筒体预应力钢束张拉伸长值问题的分析与处理

2015-03-18张翼飞王广涛

产业与科技论坛 2015年6期

□张翼飞王广涛

一、问题描述

某项在建工程混凝土筒体采用有粘结后张法竖向、环向、穹顶预应力。当竖向50#孔道钢束在张拉完毕准备按正常程序进行卸压锚固时，由于千斤顶油泵故障，压力值瞬间从47．24Mpa 降至0Mpa(正常应为2～3min)，经测量锚固后标记块回缩了16mm，超过允许最大值2．5mm(允许值10．6～13．5mm)。此时施工单位在未上报设计的情况下，自行重新张拉(未退张)。油泵压力仍控制在47．24Mpa，最终张拉后伸长值为487．3mm，锚固后标记块移动值为13．5mm，达到设计理论值的1．095 倍，不符合设计文件中“当千斤顶压力达到其标定时测量的伸长值:在顶端张拉时必须在A-5%和A+8%(480．9mm)之间的规定(A 为理论伸长值445．3mm)，超出6．4mm。

二、事故分析

此问题包括五个阶段:一是正常张拉，至卸压前均无异常。二是卸压时油泵突然完全卸压导致钢束回缩，在回缩同时钢绞线工作锚开始工作，夹具夹住钢绞线。三是由于控制应力较大(0．80fptk)，钢绞线在自身拉应力作用下回缩值超过允许标准。四是施工单位认为此时张拉值不满足设计要求，故按控制应力重新进行张拉，再次张拉前并未对钢绞线进行完全退张，而是在已张拉的情况下再次进行张拉。五是最终张拉值不满足理论张拉值的上限要求。

其他情况概述:面对此情况，采用保守的处理方法退张并重新张拉较为妥当。但本工程工期较紧，预应力施工完毕即为安装节点的开始。且本工程预应力张拉顺序共10 个阶段，50#钢束处在第一阶段末尾，紧邻竖向钢束张拉第二阶段和水平钢束张拉第一阶段，此时施工单位已完成竖向第二、水平第一阶段初始钢绞线的穿束工作。技术文件要求预应力从穿束至张拉需一个月内完成，灌浆在张拉后15 天内完成。如将50#钢束退张重新张拉，将产生很多问题:一是退张后重新穿束、张拉50#钢束，那已完成穿束的钢绞线至张拉时间将超过一个月，且竖向第一阶段50#钢束后续钢束的灌浆也将超过15 天。二是退张后不张拉50#钢束，直接张拉后续钢束，在其他阶段施工时再张拉，这样不仅要对设计文件中钢束的张拉顺序进行调整，而且由于其他钢束张拉完毕，混凝土变形已经产生，对再施工的50#钢束伸长值会产生一定影响。三是即使不考虑以上两点，由于钢绞线在运输及穿束过程中带有水溶性油脂和石墨粉，重新穿束必重新涂抹油脂和石墨粉，可能会导致孔道内摩擦系数的改变，这个改变量可能会超过工程之前做的预应力摩擦试验时确定的摩擦系数范围。

三、问题处理分析

(一)整体分析。一是两次张拉过程中一直采用控制应力，钢束本身的应力水平符合要求。二是本工程筒体在内压作用下，环向薄膜力为竖向薄膜力的2 倍，因此环向预应力水平相对较高，起控制作用。正常情况下环向预应力水平约为竖向预应力水平的1．38 倍，考虑到目前伸长值为设计值的1．095 倍，对于50#钢束附近区域，环向预应力水平约为竖向预应力水平的1．26 倍。由于环向预应力水平可以使混凝土满足应力限值要求，并且混凝土竖向应力也未超过限制。综上所述，从整体上分析，认为可以原样接收。

