超長預應力鋼束預應力損失研究

羅元元 閆榮剛 吳春雷 楊春

【摘? ? 要】：考慮受鋼絞線在孔道內狀態、孔道順直度等一系列現場施工偏差因素的影響，超長預應力鋼束在現澆橋梁孔道內的摩阻力按現行公路橋梁規范取值可能并不適用于實際施工的問題，以實際工程為例，利用穿心式壓力計對超長預應力孔道摩阻力和孔道摩阻分布狀態進行了專項研究并提出了對超長預應力施工的建議措施。

【關鍵詞】：現澆橋梁；超長預應力鋼束；孔道摩阻力

【中圖分類號】：U448.35【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）03-43-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.03.013

Research on Prestress Loss of Ultra Long Prestressed Steel Tendons

LUO Yuanyuan， YAN Ronggang， WU Chunlei， YANG Chun

（China Construction Bridge Co. Ltd.， Chongqing 402200，China）

【Abstract】：Considering a series of on-site construction deviation factors such as the state of the steel strands in the ducts and the straightness of the ducts， the standard values may not be applicable to actual on-site construction. The paper conducts a special study on the frictional resistance and distribution status of the super long prestressed duct using a through center pressure gauge through an actual project and proposes suggestions and measures for the super long prestressed construction.

【Key words】：cast-in-place bridge; ultra long prestressed steel tendons; frictional resistance

大跨徑橋梁建設中預應力施工是關鍵。針對橋梁預應力損失，白國艷等［1］進行錨圈口摩阻損失的測試并得到了關于錨具因素對預應力損失的結果影響。為減少預應力損失而進行超張拉也是目前國內橋梁施工的常規做法［2］。

清溪口渠江特大橋是一座高低塔斜拉橋，主跨280 m，根據設計文件大橋中跨合龍后張拉中跨合龍通長預應力鋼束。但由于大橋梁底沒有檢修車，導致大型千斤頂下放到主梁下部進行張拉作業非常困難，為此計劃采用小型穿心式千斤頂進行單根張拉，但在張拉時發現小型千斤頂張拉鋼絞線伸長量遠小于設計鋼絞線伸長量且隨著張拉數量的增多，鋼絞線伸長量越來越小。針對這些問題，開展超長預應力鋼束孔道摩阻力的研究。

1 工程概況

清溪口渠江特大橋中跨合龍鋼束含頂板束8束、底板束28束。鋼絞線下料長度13.56～247.97 m，其中工作長度超60 m的超長鋼束共有28束。預應力底板中跨合龍鋼束張拉端位于主梁主縱肋與頂板之間，張拉端距底板21.4 cm，距主縱肋內側邊緣30 cm，空間十分有限。見圖1。

2 管道摩阻力試驗

2.1 試驗設計

根據以往孔道摩阻試驗的相關經驗［3］設計試驗。選擇HB2-1鋼束進行試驗，鋼束工作長度246.57 m。分別在兩個張拉端設置墊板、穿心壓力傳感器（JMZX-3102AT）、工作錨、前卡穿心式千斤頂。見圖2。

在兩個張拉端錨下使用壓力傳感器，可以實時精確測量錨下壓力值，反饋鋼絞線錨下實際拉力值；墊板采用工作錨安放在錨墊板上面，用于支撐穿心壓力傳感器；壓力傳感器后面的單孔工具錨用于錨固鋼絞線（模擬工作錨具）；前卡穿心式千斤頂為預應力張拉設備，采用25 t千斤頂。

2.2 試驗過程及結果分析

兩個張拉端各安排一名管理人員對張拉數據進行記錄：單側張拉并記錄錨下壓力和伸長量，另一側記錄錨下壓力；首次張拉分三級進行，每級張拉到位分別記錄兩端錨下壓力；單根鋼絞線重復3次張拉和放張；張拉完成后對伸長量進行測量。

在第三次張拉后放張時，鋼絞線被拉斷，試驗暫停，對得到的數據進行分析。見表1。

張拉端和錨固段的壓力差值逐漸增大，是由于孔道與鋼絞線摩擦而產生與拉力方向相反的摩阻力。錨固端在張拉端達到最大壓力值后，基本穩定在111 kN且三次試驗最大值并未出現較大偏差。隨著張拉端張拉力的不斷增大，錨固端和張拉端壓力差值不斷增大，三次測量的平均值為81.4 kN。

由于摩擦力與孔道摩阻系數正相關，隨著張拉力增大，鋼絞線在孔道內與管道之間的壓力增加，造成摩阻力不斷增大。張拉完成后鋼絞線在孔道內處于受力平衡狀態，錨固段與張拉端壓力差表示鋼絞線在錨固段受到的摩阻力為81.4 kN。

2.3 鋼絞線伸長量與鋼絞線受力分析

由于張拉端與錨固端鋼絞線所受拉力不同，張拉完成后拉力分布為張拉端最大，錨固端最小；鋼絞線所受拉力呈線性分布。張拉完成后如果不立刻進行壓漿，鋼絞線應力在預應力管道內必然進行重分配，直至形成穩定受力狀態，鋼絞線應力重分配后的平均拉力約為151.1 kN（兩端拉力平均值），其整體預應力損失約為21%，拉力損失約為40.7 kN。見圖3。

