红砬垭大桥预应力钢绞线伸长值计算及张拉过程中存在问题的分析

2015-03-24陈涛

四川建筑 2015年6期

关键词：夹片钢束钢绞线

陈涛

(四川省晟茂建设有限公司, 四川成都 610045)

红砬垭大桥预应力钢绞线伸长值计算及张拉过程中存在问题的分析

陈涛

(四川省晟茂建设有限公司, 四川成都 610045)

文章介绍了预应力钢绞线理论伸长值计算以及伸长值量测中应注意的事项，分析了在钢绞线张拉过程中造成伸长值不符合规范要求的各种原因。并结合工程实例加以论证。

后张法；预应力；钢绞线；伸长值；量测

在建筑工程预应力混凝土结构施工中，最关键的技术当属预应力施工这个环节，混凝土结构的使用可靠性，很大程度上取决于这个环节。在公路桥梁建设中，后张法预应力施工工艺已经日趋成熟，在施工过程中对钢绞线伸长量的理论计算，施工中钢绞线的张拉方法、锚固方式、量测方法等方面，都必须严格加以控制，不然将会出现伸长量不符合规范要求的情况。现从钢绞线伸长量计算以及张拉时伸长量不符合规范要求时的原因分析作简要说明。

1 预应力筋理论伸长量的计算

根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50-2011)，预应力筋理论伸长值ΔL(mm)的计算按照以下公式：

(1)

式中：ΔL为各分段预应力筋的理论伸长值(mm)；PP为各分段预应力筋的平均张拉力(N)；L为预应力筋的分段长度(mm)；AP为预应力筋的截面面积(mm2)；EP为预应力筋的弹性模量(MPa)。

《公路桥涵施工技术规范》(JTG/TF50-2011)附录，规定了PP的计算公式如下：

(2)

式中：P为预应力筋张拉端的张拉力，将钢绞线分段计算后，为每分段的起点张拉力，即为前段的终点张拉力(N)；

θ为从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和，分段后为每分段中每段曲线段的切线夹角(rad)；

x为从张拉端至计算截面的孔道长度(m)，分段后为每个分段长度或为式(1)中L值；

k为孔道每束局部偏差对摩擦的影响系数，管道内全长均应考虑该影响,取值参见表1；

μ为预应力筋与孔道壁之间的磨擦系数，取值参见表1。

在工程建设中，因预应力构件较长，必须对钢绞线进行分段，然后分段计算伸长值，最后累加得出总的伸长值。计算时，需考虑每段的孔道偏差与摩擦导致的张拉力损失，其计算公式如下：

表1 系数K及μ值表

(3)

式中：δ为本段损失的张拉力(N)；P为本段张拉端的张拉力(N)；其他符号意义同前。

2 预应力筋实际伸长量计算及量测

2.1 预应力筋实际伸长量计算

预应力筋张拉时，应先调整至初应力。该初应力宜为张拉控制应力σcon的10 %～15 %，伸长值应从初应力开始量测。力筋的实际伸长值除量测的伸长值外，必须加上初应力以下的推算伸长值，但同时还应减掉预应力筋张拉全过程的锚塞回缩量。其计算公式一般为：

(4)

式中：ΔL1为从初应力至最大张拉应力间的实测值(mm)；ΔL2为初应力以下的推算伸长值(mm)；b为工具锚锚塞回缩量；c为工作锚锚塞回缩量。

2.2 预应力筋伸长值及锚塞回缩量的量测

在预应力筋张拉时，力筋的外露部份，大部分被锚具和千斤顶所包裹，预应力筋的张拉伸长量不容易在力筋上直接量测，故一般都采用量测千斤顶的活塞行程来计算。此时应注意，如果预应力筋较长，伸长量远大于千斤顶活塞行程时，或设计有要求，为保持同一个水平线的几个孔的预应力筋受力平衡，要分多次实施张拉，此时就需要采用倒顶反复张拉的方法，然后将伸长量迭加，最后求出总伸长量。

锚塞回缩量是指工具锚锚塞回缩量和工作锚锚塞回缩量，两种锚塞回缩量的量测方法不同。简述如下：

(1)工具锚锚塞回缩量的量测：当千斤顶张拉力达到初始应力，已将松弛的预应力筋拉紧，此时应将千斤顶固定好，量取工具锚锚环外露端面至力筋外露端头的长度b1，当千斤顶张拉力达到控制应力时，再量取工具锚锚环外露端面至力筋外露端头的长度b2，则工具锚锚塞回缩量b=b1-b2。应注意，当预应力筋由多数单根组成时，应量取其平均值进行计算。