(二)细节分析。一是最终伸长值超过理论值上限，是否属于超张拉。设计认为不属于超张拉，只有当张拉应力超过控制应力方能定义为超张拉，超张拉是针对控制应力而言，伸长值只是作为最终结构的第二参考值而非第一参考值。二是不属于超张拉，为何第二次张拉后伸长值会超过理论值上限。经分析认为:50#钢束由两部分构成，筒体底部弧形加腋区和竖向直段。伸长值在考虑预应力损失时也由这两部分组成:钢束在弧形加腋区的预应力损失主要由钢束与孔道壁之间摩擦产生，这部分高度在10m 左右，偏斜角23．1°;直段的损失为锚具变形和钢束回缩产生，这部分高度50m 左右。由于锚具变形和钢束回缩的损失规范规定最大值为8mm，故直段的伸长值对总伸长值起决定作用。竖向钢束为每股7 根钢丝共36 股组成，在穿束到10 股以后，由于各种因素的影响(弧形段、摩擦、孔道剩余空间狭小等)，钢绞线在穿束机作用下会沿阻力最小的地方穿过，这样钢绞线在孔道内的分布不可能是理想状态下的均匀分布，存在钢绞线互相缠绕等情况。这样在第一次张拉时钢绞线沿长度范围内的应力分布是不均匀的。由于油泵的故障钢绞线突然回缩导致原先应力最大的区域应力衰减更多(应力最大区域应为接近张拉端的直段部分);造成抖动能使原先钢绞线缠绕较多的地方趋于松散;原先在穿束过程中阻力较大的地方阻力重新分布(阻力较第一次张拉时更小)。由于相对单位长度上的预应力损失主要由筒体弧形段产生，通过以上3 点原因，可以认为在第二次张拉后，弧形段内钢绞线的有效应力较第一次张拉更接近于筒体直段钢绞线有效应力。故得出结论:第二次张拉伸长值必然会超过第一次。

(三)钢绞线能否进行二次张拉。一般情况下考虑到当钢束较长时，摩擦力造成的损失使有效应力达不到设计要求时，可以在张拉完毕后，在另一端进行补张拉，张拉力不超过控制应力。说明:第一，摩擦力较大的地方钢束内有效应力较小。由于钢绞线弹性阶段大致在0．65 倍极限强度左右，故摩擦力较大区域弹塑性变形程度小于摩擦力较小区域。第二，第一次张拉后钢绞线不得有任何损伤才能进行第二次张拉。第三，预应力工作锚具不得有任何损伤。第二次张拉仍然是在顶部进行的。综合上文所述，第二次张拉较第一次张拉伸长值多出的9mm 主要由弧形段内钢束长度提供，由于控制应力仍按设计值进行，可以认为在原位进行第二次张拉是可行的。回缩不会对钢绞线产生损伤，但在工作锚处由于夹具突然参与工作，故对钢绞线造成较大划痕，由于第二次张拉伸长值超过第一次，损伤部分已在工作锚外面，施工完毕后切割即可，对参与工作的钢绞线无影响。工作锚在第一次张拉后是否有损伤，无法得知。从第二次张拉情况看，回缩值正常，判定其仍在有效工作。

四、重新张拉情况探讨

(一)整体分析。从整体分析看，起控制作用的是水平钢束，那么只要竖向钢束在不超过控制应力的作用下，最大伸长值都应该是满足要求的。这个数是多少呢?由于第二次张拉时，弧形段内钢束内力进行了重分布，钢绞线在孔道内阻力改变等，这些是无法进行定量分析。考虑极限状态，假定50#钢束不存在弧形段，整体为直段，重新计算的伸长值为504．9mm，较A +8%多出24mm。只要最大伸长值不超过504．9mm，是可以接受的。

(二)细节分析。如出现偶然情况造成第二次张拉伸长值等于或小于第一次时，这样夹具对钢绞线造成的划痕会落在两个工作锚之间，这时必须对钢绞线进行替换及重新张拉。如第二次张拉时发现锚具变形和钢绞线的回缩值超过8mm，可以认为第一次张拉后的突然回缩对夹具造成了损伤，需退张更换夹具。

五、重新张拉对后续工作的影响

如进行重新张拉，在考虑工期的前提下，可跨过事故钢束先施工其他钢束，此时应同时考虑多种影响。对于第2条，跨过50#钢束先施工其他钢束，由于混凝土在其他钢束下产生较原设计更大的变形，故理论伸长值应大于445．3mm，这个需进行重新计算。对于第3 条，重新穿束带来的摩擦系数改变，由于摩擦系数只在弧形段内考虑，可通过第一次张拉伸长值反算孔道摩擦系数，这时的摩擦系数只适用于第一次张拉情况，对第二次张拉时采用的摩擦系数可对第一个摩擦系数进行一定折减。需要由施工单位提供之前的油脂和石墨粉添加情况的经验而定。