據此進行鋼絞線伸長量計算

式中：[Pp]為鋼絞線兩端的平均拉力值；L為鋼絞線的計算長度；[Ll]為鋼絞線的計算伸長量；[AP]為鋼絞線的截面面積；[EP]為鋼絞線的彈性模量。

鋼絞線伸長量實測為1 340 mm，與理論計算結果伸長量偏差為1.8%＜5%。

鋼絞線的預應力損失是由于鋼絞線與管道摩擦，但鋼絞線的預應力損失量并不等于鋼絞線所受的最大摩阻力。假定鋼絞線與孔道之間的摩阻系數為K，則鋼絞線在孔道內所受的摩擦力應為P=KL。摩阻力大小在鋼絞線長度方向是呈線性分布的，因此在張拉端鋼絞線所受的摩阻力最小為0，在錨固端鋼絞線所受摩阻力最大，那么鋼絞線在管道內所受的整體摩阻力應為40.7 kN。

在連續張拉倒頂過程中，千斤頂回油前和回油后壓力表的數值發生了較大變化，而在非張拉端壓力表的數值則保持不變，說明錨下壓力發生了較大變化。見圖4。

在預應力張拉后錨下壓力并不等于千斤頂張拉力［5］。根據受力平衡原理千斤頂張拉力為鋼絞線整體所受摩阻力與鋼絞線張拉力的和。隨著張拉力的增加，錨下壓力損失至越來越大，數值與張拉力的比值越來越小，最終穩定的22%左右，錨下壓力損失值在42.5 kN左右，表明隨著張拉力的增大，鋼絞線所受整體摩擦力越來越大，最終整體摩擦力為42.5 kN左右。由于千斤頂回油前后存在錨具移動、夾片回縮等產生的預應力損失，因此可近似確定鋼絞線在孔道內的總摩阻力在42.5 kN以下。這與之前的分析數據基本一致。

回油后的錨下壓力代表張拉端鋼絞線在實際張拉錨固后的實際張拉力受力情況。預應力管道張拉端端頭未與管道接觸，因此此處所受的孔道摩阻力為0；而鋼絞線在內力重分配后鋼絞線與孔道之間不在存在相對位移，鋼絞線均勻受力，鋼絞線與孔道之間摩阻力處處為0。鋼絞線所受拉力為151.5 kN，而回油后摩阻力為0點處的張拉端錨下鋼絞線平均拉力為150.5 kN。兩個數據基本一致，因此結合上述分析可以確定HB2-1鋼束在預應力管道內產生了40.7 kN的摩阻力且摩阻力沿鋼絞線呈線性分布，可基本確定圖3符合實際鋼絞線線受力狀態。

3 結論及建議

1）受孔道摩阻力的影響，如果采用單端張拉施工工藝鋼絞線在張拉完成后摩阻力和拉力均呈線性分布，錨固端摩擦力最大，張拉端鋼絞線拉力最大。

2）如果采用雙端張拉，在理想狀態下可看做鋼絞線從中點往兩個方向相對移動。此時每一側鋼絞線所產生的摩阻力應為單端張拉摩阻力的一半。

3）預應力張拉完成后由于受孔道摩阻力影響，受力并不均勻，不應立刻進行壓漿，應給予鋼絞線以應力重分配的時間使其受力更加均勻。

4）如果待應力重分配整體受力均勻后進行單端二次張拉，可以簡單分析得出在鋼絞線中心位置摩阻力與鋼絞線所受拉力的和等于設計張拉力，此時自錨固端至鋼絞線中線點處鋼絞線不會發生相對位移，鋼絞線所受拉力不變。通過二次乃至多次張拉可以降低鋼絞線的預應力損失；但鋼絞線多次張拉可能造成鋼絞線斷絲或拉斷的情況，不建議多次重復張拉。

5）單根張拉必然會由于鋼絞線松緊程度不一造成鋼絞線之間相互干擾而影響鋼絞線張拉效果；因此實際操作中對長束不應采用單根張拉工藝。對于超長預應力鋼束，應采用千斤頂整體兩端張拉，張拉完成后待其應力重新分布，再進行一次補拉，盡量減少因摩阻力造成鋼絞線預應力損失。

6）設計應充分考慮現場施工的具體情況，為預應力張拉提供良好的施工條件，便于進行預應力施工，保證預應力張拉效果。

參考文獻：

[1]白國艷，廖福興，孔祥平.錨圈口摩阻損失的測試［J］.橋梁建設，2000，（2）：60-62.

[2]何海文，趙海峰.橋梁預應力鋼絞線的超張拉探討［J］.黑龍江交通科技，2007，（5）：79-80.

[3]張開銀，顧津申，張軍輝，等.彎曲孔道摩阻預應力損失試驗研究［J］.武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2009，33（2）：306-309.

[4]王曉強，王劍橋，薛紹斌.橋梁超長預應力施工質量控制［J］.建材發展導向（上），2018，16（11）：275-276.

[5]侯鐵鋼.大跨度連續剛構橋預應力損失病害分析[J].交通科學與工程，2016，32（2）：63-67.