考慮夾片影響的反拉法錨下有效預應力檢測技術研究

為獲取反拉法檢測時真實準確的錨下有效預應力值，文章從反拉法檢測原理出發，對工程應用中反拉法檢測的典型張拉力-伸長量曲線進行分析，揭示了夾片咬合力及夾片滑動摩擦力產生的原因和對檢測結果的影響，提出了考慮夾片影響的錨下有效預應力檢測與判別方法，為獲得真實準確的錨下有效預應力值提供理論支撐。

反拉法；錨下有效預應力；夾片咬合力；夾片滑動摩擦力；檢測技術

U441+.5A010013

作者簡介：

寧怡豪（1994—），碩士，工程師，主要從事橋梁檢測工作。

0" 引言

隨著預應力橋梁的廣泛應用，因錨下有效預應力不足或過高導致的問題也日益凸顯，錨下有效預應力檢測逐漸成為橋梁施工質量控制的關鍵環節。反拉法作為一種精度相對較高、實施方便快捷的錨下有效預應力檢測方法，得到廣泛應用和研究。

韓智強等［1］基于T梁撓曲變形理論提出了錨下有效預應力的計算式，并采用反拉法進行實梁驗證，測試值與計算值誤差＜10%。徐東豐等［2］考慮放張過程中鋼絞線回縮等應力損失，通過力值修正公式對反拉法檢測值進行修正。張峰等［3］分析了反拉法檢測時張拉力曲線突變原因，并對362個樣本進行了夾片咬合力測試，通過數據統計分析，建立了夾片咬合力計算公式。方中明等［4］在室內外試驗數據的基礎上，給出了反拉法計算夾片咬合力擬合公式，能夠較為準確地預測夾片咬合力。鄒國慶等［5］以數值模擬和實測曲線誤差最小為目標，建立了拐點求解的數學優化模型，通過改進遺傳算法優化了張拉力曲線拐點的識別精度。張峰等［6］對張拉力曲線出現拐點和未出現拐點的情況進行原因分析，并提出了相應的判別準則。

本文從反拉法檢測原理出發，針對實際工程應用中采用拐點法選取錨下有效預應力檢測值時，存在檢測值偏低或無法獲得檢測值的情況，分析了夾片咬合力及夾片滑動摩擦力產生的原因和影響，提出了考慮夾片影響的錨下有效預應力檢測與判別方法。本研究為錨下有效預應力檢測提供了新的思路，為獲得真實準確的錨下有效預應力值提供理論支撐。

1" 反拉法檢測原理

反拉法檢測是通過對孔道灌漿前的預應力筋進行二次張拉，來獲取錨下有效預應力的無損檢測方法。根據鋼絞線伸長量和錨外張拉千斤頂力值得到張拉力-伸長量曲線，以拐點對應的應力值作為鋼絞線錨下有效預應力，理想狀態下反拉法得到的張拉力-伸長量曲線如圖1所示。

理想狀態下，反拉過程分為兩個階段，第一階段（OA段），錨外張拉力小于錨下有效預應力。此時，僅外漏段鋼絞線隨著錨外張拉力增大而伸長，張拉力-伸長量曲線斜率固定。

TΔL=EAx2（1）

式中：T——錨外張拉力；

ΔL——鋼絞線伸長量；

x2——外漏段鋼絞線工具錨至千斤頂工作錨的長度；

E——鋼絞線的彈性模量；

A——鋼絞線的截面積。

第二階段（AB段），錨外張拉力大于錨下有效預應力，錨錐孔與夾片在AB段開始時刻即發生分離，不再產生相互作用。此時，錨固段鋼絞線和外漏段鋼絞線共同受力，張拉力-伸長量曲線斜率變小。

TΔL=EAx1+x2（2）

式中：x1——鋼絞線的錨固長度。

選取張拉力-伸長量曲線的拐點，即兩條不同斜率曲線的交點所對應的錨外張拉力作為鋼絞線的錨下有效預應力。

2" 夾片對反拉法檢測的影響分析

2.1" 檢測典型曲線

在實際的工程應用中，采用反拉法檢測時的張拉力-伸長量曲線主要存在以下兩種情況（見圖2）：

（1）當夾片安裝精度正常時，錨外張拉力在達到峰值后發生突降，目前，大部分檢測單位采用突降后的張拉力值作為錨下有效預應力檢測值，大量研究表明［7］，突降后的張拉力值大于真實的錨下有效預應力。

（2）當夾片安裝精度不足時，張拉力-伸長量曲線沒有拐點或拐點不明顯，曲線維持原斜率發展，無法根據拐點法判斷錨下有效預應力檢測值。

（a）夾片安裝精度正常

（b）夾片安裝精度不足

考慮夾片影響的反拉法錨下有效預應力檢測技術研究/寧怡豪

根據反拉法檢測原理，采用拐點法選取錨下有效預應力檢測值時，未考慮夾片的影響，存在檢測值不真實或檢測值無法識別的情況，因此如何獲取真實準確的錨下有效預應力是亟須解決的關鍵問題。

