竖向预应力精轧螺纹钢筋张拉体系施工技术

鲁 林

(陕西高速公路咨询有限公司，陕西 西安 710000)

0 引言

自1985年我国首次采用精轧螺纹钢作为竖向预应力钢筋建成国内第一条大跨径连续刚构桥——广东洛溪大桥以来，由于连续刚构桥保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点，以及既有很大的抗弯和抗扭刚度，又满足大跨径的桥梁的受力要求，已经成为大中跨径混凝土桥梁设计方案的首选[1－4]。

预应力混凝土箱梁桥腹板开裂的原因很多，其中竖向预应力张拉力达不到设计标准是其开裂的主要原因之一[1－6]。国内很多学者对预应力钢筋的损失机理及其预防措施进行了研究并提出了很多方法，但因缺乏有效验证手段而没能得到推广应用。

针对预应力精轧螺纹钢，基于结构动力学基本理论，建立螺纹钢的力学模型，深入研究了预应力螺纹钢的有效张拉力的检测方法，并在此基础上指导施工，总结了施工工艺的技术要点，保证了预应力精轧螺纹钢的张拉质量。

1 竖向预应力无损检测

在桥梁实际施工过程中，尽管外露段(不包括螺母)的长度不一样，但所用的螺母是相同的。根据动力学理论，无论外露长度如何变化，只要螺母的高度相同，如果预应力钢筋所受的张力不同，则引起精轧螺纹钢的螺纹与螺母的咬合程度(即抗弯刚度)不同。而精轧螺纹钢外露段的固有频率，随着外露段的长度和抗弯刚度的不同而不同，通过实验标定出抗弯刚度增大系数和张拉力的关系，则可以通过频率间接得出精轧螺纹钢的张拉力。如图1所示，精轧螺纹钢外露段抗弯刚度和频率关系的近似解的悬臂梁模型，由于传感器的质量较大(209 g)，所以模型中传感器的影响不可忽略。模型基于能量守恒定理的瑞雷商法分析其第一阶固有频率，其形函数取集中力P1作用于悬臂端时的挠度变形曲线函数。其中，M为传感器质量，L为模型总长度，L1为锚固段(螺母高度)，L2为锚固段到传感器中心线的长度，L3为精轧螺纹钢外露段长度。

图1 外露段近似解模型

本文提出的预应力张拉力无损检测的研究思路如下:通过研究建立不同精轧螺纹钢螺母段的刚度增大系数、外露段长度(扣除螺母高度)、精轧螺纹钢直径和振动频率的关联模型。同时建立不同的张拉力和精轧螺纹钢螺母段的刚度增大系数之间的关系。根据以上两个计算关系，得到张拉力和外露段振动频率的计算表达式，进而应用到实际箱梁桥的精轧螺纹钢张拉力检测中。

以下是实际工程中几个箱梁节段的竖向预应力张拉力无损检测结果。

图2中有40%的竖向预应力精轧螺纹钢满足不了设计要求。

图2 节段1竖向预应力钢筋张拉力测试值

图3中有13%的竖向预应力精轧螺纹钢满足不了设计要求。

图3 节段2竖向预应力钢筋张拉力测试值

图4中有20%的竖向预应力精轧螺纹钢满足不了设计要求。

图4 节段3竖向预应力钢筋张拉力测试值

分析以上几个测试结果可以看出:目前箱梁施工中，竖向预应力不足较为普遍。

2 竖向预应力施工技术要点

2.1 施工方法

高强度的精轧螺纹钢由于施工工艺简单、锚固方便、操作简便等优点，经常被用于箱梁腹板预应力筋。其张拉的具体流程:1)按20%应力→40%应力→100%应力分次张拉(具体数值看实际情况而定);2)保持2 min后，拧紧螺母进行锚固;3)回油，卸载。

2.2 张拉力不足原因分析

根据现场检测，在受检的桥梁中都存在张拉力不足的现象，无损检测方法可以在不损坏精轧螺纹钢的情况下有效、快捷地协助技术人员查找张拉力不足的原因。

1)由于锚固时是靠工人用扳手将锥形螺母拧紧，螺母拧紧不到位是导致张拉力不足的主要原因之一，为避免因螺母没拧紧而导致张力不足，首先在张拉前要把张拉槽的杂物清理干净，保证螺母与锚垫板的密贴;其次进行张拉时技术员要在现场进行监督，防止由于工人偷懒，没拧紧螺母，甚至出现漏拧。

