反拉法锚下有效预应力检测方法研究

2016-12-12夏静袁建伟

公路与汽运 2016年6期

关键词：夹片钢绞线拉力

夏静，袁建伟

（长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004）

反拉法锚下有效预应力检测方法研究

夏静，袁建伟

（长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004）

以反拉法作为预应力检测方法，阐明了反拉法检测钢绞线锚下预应力的工作机理，通过单根钢绞线的张拉荷载与钢绞线伸长量的力-位移曲线的拐点获得锚下预应力值，并运用锚下预应力检测系统实现对张拉过程中数据的采集，绘制力-位移曲线，分析了现场实测曲线与理想曲线差异的产生原因；提出利用最小二乘法将实测曲线中第二、第四阶段曲线进行线性回归，取这两阶段直线的交点作为拐点的分析方法，现场试验结果表明，运用该方法分析出拐点来判断钢绞线的锚下预应力，检测误差在4%以内，满足工程检测误差要求，可运用于实际工程中。

桥梁；预应力；锚下预应力检测；反拉法；最小二乘法

预应力钢绞线张拉质量是桥梁安全运营的重要保障，如锚下预应力过大，将导致梁体过大变形；如锚下预应力过小，易导致梁体下挠、垮塌，危及工程安全。大量在役桥梁调查和检测结果表明，相当部分的桥梁质量隐患来源于预应力张拉施工的质量控制不力。因此，对预应力构件进行锚下预应力检测非常必要。

鉴于反拉法原理简单可靠，且相对于别的检测方法容易实施，目前工程中大多采用反拉法实现锚下有效预应力检测。该文以反拉法作为检测方法，以单根钢绞线的实测力-位移曲线的第二、第四阶段曲线的交点作为拐点进行锚下预应力检测。

1 锚下预应力检测原理

1.1 反拉法检测原理及理想曲线分析

反拉法又称拉脱法，主要是通过对未进行管道灌浆的预应力钢绞线进行二次张拉来确定钢绞线的锚下有效预应力值。检测过程中，钢绞线可视为弹性体。在受力拉伸过程中，可通过分析施加的反拉荷载与钢绞线拉伸量的关系（即力-位移曲线）判断锚下有效预应力值。

钢绞线张拉后，夹片夹持钢绞线，取夹片与钢绞线的一段进行受力分析（如图1所示）。

图1 钢绞线在夹片处的受力示意图

如图1所示，夹片夹持钢绞线，锚具固定夹片，夹片承受锚具传递的水平方向的力F2，夹片与钢绞线的受力平衡关系式为：

式中：F0为钢绞线的锚下有效预应力；F1为千斤顶施加的反向张拉力；F2为锚具对夹片的水平反力。

如图2所示，理想状态下，反拉法检测锚下有效预应力的曲线分为2个阶段。

图2 理想的力-位移曲线

第一阶段：施加反拉力时，钢绞线外露段受力拉伸，钢绞线视为弹性体，其材料应力应变特性满足：

式中：ΔL 为外露段L 对应的伸长量；L 为外露段钢绞线工具锚与千斤顶工作锚之间的长度；E为钢绞线的弹性模量；A为钢绞线的截面面积。

式（2）、式（3）中，E、A、L恒定不变，故F1／ΔL可视为恒定值，其值为力-位移曲线中OA段的斜率，在反拉力F1持续增加时，F2不断减小。

第二阶段：当反向拉力F1持续增加至与钢绞线的锚下预应力F0相等时，夹片被拉脱，内外钢绞线同时受力。此时，由式（3）可知F1／ΔL的值变小，但还是恒定值，故力-位移曲线的斜率发生突变，如图

2中AB段。此时，拐点A所对应的反拉荷载即为钢绞线的锚下有效预应力值。

1.2 实测曲线分析

在实际情况下，由于张拉过程中锚具会发生变形，使夹片楔卡在锚具中，锚具与夹片往往存在作用力Ff。此时，取夹片处的钢绞线进行力的平衡分析（如图3所示）。

图3 实际情况下钢绞线在夹片处的受力示意图

对外露段钢绞线施加反拉力，当反拉力F1与钢绞线的锚下预应力F0相等时，夹片并不会被拉脱，还需继续施加反拉力。如图3所示，当反拉力F1= F0+Ff时夹片才会被拉脱，力-位移曲线大致分为4个阶段（如图4所示）。

图4 实际情况下力-位移曲线

第一阶段：各仪器设备间存在空隙，空隙被压实紧密的过程中反拉力较小，但伸长量有较大变化，此时曲线图中表现的伸长量并非钢绞线的实际伸长量，其中包含被压紧的设备间的空隙。该过程中曲线斜率较小，且逐渐变大，即图4中OA段。