2.2" 夾片咬合力

夾片和錨具都是剛度較大的剛體，其變形可以忽略，但鋼絞線剛度相對較小，在錨具和夾片的共同夾持作用下，夾片范圍內的鋼絞線必然產生徑向的彈性變形。在反拉過程中，隨著錨外張拉力的增大，錨孔對夾片的壓力、夾片對鋼絞線的壓力都在隨之減小，夾片范圍內的鋼絞線徑向彈性變形逐漸恢復。當錨外張拉力與錨下有效預應力大小相等時，鋼絞線因彈性變形恢復，受到夾片提供的壓力，同時因夾片內側絲牙緊緊咬住鋼絞線，產生一定大小的靜摩擦力，靜摩擦力方向與錨外張拉力方向相反，見圖3。將夾片范圍內鋼絞線徑向彈性變形恢復所產生的靜摩擦力定義為夾片咬合力。當錨外張拉力增大至錨下有效預應力與夾片咬合力之和時，夾片發生松弛，與錨錐孔分離，夾片咬合力消失。此時，鋼絞線的錨外張拉力與錨下有效預應力發生內力重分配，也就出現了張拉力突降的現象。

夾片咬合力與鋼絞線本身的材料特性、夾片類型、夾片的安裝精度以及錨下有效預應力大小都存在一定關系，如何通過理論計算確定夾片咬合力仍需要做進一步研究。

2.3" 夾片滑動摩擦力

夾片滑動摩擦力指夾片與錨錐孔之間發生相對滑移所產生的滑動摩擦力。

若夾片的安裝精度正常，在反拉檢測過程中，夾片咬合力消失的瞬間，夾片與錨錐孔之間不再有相互作用力，此時夾片與錨錐孔之間不存在滑動摩擦力。

若夾片的安裝精度過低，在放張錨固后，夾片頂端未能平齊，導致鋼絞線對夾片的作用力不對稱。在反拉檢測過程中，夾片松弛的瞬間，夾片咬合力消失，由于鋼絞線對夾片的作用力不等，使鋼絞線帶動夾片整體向一側偏移，從而一側夾片與錨錐孔再次貼合，產生夾片滑動摩擦力，見圖4。由于夾片咬合力在很短時間內轉變為了夾片滑動摩擦力，也就出現了曲線沒有拐點或拐點不明顯的現象。

對存在夾片滑動摩擦力的夾片及鋼絞線進行受力分析，根據線彈性理論得出：

σpe=T－Fhcosθ（3）

ΔL=Tx1+x2EA－Fhcosθx1EA（4）

Fh=Tx1+x2－ΔLEAcosθx1（5）

式中：σpe——鋼絞線的錨下有效預應力；

θ——夾片內外表面形成的夾角；

ΔL——鋼絞線伸長量，夾片發生滑移后，夾片位移可以等效為鋼絞線伸長量；

Fh——錨孔對夾片的滑動摩擦力。

由式（5）可知，E、A、x1、x2、θ均可視為常量，則根據某一時刻的夾片位移及錨外張拉力大小即可得到該時刻夾片滑動摩擦力大小。

3" 考慮夾片影響的錨下有效預應力檢測與判別方法

3.1" 實現途徑

如圖5所示，當夾片安裝精度正常時，夾片對檢測結果的影響主要是夾片咬合力。鋼絞線僅受錨外張拉力、錨下有效預應力和夾片咬合力作用，由于夾片咬合力大小難以根據理論計算獲得，因此可以通過消除夾片咬合力的方法求得錨下有效預應力，即當夾片咬合力剛好為0 kN時，此時的錨外張拉力即為錨下有效預應力。整個檢測過程中，夾片咬合力為0 kN的時刻共有兩個：（1）夾片發生松弛時，此時鋼絞線內力發生重分配，無法獲得準確的錨下有效預應力；（2）夾片剛好恢復至原位時，此時的錨外張拉力即為錨下有效預應力。

當夾片安裝精度不正常時，夾片對檢測結果的影響除了夾片咬合力外還有夾片滑動摩擦力。在夾片發生位移前，鋼絞線受錨外張拉力、錨下有效預應力和夾片咬合力作用，在夾片發生位移后，鋼絞線受錨外張拉力、錨下有效預應力和夾片滑動摩擦力作用。夾片發生位移前，由于夾片咬合力影響，無法獲得準確的錨下有效預應力。夾片發生位移的瞬間，夾片咬合力轉化為了夾片滑動摩擦力，鋼絞線同時發生內力重分配，同樣難以獲得準確的錨下有效預應力。夾片發生位移后，通過夾片滑動力計算公式，即可根據某一時刻的夾片位移及錨外張拉力大小獲得該時刻夾片滑動摩擦力大小。當夾片恢復至原位時刻，夾片滑動摩擦力即轉化為夾片咬合力，此時的錨外張拉力減去夾片滑動摩擦力即為錨下有效預應力。