2)张拉槽的施工质量的好坏也是影响竖向预应力精轧螺纹钢张拉质量的主要原因之一。主要表现在:a.张拉槽埋置过深导致拧紧扳手转动空间不足而无法拧紧螺母。b.张拉槽附近的混凝土密实性差承载力不足被反力凳压碎，导致预应力损失过大。c.张拉槽周围的混凝土凹凸不平同样也会引起千斤顶倾斜而导致张拉力不足。针对以上3种情况，要严格控制张拉槽的施工质量。

在安放张拉槽盒时，要设置定位线，严格控制槽盒的高度，既不能过高致使浇筑混凝土后，锚具暴露在混凝土外面，也不能过低影响拧紧扳手的转动，而导致螺母不能拧紧到位。

在浇筑混凝土时将张拉槽附近的混凝土振捣密实，保证其有足够的承载能力，并小心将顶面仔细抹平。

3)安装工艺。从文献[4]的研究结果看(见图5)，锚垫板如果安装存在较大误差的话，则螺母和锚垫板之间的夹角会导致竖向预应力折减。

图5 锚垫板安装误差

针对以上不足，实际工程施工需要注意以下几点:

a.设置定位钢筋保证预应力筋轴线铅直，要求定位后管道轴线偏差不大于5 mm。上下锚垫板保持水平，并尽量与精轧螺纹钢的轴线垂直。否则造成如图5所示的倾角过大而无法补救;同时要及时清理槽位的残渣，以保证锚垫板与螺母的密贴。b.在浇筑混凝土时应用纱布或其他物品将波纹管的缝隙堵住防止波纹管进浆。c.螺旋钢筋应与锚垫板焊接在一起，防止其在安装后掉落，减少张拉槽周围混凝土的弹塑性，承载力不足容易被压碎，造成预应力损失过大。d.把下端的锚垫板与螺母点焊成整体，下端螺母植入混凝土的钢筋长度建议大于8 cm，否则可能因锚固力不够，下端混凝土被逐步压碎，造成张拉力不足但延伸量超标的假象，甚至被拉出。

4)张拉设备和锚固材料。a.定期校定油泵，油表和油泵要配套，不能在张拉时随意更换油表。b.连接器要及时更换，一般张拉6次左右更换一个连接器。c.反力凳的工作面应保证拧紧扳手有足够的转动范围。d.同一施工现场应该用统一尺寸的锚垫板和螺母，曾在某工地发现多种规格不一的螺母，导致拧紧扳手与螺母不匹配，出现工人徒手拧紧螺母的现象。

3 结语

自1985年以来精轧螺纹钢筋竖向预应力体系在国内外得到了广泛的应用，但一直以来无法有效的评估其张拉的质量，以致施工行为得不到监管，施工工艺的优劣无法评估。

本文通过竖向预应力精轧螺纹钢张拉力无损检测，揭示了工程上普遍存在张拉力不足的工程现象。通过对施工工艺的总结，针对每种不足，分别提出了不同的施工控制工艺。本文研究对竖向预应力精轧螺纹钢张拉施工具有实际的工程应用价值。

[1] 张 峰.预应力混凝土连续箱梁开裂后的结构行为[D].南京:东南大学博士学位论文，2007.

[2] JTG D62－2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3] 钟新谷，刘学伟，沈明燕.混凝土箱梁竖向预应力锚固垫板安装倾角误差统计规律研究[J].土木工程学报，2010，43(5):23－28.

[4] 李守凯，张 峰，李术才.施工定位误差对竖向预应力损失的影响研究[J].山东大学学报(工学版)，2011，41(3):101－105.

[5] 梁东海，刘学伟.竖向预应力垂直度的测试及分析方法[J].中外公路，2009，29(6):178－180.

[6] 沈明燕，钟新谷，舒小娟.PC箱梁桥腹板竖向预应力长期损失测试与研究[J].2007，27(6):71－77.