第二阶段：随着反拉的进行，设备间的空隙被压实，外露段钢绞线受力并发生弹性伸长，力-位移曲线的斜率为F1／ΔL=EA／L，其值不变。因此，图4中AB段表现为稳定不变。

第三阶段：随着反拉力持续增加，当F1=F0+ Ff时夹片与锚具脱空，夹片与锚具间的作用力Ff瞬间消失，钢绞线内力重新调整，即图4中BC段。

第四阶段：钢绞线内力重新调整完成后，钢绞线外露段与自由段共同受力。此时，力-位移曲线的斜率F1／ΔL=EA／L1（L1为钢绞线外露段与自由段的总长度），曲线的斜率发生突变，即图4中CD段。

1.3 理想曲线与实际曲线对比分析

实际情况与理想状态下的力-位移曲线存在一定差异，主要是因为实际情况下考虑了锚具法向变形后锚具与夹片之间的作用力。在施加反拉力的过程中，反拉力必须克服锚具与夹片间的作用力才能将夹片拉脱。因此，实际情况下力-位移曲线会出现图4所示BC段曲线。而在理想状态下，从力-位移曲线可知锚下有效预应力的值为曲线中的拐点，即两阶段直线的交点。

2 锚下预应力检测系统现场试验与分析

根据理想与实际情况下力-位移曲线产生差异的原因，拟按理想状态下的取值方法来分析实际情况下的力-位移曲线，即取实测力-位移曲线中第二、第四阶段直线的交点作为实际情况下钢绞线锚下有效预应力值。下面通过对从莞（从化—东莞）高速公路某预制梁场预制梁的现场试验检验该方法的准确性。考虑到实际检测过程中数据采集会受到现场环境、仪器设备等因素的影响，实测力-位移曲线中第二、第四阶段曲线上所有的点往往不在一条直线上，利用最小二乘法将这两阶段曲线进行线性回归，取两直线的交点作为钢绞线锚下有效预应力值。

2.1 试验模型

试验对象为预制小箱梁，小箱梁采用C50砼一次浇筑，长25 m，已经过28 d标准养护。预应力钢绞线未进行张拉，预应力孔道未压浆。预应力钢绞线的标准抗拉强度为1 860 MPa，直径为15.2 mm，公称面积为140 mm2，弹性模量为1.95×105MPa，共7股。小箱梁如图5所示。

图5 试验小箱梁示意图

2.2 试验过程

在进行反拉测试前，如图6所示，先将被检钢绞线的一端锚固，将穿心式压力传感器置于工作锚与工具锚之间，在钢绞线的另外一端进行反向张拉，将钢绞线张拉到一定值，待压力传感器的读数稳定后，记录此时穿心式压力传感器的读数，之后千斤顶对钢绞线进行二次张拉。反拉过程结束后，利用最小二乘法线性回归实测力-位移曲线的第二、第四阶

段曲线，以两线交点作为拐点判断钢绞线的锚下预应力，并将该分析结果与压力传感器的读数进行对比，分析上述锚下有效预应力检测方法的准确性。

图6 试验装置安装简图

2.3 试验结果及分析

在进行反拉检测试验过程中，千斤顶支撑在工具锚上，反力由梁体提供，由于砼弹性模量较大，试验过程中不考虑砼回弹引起的误差。反拉检测过程中系统所测伸长量即为外露段钢绞线的伸长量。

进行数据采集前，对外露段钢绞线进行预拉，将设备间的空隙压紧，这样试验采集的位移量就是外露段钢绞线的实际伸长量。对单根钢绞线进行试验的实测力-位移曲线如图7所示。

图7 试验实测曲线

图7 中除第一阶段表现不明显外，其他阶段与图4中的情况基本一致。另外，在进行现场试验时，夹片被拉脱后，由于有管道摩阻，自由段共同受力的有效钢绞线长度并不是自由段钢绞线的全部长度，而是在逐渐克服管道摩阻过程中自由段受力的有效钢绞线长度慢慢转换成内外全部钢绞线共同受力。因此，在图7中夹片被拉脱后的曲线斜率逐渐减小，当内外全部钢绞线共同受力时，曲线斜率才稳定不变。在运用最小二乘法对图7中第四阶段曲线进行线性回归时，要从B点之后所采集到的点进行线性回归，这样才能保证现场试验结果的准确性。

限于篇幅，仅列出5组数据（验证试验时，预应力管道为每孔5束）进行比较，结果如表1所示。从中可见，两者之间的误差在4%以内，满足工程检测误差要求，说明上述检测方法可行。