基于“等效质量”原理的钢绞线有效张力测试结果分析

（安徽省水利水电勘测设计院 合肥 230088）

预应力钢筋混凝土锚下破坏是交通、市政、水利行业较为常见的一种质量缺陷，其原因大致可归结于预制混凝土龄期未到进行张拉、预制构件内局部抗压钢筋网片设置不足、金属锚垫板质量良莠不齐、张拉应力加载不当等原因。遭遇局部锚下破坏即对预制构件作废件处理必然导致工程投资损失，显然不够科学；但不予理会直接当作正常构件架设承载难免会为工程运行带来安全隐患。基于“等效质量”原理的有效张力测试法，有效解决了该技术问题，在预制构件锚下破坏后，即便已进行波纹管孔道压浆和端头封锚的近成品构件，仍可采用该手段对钢绞线有效张力进行无损检测，为工程建设各方决策缺陷构件能否正常使用提供依据，可供类似工程借鉴。

1 工程概况

1.1 原工程概况

安徽省淠史杭灌区是全国三座特大型灌区之一，实际灌溉面积位居全国第二，本文所述新建渡槽（下称新渡槽）即为淠史杭灌区一座跨天然河道输水建筑物，控制灌溉面积86.6万亩，原设计流量50.5m3/s，老渡槽建成于1968年9月，至今已运行45年。2013年5月19日，安徽省水利厅主持召开鉴定会，鉴定该渡槽为四类建筑物，拟进行拆除重建。

1.2 新渡槽结构布置

新建渡槽采用原规模移址重建。新渡槽上部荷载主要由梁底纵梁承担，槽身侧墙和底板主要起挡水作用。由11跨渡槽和2跨交通孔组成，标准跨30m，交通孔净宽5m，渡槽总长342.4m。渡槽下部多纵梁由5根预应力T型混凝土梁组成，纵梁高2.5m，间距2.1m，横隔梁间距5m，上部槽身净宽9.0m，高3.6m，槽身底板厚0.25m，侧墙底部厚0.4m，顶部厚0.25m，槽顶设置内外悬1.9m宽的人行道，进、出口侧现浇人行栈桥连通渡槽两侧人行道，板厚0.3m。多纵梁渡槽槽墩采用墩柱式结构，设3根直径1.4m的墩柱，柱顶盖梁尺寸为1.8m×1.2m（宽×高），基础采用钢筋混

预制T梁、现浇横隔梁钢筋混凝土强度等级采用C50。压应力区N1、N2采用5根预应力钢绞线，拉应力区七束采用7根预应力钢绞线；钢束采用标准GB/T 5224-2003s15.2mm高强低松弛钢绞线，其抗拉标准强度fpk=1860MPa，张拉控制应力σcon=0.75fpk=1395MPa。预应力钢筋：弹性模量Ep=1.95×105MPa，松弛率ρ=0.035，松弛系数ζ=0.3；锚具：锚具变形、钢筋回缩按6mm（一端）计算，金属波纹管摩阻系数μ=0.25，偏差系数κ=0.0015。预制梁混凝土立方体强度达到混凝土强度设计等级的90%且龄期不少于14d，方可张拉预应力钢束。

张拉顺序：100%N3→100%N4→50%N8→50%N7→50%N9凝土扩大基础，基础尺寸9.8 m×3.2 m（长×高）。进水侧槽台由交通孔连接，出水侧槽台采用重力式U型混凝土结构。新渡槽横截面见图1。

1.3 预制构件钢绞线布置

图1 新渡槽横截面图

→50%N1→50%N2→100%N5→100%N6→100%N1→100%N2→100%N8→100%N7→100%N9。钢束张拉时采用无顶压夹片式锚具两端对称、均匀张拉，采用张拉力和张拉量双控。

工程实施第一片T梁预应力张拉过程中，在底部边束N9张拉至大约90%设计张拉力时，发生了锚下锚垫板爆裂、混凝土边墙劈裂现象，锚具直接顶在了梁端钢筋网片上。次日，施工单位自行补张至设计张拉力，并进行压浆充填。收悉上述情况后，设计人员立即赴现场进行查看，在无其他补救措施的条件下，提出对该梁实际锚下有效张力进行检测，为后期判断该梁能否继续使用提供数据依据。

2 有效张力测试

2.1 原理介绍

对于已经张拉且进行压浆充填后的预应力钢绞线，埋入锚索与空悬锚索的边界条件有很大的不同，埋入式锚索无法对内部锚索激发自由振动，只能通过对锚头或露出锚索激振。因此，单纯依靠频率的测试方法有非常大的缺陷，严重影响了测试范围和测试精度。