綜上所述，為消除夾片咬合力和夾片滑動摩擦力的影響，僅需在檢測過程中對夾片位移進行實時監控，根據夾片恢復至原位時的錨外張拉力，以及對錨外張拉力曲線進行分析判別，即可獲得真實準確的錨下有效預應力。

3.2" 實施過程

根據夾片位移將反拉過程分為3個階段：

（1）反拉階段，該階段夾片不發生位移。錨外張拉力由0 kN增加至錨下有效預應力，由于夾片咬合力的存在，夾片不會發生位移，錨外張拉力維持原斜率繼續增加。

（2）持荷階段，夾片產生一定距離大小的位移后保持穩定狀態。若夾片安裝精度正常，則在階段開始時刻，夾片咬合力消失，鋼絞線內力重分配，待鋼絞線內力穩定后進行持荷，以便于下一階段的實施；若夾片安裝精度過低，則在階段開始時刻，夾片咬合力消失的瞬間又轉變為了夾片滑動摩擦力，致使錨外張拉力曲線沒有拐點或拐點不明顯。當夾片位移或錨外張拉力增大到臨界值后，即可持荷。

（3）卸載階段，千斤頂卸載，夾片回縮至原位，錨外張拉力逐漸減小至0 kN，錨下有效預應力恢復至初始大小。若夾片安裝精度正常，當夾片位移值減小至0 mm時，即夾片恢復至原位，夾片咬合力剛好為0 kN，此時對應錨外張拉力值即為錨下有效預應力檢測值；若夾片安裝精度過低，當夾片位移值減小至0 mm時，夾片滑動摩擦力即轉變為夾片咬合力，將此時的錨外張拉力減去根據式（5）計算得到的夾片滑動摩擦力，即為錨下有效預應力檢測值。

3.3" 判別示例

以體內預應力鋼絞線為例，為保證檢測結果的準確性和檢測過程的安全性，防止反拉法檢測改變鋼絞線錨下有效預應力大小或導致鋼絞線被拉斷，采用夾片位移和千斤頂張拉力進行雙控反拉，將夾片位移臨界值設定為1 mm，最大張拉控制應力設定為0.8fpk。

根據實際應用，按以下4種情況進行錨下有效預應力檢測值判別（見后頁圖6）：

（1）如圖6（a）所示的工況一，鋼絞線內力重分配效應明顯，千斤頂最大張拉力＜0.8fpk，夾片位移＜1 mm。該情況下錨外張拉力曲線存在明顯拐點，并且千斤頂最大張拉力和夾片位移均未超限。以內力重分配后的錨外張拉力值進行持荷，選取卸載階段夾片位移剛好恢復至0 mm時對應的張拉力值作為錨下有效預應力檢測值。

（2）如圖6（b）所示的工況二，鋼絞線內力重分配效應不明顯，千斤頂最大張拉力＜0.8fpk，夾片位移≥1 mm。該情況下錨外張拉力曲線拐點不明顯或不存在，千斤頂張拉力未超限。當夾片位移等于1 mm時開始持荷，選取卸載階段夾片位移剛好恢復至0 mm時對應的錨外張拉力值減去計算得到的滑動摩擦力，即為錨下有效預應力檢測值。

（3）如圖6（c）所示的工況三，鋼絞線內力重分配效應不明顯，千斤頂最大張拉力≥0.8fpk，0 mm＜夾片位移＜1 mm。該情況下錨外張拉力曲線拐點不明顯或不存在，夾片位移未超限，當千斤頂張拉力=0.8fpk時開始持荷，選取卸載階段夾片位移剛好恢復至0 mm時對應的張拉力值減去計算得到的滑動摩擦力，即為錨下有效預應力檢測值。

（4）如圖6（d）所示的工況四，千斤頂最大張拉力≥0.8fpk，夾片位移=0 mm。此情況不存在持荷階段，當千斤頂張拉力等于0.8fpk時開始進入卸載階段，鋼絞線超張拉。

4" 結語

（1）將夾片范圍內鋼絞線徑向彈性變形恢復所產生的靜摩擦力定義為夾片咬合力，張拉力-伸長量曲線在峰值發生突變就是由于夾片咬合力消失導致出現鋼絞線內力重分配現象。

（2）夾片安裝精度過低導致夾片咬合力消失瞬間轉變為夾片滑動摩擦力，因此張拉力-伸長量曲線不存在拐點或拐點不明顯。夾片發生滑移后，將夾片位移等效為鋼絞線伸長量，得到夾片滑動摩擦力計算公式。

（3）采用反拉法檢測錨下有效預應力，根據拐點法原理選取檢測值時，存在檢測值偏大或無法識別檢測值的情況。

（4）提出了考慮夾片影響的錨下有效預應力檢測與判別方法，以消除夾片咬合力及夾片滑動摩擦力的影響，獲得真實準確的錨下有效預應力。

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20240430