关于预应力束伸长值的研究

张勇

摘要： 本文介绍了桥梁预应力束理论伸长值及实测伸长值的计算方法，并就偏差产生原因及注意事项进行了分析、讨论。

Abstract： This paper describes the calculation method of measured elongation values and theoretical elongation value of bridge

prestressed beam， and made anlysis on deviation causes and precautions.

关键词： 理论伸长值；实测伸长值；偏差原因

Key words： theoretical elongation value；measured elongation values；cause of the deviation

中图分类号：TU394 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）03-0031-03

0 引言

预应力施工是桥梁施工中最关键的一环，预应力施工控制的好坏关系到桥梁结构的长久安全，但目前技术管理人员对预应力施工的重要性理解不够，对预应力束张拉中“双控”把关不到位，片面理解“以张拉力控制为主”，而忽视伸长值的校核作用，实测伸长值与理论伸长值偏差很大而不去查找原因，这样就造成了张拉过程中存在的很多问题无法被发现，留下很大的质量隐患，所以伸长值校核的作用显得尤为重要。

目前很多施工人员不会正确进行预应力束理论伸长值的计算，且预应力束实际伸长值量测考虑不全面、计算不准确，有偏差的伸长值数据也起不到校核的作用。本文着重对预应力束伸长值进行分析、讨论。

1 理论伸长值计算

1.1 三个公式

①理论伸长值计算公式：△LL=■。△Ll━预应力筋的理论伸长值（mm）；Pp━预应力筋的平均张拉力（N）；L━预应力筋的长度（mm）；Ap━预应力筋的截面面积（mm2）；Ep━预应力筋的弹性模量（N/mm2）；②平均张拉力计算公式：Pp=■；P━预应力筋张拉端的张拉力（N）；Pp━预应力筋的平均张拉力（N）；x━从张拉端至计算截面的孔道长度（m）；θ━从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和（rad）；k━孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数；μ━预应力筋与孔道壁的摩擦系数；③尾端张拉力计算公式：PL=Pe-（kx+μθ）；Pl━预应力筋每段尾端力（N）；其他符号与平均张拉力计算公式一致。

1.2 上述公式需要明确的问题 θ、κ、μ取值，按照设计规范定义：θ为张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和，是将张拉端至计算截面作为一个整体进行一次计算，是一种简化计算，实际理论伸长值的计算与简化计算有一定的偏差，需对预应力束按直线、曲线进行分段计算；κ、μ值取值采用两种方法，一是采用经验法直接从施工规范相应表格上查取，二是通过现场管道摩阻试验确定。

1.3 理论伸长值的计算实例 以某高速公路一座连续刚构梁纵向预应力前期顶板束18C为例进行理论伸长值计算，顶板束采用两端对称张拉，计算截面为跨中。κ、μ值采用经验法从施工规范表格查取。

预应力参数：采用270级，公称直径Φs15.2低松弛预应力钢绞线，预应力管道采用塑料波纹管，弹性模量Ep＝1.9×105MPa、抗拉强度标准值fpk=1860MPa、钢绞线有效截面面积Ap=140mm2、管道偏差系数κ＝0.0015、管道摩擦系数μ＝0.17（取大值）；张拉控制应力f＝0.75fpk＝1395MPa。（图1、表1、表2）

1.4 伸长值简化计算和精确计算进行比较 对某连续刚构梁纵向预应力前期顶板束3C-18C、腹板下弯束A2-A16分别进行分段精确计算和整体简化计算，计算过程与18C相同，不再进行计算。

统计结果如表3、表4。

结论：由上述分段精确计算和整体简化计算比较可知，简化计算值较精确计算值是偏大的，对于相同部位管道，管道越长简化计算的精度越小，偏离理论伸长值越大，理论计算腹板下弯束最大偏差1.6%，前期顶板束最大偏差0.79%，相对与规范要求的偏差不超过±6%，已不可忽略，故当计算预应力束理论伸长值是需按照管道分段进行理论伸长值的计算。

