预应力技术施工中若干关键问题的探讨

2018-09-06冯大阔孙兵权

建筑施工 2018年1期

张伟冯大阔孙兵权

中国建筑第七工程局有限公司河南郑州 450004

1 研究背景

充分利用高强钢材和高强混凝土是节约建筑材料的重要手段，预应力技术作为实现材料有效利用的重要途径而被我国建筑业发展“十三五”规划和十项新技术作为重点推广的项目。随着预应力技术的发展，预应力结构已逐渐应用于型钢-混凝土组合结构、空间钢结构、高耸构筑物、压力容器等中，同时其应用机理已不局限于节约材料、控制构件开裂和变形，预应力作为调整结构受力分布和不利因素的主控技术手段，已被应用于加固结构、控制结构变形以及连接结构[1-3]。

随着预应力技术在更多领域的广泛应用，其受自身施工工艺和施工设备限制出现了诸多较为共性的质量问题，本文从预应力技术张拉工序中有效预应力施加的实际值与设计值偏差较大，预应力灌浆施工工序中灌浆料水灰比配料不准确、注浆不密实，预应力摩擦阻力损失值选取不准确，施加预应力产生的反向变形影响地面工程、装饰装修工程施工质量等4个方面进行深入的分析和探讨，以期为今后预应力施工提供借鉴和参考。

2 张拉工序智能化控制

2.1 张拉工序智能化控制的必要性

预应力张拉是预应力施工技术的关键环节，对预应力系统质量起到决定作用。传统施工方法中受人工操作和监测手段的限制，难以保证张拉力值的准确性、同步性、对称性、停顿时间及进油速度，造成有效预应力施加的实际值与设计值存在较大偏差，致使施工质量水平不满足规范要求，影响预应力结构的安全性和耐久性。

2.2 预应力张拉智能化系统的工作原理和施工工艺

预应力张拉智能化系统包括计算机、油泵、千斤顶及传感器系统，综合利用了计算机技术、传感技术、信息技术及控制技术（图1）。计算机设计安装有控制软件，对初始张拉应力值、终端张拉应力值、伸长量、加载速度、稳压时间、超张拉比例等控制参数进行计算、设计及输入。传感器系统设计有位移传感器和压力传感器，位移传感器实测千斤顶伸长值，将位移值数字转换为信号传送给计算机张拉控制系统，高精度传感器安装在千斤顶端部，压力传感器安装在千斤顶的进油端和回油端，两者的差值为千斤顶张拉力。

图1 智能张拉系统控制原理

计算机主机通过采集、接收位移传感器和压力传感器数据信号，并将数据与设置的参数进行对比分析，误差值与限值偏差较小时，控制系统将自动调节变频电机的工作参数，实现实时高精度调控油泵电机的转速、张拉力、加载速度；误差值与限值偏差过大时，控制系统将产生报警信号并停止工作，直至检查维修完成后方进行工作（图2、图3）。

图2 张拉智能系统主机

图3 预应力智能化张拉仪控制屏

计算机控制系统自动保存并生成了施工全过程的应力和位移曲线，通过信息平台实现数据共享，项目业主、监理、监控及施工单位各方都可远程对施工质量进行在线监督和管控，张拉数据自动存储节省了人工的测量和记录数据工作，提高了工作效率，确保了数据的真实性、可靠性。

3 灌浆工序智能化控制

3.1 灌浆工序智能化必要性

预应力张拉后管道注浆密实度决定了预应力结构的耐久性能，注浆不密实，空气和水在波纹管内易造成钢绞线锈蚀，致使预应力损失较大，外部荷载加速钢绞线锈蚀，造成了钢绞线断裂隐患，注浆情况成为决定预应力结构的重要因素。但现阶段预应力灌浆设备较为落后，其质量主要取决于施工人员的操作经验和责任心，施工随意性大、质量可靠性差，灌浆料水灰比、注浆密实度无法得到保证。

3.2 预应力结构智能化灌浆系统工作原理和施工工艺

预应力管道灌浆智能化技术通过融入电子计算机技术、自动化控制技术、信息传输技术，将灌浆料的制作、储存、压浆进行集成，计算机控制系统计算并监控灌浆料的水灰比、灌浆持续时间和稳压时间，智能化控制灌浆各阶段施工质量，具体由计算机控制系统、材料配比控制仪、进浆监控设备、出浆监控设备组成（图4、图5）。

图4 预应力结构智能化灌浆工作系统

计算机控制系统针对注浆压力、压浆速度、稳压时间进行参数设计，采用真空压浆技术进行预应力孔道灌浆，水灰比可计量精度为0.5%，流动度可精确至10～15 s。依照设定的水灰比搅拌注浆，进浆监控设备连接到注浆孔，出浆监控设备连接到出浆孔，开启注浆设备，控制系统将自动采集进浆端和出浆端的压浆速度和压力，当灌浆压力达到压力参数设计值时进行保压，保压时间符合保压设定要求时，关闭注浆泵并对数据进行保存。该技术具有注浆数据自动化记录、灌浆压力异常自动报警、注浆全过程远程监控的特点，实现了预应力灌浆的智能化控制，确保了预应力张拉后注浆工序的施工质量。