为此，将锚头、垫板等简化为如下的模型。即将锚头与垫板、垫板与后面的混凝土或岩体的接触面模型化成的弹簧支撑体系。

该弹簧体系的刚性K与张力（有效预应力）有关，当然张力越大，K也越大。另一方面，在锚头激振诱发的系统基础自振频率 可以简化表示为：

在式（1）中，如果M为一常值，那么根据测试的基频f即可较容易地测出张力。然而，通过实验发现，埋入式锚索在锚头激振时，其诱发的振动体系并非固定不变，而是会随着锚固力的变化而变化。锚固力越大，参与自由振动的质量也就越大。在此基础上，提出了基于“等效质量”原理的有效张力测试理论和测试方法。利用激振锤（力锤）敲击锚头，并通过粘贴在锚头上的传感器拾取锚头的振动响应，从而能够快速、简单地测试锚索（杆）的现有张力。

2.2 有效张力判定标准

《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）中第7.12.2条中规定：张拉锚固后，预应力筋在锚下的有效预应力应符合设计张拉控制应力，两者的相对偏差应不超过±5%，且同一断面中的预应力束其有效预应力的不均匀度应不超过 ±2%。

设计张拉的锚下有效预应力值按以下方法进行推算：锚下有效预应力标准值≈设计张拉控制应力值-锚口摩擦损失应力值-预应力筋回缩损失应力值。

（1）锚具的锚口摩擦损失应力值取2.5%（取国家建筑工程质量监督检验中心测试OVM.M15-12锚具锚口摩阻损失为1.7%～2.5%的上限）。

（2）预应力筋回缩损失（即限位板预留自由空间张拉后回缩损失）应力值取4.94%（取国家建筑工程质量监督检验中心测试OVM.M15-12锚具回缩量为5.1～5.3mm 的上限 5.3mm）。

因此，对于长度30mT型预应力梁，7束钢绞线计张拉的锚下有效预应力经验值为1246kN。

2.3 有效张力测试结果

2016年1月4日，四川升拓检测技术股份有限公司派员赴工程施工现场对该梁进行了锚下应力检测，测试结果见表1。

3 分析计算

3.1 对比分析计算

后张法应力损失主要包括：张拉端锚具变形和预应力钢筋内缩引起的预应力损失值sl1，预应力筋与孔道壁摩擦引起的预应力损失sl2，应力松弛引起的预应力损失sl4，收缩和徐变引起的预应力损失sl5，螺旋式预应力筋挤压混凝土引起的预应力损失sl6。

鉴于理正结构计算软件无法对单束或单排设计张拉控制力进行调整，故无法通过结构计算复核经检测的实际应力能否满足承载要求。但结构计算过程中已经对各排钢绞线应力损失加以计算，据此推算张拉后各排钢绞线参与承载的理论应力值，见表2。

通过上述计算可以得出结论，N7、N8、N9位于第三排，实际锚下应力达到上表计算的1149.72kN即可满足构件承载要求，实测N7、N8、N9三束钢绞线锚下应力如表2所示分别为1146kN、1218kN和1179kN；均值为1188kN，基本可以满足承载要求。

但《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）中第7.12.2条中规定：张拉锚固后，预应力筋在锚下的有效预应力应符合设计张拉控制应力，两者的相对偏差应不超过±5%，且同一断面中的预应力束其有效预应力的不均匀度应不超过 ±2%。故该梁不能满足规范要求。

表1 锚下预应力检测结果一览表

表2 结构计算阶段理论锚下应力计算表

3.2 该梁处理意见

根据有效张力测试和对比分析计算成果，设计单位提出该梁处理的结论和建议如下：

（1）对比结构计算阶段应力损失值，接受检测的T梁底部三束预应力钢绞线平均实测应力能够满足后期承载要求，但不满足规范对同一断面钢绞线有效应力均匀度的要求。

（2）建议将该片T梁纳入静载试验范畴，将根据其实际承载能力再确定后期使用情况。

4 结语

该工程通过基于“等效质量”原理的有效张力测试方法对锚下破坏的预制T梁预应力钢绞线有效张力进行了无损检测，通过对比检测成果和结构计算阶段理论有效张力成果，得出了锚下破坏的钢绞线有效张力基本能满足承载要求，为该片梁保留使用提供了数据依据。但值得指出，《公路桥涵施工技术规范》规定的同一断面中的预应力束有效预应力的不均匀度要求不容忽视，故该工程继续提出了对该缺陷梁进行静载试验验证其承载能力。

对于同一断面中的预应力束有效预应力的不均匀度满足规范要求的工程实例，基于“等效质量”原理的有效张力测试成果即可直观明了地反应预制构件承载能力，值得类似工程借鉴