(2)工作锚锚塞回缩量的量测：千斤顶与工作锚接触处，设有一块限制工作锚夹片在张拉过程位移的限位板，张拉时，工作锚夹片跟随预应力筋的拉伸，向后移动至限位板凹槽底部，对预应力筋失去约束，当千斤顶张拉至设计控制张拉力，回油放松钢绞线的瞬间，预应力筋弹性收缩，工作锚夹片跟随收缩向锚环孔内位移，随即将预应力筋锚固。张拉完毕卸掉千斤顶后，量测工作锚夹片的外露长度c2，同样，当由多数力筋构成时，应取其平均值。限位板凹槽深度已知为c1，则工作锚锚塞回缩量c=c1-c2。

3 伸长值异常的情况分析

根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50-2011)，规定，实际伸长值与理论伸长值的差值应控制在6%以内，否则应暂停张拉，待查明原因并采取措施予以调整后，方可继续张拉。

在建设工程实践中，经常会遇到预应力筋张拉后伸长值偏大或偏小的情况，此时，我们一定要从理论伸长值的数据复核、预应力筋的各项技术指标检测、千斤顶的校核、油压表的精度测试、张拉机具是否按规程进行操作以及施工工艺是否符合规范要求等多方面进行详细分析，以便找到伸长值异常的原因。

下面笔者将结合工程实例，分析预应力筋伸长值异常时的处理过程。

4 工程实例分析

4.1 工程概况

某高速公路红砬垭大桥，全桥总长126 m(K12+102-K12+228)，桥跨设计为6-20 m预应力混凝土连续箱梁，全桥一联。桥梁分为左右两幅，左幅桥面宽为整体式路基的单幅标准宽12 m，右幅桥面宽为变宽设置。箱梁纵向预应力束按照两次张拉方式设计，先施工3、4跨，两端同时对称张拉，第1、2跨及第5、6跨采用单端张拉，采用连接器与第3、4跨钢束连接。预应力筋采用15.2钢绞线，抗拉标准强度fpk=1 860 MPa，张拉控制应力σcon=0.75fpk=1 395 MPa。每19根钢绞线组成一束，左幅共计9束，右幅共计12束。

在张拉时，因左幅5～6跨出现问题，现将左幅有关图纸附上(图1、图2)。

图1 红砬垭大桥预应力钢束总布置(5、6跨左幅)

图2 红砬垭大桥预应力竖弯大样(5～6跨左幅)

4.2 红砬垭大桥左幅5～6跨理论伸长值计算

根据设计资料及钢绞线力学性能检测报告，其每根钢绞线截面面积A=139 mm2，每束面积为：AP=19×139=2 641 mm2；弹性模量实测为EP=196 444 MPa，张拉端张拉力P=1395×139×19=3 684 195 N；根据表1所规定，K取值0.0015，μ取值0.20。张拉时工作长度，包含千斤顶、工具锚、工作锚、限位板，共计90 cm。依据图1、图2的钢束布布置形式，可将N1b钢束分为16段(含工作段，下同)、N2b钢束分为14段、N3b钢束分为14段。根据式(1)～式(3)以及钢绞线分段计算的规则，可以分别计算出N1b、N2b、N3b的理论伸长值。计算结果为N1b的理论伸长量为250.31 mm ,N2b的理论伸长量为249.51 mm，N3b的理论伸长量为254.69 mm。

4.3 红砬垭大桥张拉程序及发现的问题

4.3.1 张拉程序

预应力张拉前对锚具、千斤顶、压力表、高压油泵等机具均送有资质的检测单位进行了配套校验，编号后配套使用。根据设计文件要求，现浇箱梁混凝土强度达到设计强度标准的100 %时，方准进行张拉。因该桥钢绞线较长，其理论伸长量已超出千斤顶活塞的行程，故张拉程序定为：0→初应力(15 %)→2倍初应力(30 %)→50 %бcon回顶；然后50%бcon→100%бcon(持荷2分钟)→锚固。张拉时先中腹板，再边腹板，对称张拉。