图5 预应力结构智能化灌浆机

4 摩擦损失最小二乘法准确测定

4.1 摩擦损失准确测定的必要性

在建筑结构和桥梁结构预应力的设计和施工中，有效预应力的准确计算极为重要，其数值为应力控制值扣除预应力损失值，其准确性程度主要取决于预应力损失值的选取，其中摩擦阻力损失所占比例最大。

预应力摩阻损失主要有预应力线性直线段孔道施工偏差引起的摩阻力和曲线段张拉产生的径向压力引起的摩擦力。对于不同的工程项目、施工单位、施工队伍，产生的摩擦阻力损失的差别较大。从计算公式（1）中可以看出，数值大小主要取决于孔道摩阻系数μ和孔道偏差系数k这2个参数。

σcon——预应力钢绞线张拉控制应力，MPa；

k——孔道偏差系数；

μ——孔道摩阻系数；

x——张拉端到计算截面的距离，mm；

θ——张拉端到计算截面曲线孔道部分切线夹角，rad。

4.2 现场试验测定的具体方法

对于张拉端的预应力张拉控制值Fcon，锚固端的预应力控制拉力F，则有预应力束损失Fs=Fcon－F=Fcon[1－e－(kx＋μθ)]，其中F=Fcone－(kx＋μθ)。对上式选取对数，令C=－ln(1－Fs /Fcon)，则有kx＋μθ=－ln(1－Fs /Fcon)，kx＋μθ=C，从该式可以看出，xi、θi分别表示每道预应力孔道构件的长度及管道弯折角度，k、μ为未知待定参数。首先选取若干预应力束形有代表性的构件做试验，通过数理统计方法确定k、μ的数值，即可以考虑利用最小二乘法来确定经验公式kx＋μθ=C。

在构件两段安装标定好的应力监测锚环，安放千斤顶并将构件两端均初张拉10%σcon，选取其中一端张拉至40%σcon后锁定，另外一端分别张拉至40%σcon、60%σcon、80%σcon、100%σcon，测定两端的预应力数值，卸载并交换两端位置后重复上述过程（图6）。

图6 预应力摩阻试验测试布置

5 预应力引起反向变形值确定方法

结构设计规范和工程建设标准主要针对预应力混凝土梁的总变形量af,lim进行限值约束，即标准组合并考虑荷载长期作用影响的挠度af,max减去2倍张拉预应力筋引起的弹性反拱值2fp不超过规定限值af,lim，在结构施工中通常存在af,max－2fp≤af,lim满足规范要求，但fp、af,max数值均较大这种情况，预应力混凝土受弯构件的反向变形值较大将影响地面平整度，给装饰装修工程带来不便，因此需要对反向变形fp进行合理的控制。

在计算预应力构件的预应力张拉引起的挠度变形fp时，应将施加在构件上的有效预应力值进行等效荷载简化，等效荷载的简化计算与等值、非等值构件截面尺寸、混凝土形心线与预应力筋线形共线、平行、相交有关。

预应力筋线形与混凝土形心线共线时，有效预应力可等效为端部集中荷载；预应力筋线形与混凝土形心线平行时，等效荷载为端部集中荷载和弯矩；预应力筋线形与混凝土形心线相交时，可等效为端部轴力和剪力；预应力筋线形为曲线过混凝土形心时，荷载等效为端部集中力和均布荷载；预应力筋线形为直线、曲线复合形式时，应分段对应荷载等效。预应力构件为等值尺寸截面时，刚度可直接取为EcI（Ec为混凝土弹性模量，I为截面惯性矩）；非等值尺寸截面时，刚度为0.85b[ha＋x(hb－ha)/l]3/12（b为构件截面宽，l为构件长度，hb为构件短边中较长边长尺寸，ha为构件短边中较短边长尺寸，x为计算点到端部距离，yb为构件长边距中心轴偏心距，ya为构件短边距中心轴偏心矩）。

分别绘制预应力等效荷载作用下的端部集中荷载、集中弯矩、剪力、均布荷载及单位力作用下在端部形成的弯矩图，将等效荷载形成的弯矩图和单位力作用形成的弯矩图进行图乘，依据截面形式选取构件刚度，即可求出预应力作用下引起的挠度Δs1（集中荷载引起的挠度值）、Δs2（集中弯矩引起的挠度值）、Δs3（剪应力引起的挠度值）、Δs4（均布荷载引起的挠度值），并结合实际情况将上述挠度变化值进行叠加，即可求得短期荷载引起的端部预应力反拱值，其数值的2倍即为长期荷载引起的端部预应力反拱值。

采用弯矩图乘积分法计算预应力引起的挠度变形值，避免了数值模拟、软件计算较大的建模工作量，提高工程技术人员的工作效率，直接积分计算结果更为精确，不仅可以作为设计阶段设计人员对预应力构件总变形量的设计依据，而且可作为施工阶段工程技术人员对模板起拱度控制的依据[4-5]。