2 现场实际伸长值的量测

2.1 钢绞线实际伸长值计算公式 △Ls＝△L1＋△L2；△L1━从初应力至最大张拉应力间的实测伸长值；△L2━初应力以下的推算伸长值，可采用相邻级的伸长值。

以本项目为例，初始预应力为10%σ，初应力以下推算伸长值△L2取20%σ至10%σ的实测伸长值。

2.2 伸长值实测 目前预应力束伸长值的测量较多的是采用直接测量千斤顶活塞伸出量的方法，千斤顶工作示意图如图2。

2.2.1 一顶到位伸长值有效值 预应力束较短，预应力束张拉到控制力，千斤顶活塞满足一次到位行程要求，千斤顶在初应力10%σ时活塞外露量a1，20%σ时活塞外露量a2，100%σ时活塞外露量a3，b为需要扣减的因素（后文再述说），则单端预应力束伸长值有效值为：△Ls＝2×（a2－a1）＋（a3－a2）－b。

2.2.2 两顶及多顶到位伸长值有效值 预应力束较长，千斤顶一次活塞行程不满足预应力束总伸长值要求，需反复退顶张拉。假设分两次张拉到位，0-60%σ为第一顶，60%σ-100%σ为第二顶。第一顶在初应力10%σ时活塞外露量a1，20%σ时活塞外露量a2，60%σ时活塞外露量a3；第二顶初应力为60%σ时活塞初始读数为a4，100%σ时活塞外露量a5，c为需要扣减的因素（后文再述说），则单端预应力束伸长值有效值为：△Ls＝[2×（a2－a1）＋（a3－a2）－c/]＋[（a5－a4）－c//]。

2.3 伸长值实测时需扣减因素b、c探讨 笔者认为目前预应力束张拉伸长值实测及计算过程普遍存在很多不正确的作法，主要问题是现场技术人员对张拉原理一知半解，张拉伸长值的读取随意性较大，扣减因素未考虑全面且取值过分依赖经验，未实测。

2.3.1 预应力束伸长值扣减因素 需扣减因素主要包括工具锚夹片回缩、工作锚夹片回缩、预应力束工作段长度伸长值、工具锚及工作锚夹片与预应力束滑移、锚垫板处混凝土压缩等。

2.3.2 试验 以某高速公路连续刚构梁纵向预应力后期底板束X7张拉为例进行扣减因素实测，后期束X7为12根？准15.2钢绞线，设计张拉应力值为1395MPa，采用YCW400B穿心式千斤顶进行张拉，一顶到位。

①工具锚夹片回缩量b1。工具夹片随着张拉力的施加会与钢绞线一起回缩，但千斤顶活塞在张拉过程是不会随着夹片回缩而回缩的，故工具夹片回缩量需计入预应力伸长值扣减因素。通过试验，安装工具夹片时用钢管将夹片敲紧后，工具夹片与钢绞线之间无滑移现象，夹片的回缩即为钢绞线的回缩。通过实测，工具夹片初始外露量为15.6mm，张拉到控制应力时工具夹片外露量为12.94mm，则工具夹片回缩为：b1＝15.6－12.94＝2.66mm。

②工作锚夹片回缩量b2。工作锚夹片回缩无法直接实测，比较正确的作法是：测量限位板深度及张拉到设计吨位值退顶后工作夹片外露长度，两者之差即为工作锚夹片回缩量。

根据现场实测：限位板凹槽槽深7.58mm，张拉到设计吨位退顶后工作夹片外露长度为2.5mm，则工作夹片回缩量为：b2＝7.58－2.5＝5.08mm。

③预应力束工作段长度伸长值b3。后期束X7采用YCW400B穿心式千斤顶进行张拉，现场实测工作段（工具夹片端头至工作锚端头）长度为44.5cm，在张拉应力1395MPa作用下，计算工作段长度伸长值大小为b3＝3.27mm。

④工具锚及工作锚夹片与预应力束滑移b4。通过现场试验，用钢管适当敲紧的工具夹片与钢绞线之间并无滑移现象。千斤顶回油过程工作夹片与钢绞线的相对滑移值无法直接实测，但是能通过测量千斤顶回油前后千斤顶活塞伸长值大小间接求出。

