方法再分別計(jì)算出CD段、DE段、EF段的伸長量。在計(jì)算鋼絞線的理論伸長量時(shí)，不僅要精確計(jì)算工作鋪至工具錨之間鋼絞線的伸長量，還要精確計(jì)算鋼絞線工作段的伸長量，其原因是工地實(shí)際測的鋼絞線伸長量包含了工具錨到工作錨之間鋼絞線的伸長量，該段鋼絞線的平均張拉力就是錨外張拉力，此時(shí)計(jì)算公式采用①式[6]。

最后將每段的伸長量疊加，再將計(jì)算結(jié)果乘以2,計(jì)算出鋼絞線的理論伸長量。此時(shí)N3預(yù)應(yīng)力鋼絞線的伸長量計(jì)算見表1。

2 實(shí)測伸長量的測量與計(jì)算

當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉時(shí)，其實(shí)際伸長量△L最好在建立初應(yīng)力后就進(jìn)行精準(zhǔn)測量，然后將測得的伸長量△L1加上初應(yīng)力以下的推算伸長量△L2[7]。即△L=△L1+△L2。

表1 N3預(yù)應(yīng)力鋼絞線伸長量計(jì)算

式中：△L1—從初應(yīng)力到最大張拉應(yīng)力間的實(shí)測伸長量(m);△L2—初應(yīng)力以下推算伸長量(m)。

預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)，應(yīng)先調(diào)整到初應(yīng)力，依據(jù)《橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50—2011)，初應(yīng)力宜為張拉控制應(yīng)力的10%～25%。

制梁場鋼絞線的初應(yīng)力取值為20%張拉控制應(yīng)力，初應(yīng)力作用下鋼絞線實(shí)際伸長量應(yīng)以實(shí)際伸長量與實(shí)測應(yīng)力之間的線性關(guān)系為依據(jù)△L2=[20%×△Ll×(1-20%)]，也可采用等量的相鄰級(jí)的伸長量作為初應(yīng)力作用下鋼絞線的伸長量。

鋼絞線實(shí)測伸長量L實(shí)的經(jīng)驗(yàn)公式：

當(dāng)Lb—張拉應(yīng)力為100% Pk時(shí)，梁段兩端千斤頂活塞行程之和；當(dāng)La—張拉應(yīng)力為20% Pk時(shí)，梁段兩端千斤頂活塞行程之和；當(dāng)Lc一張拉應(yīng)力為10% Pk時(shí)，梁段兩端千斤頂活塞行程之和。

根據(jù)以上公式，如果鋼絞線角度較小、較短時(shí)，應(yīng)采用式⑤計(jì)算會(huì)更符合設(shè)計(jì)伸長量。如果鋼絞線較長，且角度很大時(shí)，采用式④計(jì)算可實(shí)現(xiàn)更接近設(shè)計(jì)伸長量。原因是預(yù)應(yīng)力筋的長度及彎起角度決定了實(shí)測伸長量的計(jì)算公式，如果彎起角度較小、鋼絞線較短時(shí)，摩阻力引起的預(yù)應(yīng)力損失也較小，這樣10%～20%的鋼絞線伸長量基本可反映實(shí)際變化，此時(shí)0～10%的伸長量可按照相鄰級(jí)別10%-20%推算出來；如果彎起角度較大、鋼絞線較長時(shí)，摩阻力引起的預(yù)應(yīng)力損失也較大，因而初應(yīng)力采用20%張拉控制應(yīng)力，采用20%～100%推算0～20%的伸長量會(huì)更加精準(zhǔn)[8]。

該梁場的初始應(yīng)力采用20%的張拉控制應(yīng)力，預(yù)制的箱梁為32m和24m，鋼絞線長度較大，因而應(yīng)采用式④計(jì)算鋼絞線的實(shí)際伸長量。