其张拉力与油压表对应读数见表2、表3。

表2 千斤顶张拉力与油压表对应数值表一

表3 千斤顶张拉力与油压表对应数值表二

4.3.2 张拉中发现的问题

红砬垭大桥5～6跨左幅箱梁施工时，钢束通过连接器与3～4跨钢束相连。梁体现浇后，按规范养生，在梁体强度达到100%设计强度时进行了单端张拉。按设计文件要求，先张拉中腹板N1b钢束，在张拉过程中出现如下异常情况：

(1)油压表指针走动不均匀，或停滞不前，或突然跳动，上下摇摆剧烈，无法稳定。

(2)张拉过程中，钢绞线发出异常的响声。

(3)达到50%控制应力时，千斤顶活塞伸出量较小，行程足够，没必要进行回顶进行二次张拉。

(4)实测其最终伸长值为183 mm，而N1b钢束理论伸长值为250.31 mm，伸长率误差值达到-26.9%，远超±6%的规范要求。

(5)卸掉千斤顶后，发现外露钢绞线束划痕明显，划痕连续，深浅不一。

4.4 伸长值不足的情况分析与应对措施

发生上述情况后，按规范要求，暂停张拉，查找原因。

4.4.1 金属波纹管是否破裂

考虑是否金属波纹管在浇筑混凝土时破裂，或是波纹管接头未处理好而发生断开，导致水泥浆从裂口渗入，致使预应力钢束被水泥浆包裹凝固，致使伸长量不足。据调查，左幅金属波纹管在施工过程中，但凡有接头地方均采用防水封闭胶带缠绕三层，缠绕长度为30 cm，能有效的防止波纹管从接头处断开。为了验证管道是否从其他地方破裂，遂用空压机从张拉端口用强风吹入，然后在远端连接器处的预留压浆通气孔处验证，左幅九个孔道内均有强风吹出，故排除波纹管破裂导致钢束被水泥浆包裹凝结住的可能。

4.4.2 油压表、千斤顶是否损坏

考虑油压表、千斤顶在施工现场是否有碰撞、跌落的情况，导致指针读数不准，从而导致张拉结果异常。随即再次送检，检测结果表明油压表、千斤顶同原来检测结果有很细微的差别，故排除了这方面的原因。

4.4.3 钢纹线是否合格

考虑钢绞线的力学性能不稳定，随即对钢绞线取样送有资质的单位检测。最后结果表明该批钢绞线的力学性能仍然是符合规范要求的，随即排除了钢绞线不合格的原因。

4.4.4 施工工艺是否正确

排除了上述原因之后，转而从施工工艺方面找原因。故从安装工作锚、限位板、千斤顶、工具锚等各个环节，逐一复核施工工艺是否有不符合规范的地方。在操作人员还原张拉机具的安装过程中，发现设计图纸要求预留张拉端槽口宽度为40 cm，深20 cm，而YDC5000型千斤顶直径为56 cm，在安装了工作锚及工作夹片之后，限位板及千斤顶根本不能就位。操作人员因为不了解限位板的作用，技术人员也忽略安装过程的监控，遇到此种情况后，操作人员在安装了工作锚及工作夹片后，私自在其上加了两个工作锚锚环人为垫长，超过了张拉端预留槽口深度后，才使限位板及千斤顶安装就位。

发现了这种安装方式后，才算找到了伸长值不足的真正原因，而在张拉过程中出现的种种异常情况也得到了合理的解释。上文提到，限位板的作用是在张拉时使工作夹片向后伸出至限位板凹槽底部，使钢束失去约束，而能自由伸长。但操作人员因预留槽口狭窄，而用工作锚锚环垫长，此时，工作夹片被锚环顶紧，不能向后伸出，导致钢绞线不能自由伸长，故在千斤顶的强大力量张拉时，导致应力传输受阻，在力量足够大时，工作夹片会划破钢绞线而致钢铰线突然伸长，故会在张拉过程中出现异响、油压表指针上下摆动、钢绞线上会留下深浅不一的划痕等现象，最终导致实际伸长量与理论伸长量相差较大。

4.4.5 应对措施

应对措施是将张拉端槽口每边开凿加宽10 cm，总宽度达到60 cm，然后使限位板、千斤顶正常就位。随后按要求进行张拉，其结果显示，伸长值满足了±6%的规范要求，使红砬垭大桥左幅5～6跨箱梁的施工顺利完成。表4为其中三个孔的张拉伸长值记录。