通过现场试验，回油前活塞上标线外露值大小为12.96mm，回油后活塞上标线外露值大小为3.14mm，差值大小为：12.96－3.14＝9.82mm。回油前后活塞标线外露差值组成为：工作夹片回缩＋钢绞线工作段伸长＋工作锚夹片与钢绞线相对滑移值，其中工作夹片回缩大小为5.08mm，工作段伸长值大小为3.27mm，则工作夹片与钢绞线相对滑移大小为：b4＝9.82－5.08－3.27＝1.47mm。⑤锚垫板处混凝土压缩b5。锚垫板处混凝土压缩值的大小需根据混凝土的强度等级、张拉时混凝土的强度、混凝土密实程度等确定，无准确值，通常可取1-2mm。

2.3.3 伸长值扣减因素结论 ①一顶到位。对纵向预应力后期底板束X7张拉，张拉采用两端对称张拉，一顶到位，张拉时单端伸长值扣减大小b＝b1＋b2＋b3＋b4＋b5＝2.66＋5.08＋3.27＋1.47＋1＝13.48mm。②两顶及多顶到位。假设分两级张拉到位，0-60%σ为第一顶，60%σ-100%σ为第二顶。第一顶在初应力10%σ时活塞外露量a1，20%σ时活塞外露量a2，60%σ时活塞外露量a3；第二顶初应力为60%σ时活塞初始读数为a4，100%σ时活塞外露量a5，c为需要扣减的因素，则单端预应力束伸长值有效值为：△Ls＝[2×（a2－a1）＋（a3－a2）－c/]＋[（a5－a4）－c//]，理论分析其中c/1＋c//1＝b1、c/2＋c//2＝b2、c/3＋c//3＝b3、c/4＋c//4＝b4、c/5＋c//5＝b5，则c＝b。

结论：预应力束张拉时，实测伸长值有效值的计算不是简单的千斤顶活塞外露量的差值，还需考虑预应力损失引起的伸长值的减少及其他需扣减的因素，采用不同的张拉设备，扣减因素大小不同，需通过试验确定。用于本项目张拉的YCW400B穿心式千斤顶，前期按经验单端扣减的伸长值取值为8mm，通过现场实测发现需扣减伸长值为13.48mm，与前期的经验值有很大的差距；另：同一套张拉设备、同样的设计终张力，伸长值扣减因素与预应力束长短、需张拉几顶无多大的关系，扣减值与一顶到位一致。

3 影响预应力束实测伸长值与理论伸长值偏差的原因

实践经验告诉我们，不管实测伸长值的计算、量取有多么的精确，始终会与理论计算伸长值有偏差，究其原因可归纳如下：①预埋管道的偏差，管道定位不准确，直接影响到管道的计算长度，也使κ、μ、θ都会发生变化，从而使实测伸长值与理论伸长值产生偏差；②κ、μ值的取值产生的偏差，从《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）取值为经验值，与现场实际有偏差；另：连续刚构施工每节段、每根管道的实际κ、μ值也不一样，不可能对每根管道都进行管道摩阻试验确定κ、μ实际值；故κ、μ的实际值与选取值是有偏差的；③预应力束的弹性模量Ep及有效截面积Ap产生的偏差，用于现场使用的预应力束弹性模量及有效截面积与设计要求或多或少都会有偏差，从而使实测伸长值与理论伸长值偏差；④张拉过程，分级应力大小的控制精度影响伸长值的读取；⑤伸长值读数时人为误差引起的偏差。

4 结束语

桥梁预应力是桥梁的灵魂，如人的骨骼，预应力施工控制的好坏直接关系到桥梁结构的安全，作为桥梁的每一位建设者都应该重视预应力施工。预应力施工的直接控制、监督者首先要掌握预应力控制的要点，掌握预应力束的理论及实测伸长值的计算、量测方法，真正使预应力“双控”能起到控制的作用。

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