3 伸長量的影響因素及防治措施

3.1 伸長量的影響因素

在項(xiàng)目箱梁預(yù)制過程中，必須考慮影響預(yù)應(yīng)力筋伸長量的一些重要因素，現(xiàn)對(duì)其做提煉分析。

（1）抽拔橡膠棒的定位網(wǎng)片間距過大時(shí)，未將定位網(wǎng)片焊接牢固等原因，可能會(huì)造成設(shè)計(jì)管道的線型或位置與工地實(shí)際成孔管道相差較大，理論管道和實(shí)際管道摩阻不一致，會(huì)影響實(shí)際伸長量的計(jì)算出現(xiàn)較大誤差。（2）箱梁混凝土澆筑完成后過早抽拔橡膠棒，會(huì)造成孔內(nèi)塌孔，且在穿鋼絞線前未及時(shí)用髙壓風(fēng)清孔，孔道內(nèi)摩擦阻力增大，會(huì)造成實(shí)際伸長量偏小。（3）喇叭口內(nèi)的混凝土未清理干凈或有其他雜物，可能導(dǎo)致喇叭口及錨口的應(yīng)力損失偏大，預(yù)應(yīng)力筋的實(shí)際張拉力偏小，實(shí)際伸長量偏小。（4）預(yù)應(yīng)力筋下料后未做到疏整編束，使孔道內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋互相纏繞，張拉后預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力分布不均，導(dǎo)致實(shí)際伸長量與理論伸長量誤差較大。（5）計(jì)算理論伸長量時(shí)，若預(yù)應(yīng)力筋的彈模取值不準(zhǔn)，可依據(jù)試驗(yàn)確定彈模的取值為試驗(yàn)值的中間值，原因是彈模離散型較大，可能不太穩(wěn)定，會(huì)使理論和實(shí)際伸長量出現(xiàn)較大誤差，且不能滿足規(guī)范要求。（6）油表失靈或其他設(shè)備出現(xiàn)問題，油表讀數(shù)不能反映真實(shí)的張拉力，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋的實(shí)際伸長量與理論伸長量相差較大。（7）現(xiàn)場操作不當(dāng)，未做到兩端同時(shí)對(duì)稱張拉，近似單端張拉，導(dǎo)致張拉力損失較大，預(yù)應(yīng)力筋的伸長量偏小。

3.2 預(yù)控措施

（1）預(yù)應(yīng)力管道的定位鋼筋網(wǎng)片按坐標(biāo)和設(shè)計(jì)間距務(wù)必控制精準(zhǔn)，且要焊接牢固，可防止?jié)仓炷習(xí)r定位鋼筋移位，造成設(shè)計(jì)和成孔管道的線型出現(xiàn)較大出入。（2）成孔橡膠棒不能過早抽拔，務(wù)必在混凝土終凝后穿鋼絞線前用高壓風(fēng)對(duì)孔道清理干凈。（3）及時(shí)清除喇叭口內(nèi)的混凝土及雜物，保證張拉質(zhì)量。（4）預(yù)應(yīng)力筋下料完畢后要梳整編束，每隔1.5m用鐵絲捆扎編束，保證孔道內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋順暢不扭結(jié)。（5）精準(zhǔn)加大鋼絞線的檢測頻率，每捆鋼絞線務(wù)必取樣做彈模試驗(yàn)，這樣才能精準(zhǔn)計(jì)算鋼絞線的理論伸長量。（6）按照規(guī)范要求定期對(duì)千斤頂及油表進(jìn)行校驗(yàn)，做到定期校準(zhǔn)、周期檢定、用前復(fù)合。（7）確保現(xiàn)場操作精準(zhǔn)，兩端同步張拉時(shí)務(wù)必做到兩端密切呼應(yīng)，這樣才能確保兩端張拉力的一致性。

4 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力技術(shù)是控制預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，決定橋梁能否滿足正常使用要求以及耐久性能。預(yù)應(yīng)力筋的伸長量是復(fù)核預(yù)應(yīng)力張拉質(zhì)量的一項(xiàng)重要措施，能檢驗(yàn)梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力是否滿足要求。因此，本文通過后張法預(yù)應(yīng)力筋伸長量理論計(jì)算與實(shí)際計(jì)算，分析影響因素并提出預(yù)控措施，旨在通過橋梁預(yù)應(yīng)力筋伸長量控制，提高張拉質(zhì)量，落實(shí)現(xiàn)場施工中對(duì)預(yù)應(yīng)力工序的檢查、驗(yàn)收，為橋梁施工中后張法預(yù)應(yīng)力控制提供可靠依據(jù)。