预应力钢绞线张拉程序及影响因素分析

2019-05-15王沙

石家庄铁路职业技术学院学报 2019年1期

王沙

（中铁十八局集团第三工程有限公司河北涿州 072750）

1 预应力钢绞线张拉概述

预应力施工方法一般包括先张法和后张法两种方法。然而由于先张法的预应力筋一般多是直线，可以在无管道摩擦的理想状态下看作后张法的一种特例，所以土木工程测量中所应用的预应力施工方法多是后张法预应力钢绞线张拉程序计算方法。

在当今的土木工程领域，预应力混凝土结构是应用最为广泛的一种建筑结构，预应力施工技术作为土木工程施工技术的重要组成部分，在很大程度上决定着预应力混凝土结构的质量及其可靠性。而在预应力混凝土结构中，预应力的大小作为其中最重要的一项技术指标，要时刻控制好张拉完成的应力，而在当前的土木工程领域中张拉应力的控制多采用的是后张法预应力钢绞线张拉程序。而后张法预应力钢绞线张拉程序为了保证施工质量，在预应力钢绞线的张拉施工中，除了要进行预应力控制外，还需要对伸长值进行校核，有效控制理论伸长值与实际伸长值之间的误差。

2 预应力钢绞线张拉程序的计算方法

按照相关的技术规范的规定，预应力钢绞线张拉程序的计算主要包括预应力钢绞线有效长度的计算、预应力钢绞线理论伸长值以及实测伸长值的计算，然后对理论与实测伸长值的计算结果进行校核后，采取有效措施，缩小二者之间的误差来达到预应力控制的目的。

2.1 预应力钢绞线有效长度的计算

由于预应力钢绞线在梁的长度方向的分布是立体的，而在梁的高度以及梁的宽度方向的分布是有弯折现象的，而且对于直线段与曲线段组成的曲线预应力筋要分开计算。其中预应力钢绞线有效长度的计算需注意以下两点：

第一，由于工具锚与工作锚之间的这一段的预应力钢绞线同样有受力伸长，所以钢绞线的有效计算长度必须加上这一段，然而由于不同厂家的千斤顶长度与锚具厚度是有差异的，因此这一段预应力钢绞线的有效长度还需要进行现场量测。

第二，由于预应力钢绞线在垂直面和水平面的投影中存在曲线，所以应利用微积分的数学方法，将曲线段划分为无数个投影为直线的小线段，通过计算每一小段预应力钢绞线的长度后，再积分计算出这一曲线段的预应力钢绞线的有效长度。

2.2 预应力钢绞线理论伸长值的计算

预应力钢绞线理论伸长值的计算可根据《建筑施工手册》的相关理论计算公式进行计算，假定预应力钢绞线的伸长值为ΔL，其计算公式如下：

式中，Pj为各分段预应力钢绞线的张拉力；LT为预应力钢绞线的分段长度；Ap为预应力钢绞线的截面面积；Es为预应力钢绞线的弹性模量；θ为截面曲线孔道部分切线的夹角之和；x为截面的孔道长度；k为管道的摩擦系数；μ为预应力钢绞线与管道壁之间的摩擦系数。需要注意的是，钢绞线的弹性模量Es对张拉伸长值的影响比较大，弹性模量Es取值的正确与否，对计算预应力钢绞线的理论伸长值的影响比较大。另外根据《建筑施工手册》的相关说明，应力钢绞线的伸长值为ΔL可近似计算为：

公式（2）可以变换为

这样在进行分段计算时，就可以把靠近第一段张拉端的终点力视为第二段的起点力，每段的终点力与起点力的关系如式（4）所示：

式中，Pz为分段终点力；Pj为分段的起点力。其他各段的起点力和终点力可以按上述公式逐步的进行计算。

2.3 预应力钢绞线实测伸长值的计算

在钢绞线预应力张拉时，钢绞线的外露部分，大部分被锚具和千斤顶所包裹，钢绞线的张拉伸长量无法在钢绞线上直接测量，故只能用测量张拉千斤顶的活塞行程，计算钢绞线的张拉伸长值，但同时还应减掉钢绞线张拉全过程的锚塞回缩量。其中预应力钢绞线实测伸长值的计算公式如下：L= L1+L2-b-c。式中，L1为从初始拉力至张拉设计控制拉力间的千斤顶活塞的张拉行程；L2为初始拉力时的推算伸长值；b为工具锚锚塞回缩量；c为工作锚锚塞回缩量。其中，工具锚锚塞回缩量b与工作锚锚塞回缩量c的测量方法如下：

（1）工具锚锚塞回缩量b的测量。在钢绞线开始张拉，当千斤顶张拉力达到钢绞线张拉至初始拉力已把松弛的预应力钢绞线拉紧时，应将千斤顶充分固定，精确量取工具锚锚环外露端面至钢绞线外露端头的长度 b1。当千斤顶张拉力达到钢绞线预应力张拉设计控制拉力时，再量取工具锚锚环外露端面至钢绞线外露端头的长度b2，则b= b1- b2。

（2）工作锚锚塞回缩量c的测量。当预应力钢绞线由很多单根组成时应每根量测，取其平均值，一般至少测量三处，千斤顶限位板凹槽深度已知为C1，工作锚锚塞回缩位移后，将引起钢绞线张拉力的减小，减小量及补偿方法见后述。张拉完毕卸掉千斤顶后，在工作锚处测量工作锚夹片与锚环处的外露长度为C2，则C= C1- C2。

3 预应力钢绞线张拉程序的影响因素分析

（1）摩擦系数的影响。摩擦系数决定了钢表面和管道表面的状态，同时摩擦系数还还对受力钢绞线的受力大小产生影响。

（2）钢绞线尺寸的影响。钢绞线之间的尺寸差会使各单根钢绞线的受力不均匀，受力不均匀将会导致相应钢绞线弹性模量的下降，进而对预应力钢绞线理论伸长值的计算以及预应力钢绞线实测伸长值的计算都会产生影响。

（3）钢绞线偏转角的影响。在设计时偏转角的选取是否合理将直接影响钢绞线的偏转问题。

（4）钢绞线退扭的影响。不同转向的钢绞线连接在一起很有可能导致钢绞线旋转退扭现象的出现，进而影响钢绞线的张拉延伸值。

（5）弹性模量的影响。由于弹性模量的测量比较复杂，测量时所采用的测量设备比较多，测量设备的误差以及测量经验的不足都会对预应力钢绞线理论伸长值的计算以及预应力钢绞线实测伸长值的计算都会产生影响。

（6）钢绞线屈服强度变化的影响。当弯曲应力大于屈服点时就会造成钢绞线屈服强度的变化，钢绞线屈服强度变化势必会对预应力钢绞线理论伸长值的计算以及预应力钢绞线实测伸长值的计算都会产生影响。

（7）钢绞线横截面积的影响。在不同横截面积条件下预应力钢绞线理论伸长值的计算以及预应力钢绞线实测伸长值的计算结果会有所不同。

（8）张拉和测量设备以及千斤顶、压力表或其它测力装置误差的影响。以上设备的测量误差会对预应力钢绞线理论伸长值的计算以及预应力钢绞线实测伸长值的计算结果产生直接影响。

4 工程应用实例

4.1 工程概况

护国河大桥上部结构为预应力混凝土连续刚构梁，跨径布置为90 m +160 m +160 m +90 m，由两个160米T组成对称结构，主桥总长为500 m。主桥箱梁纵向预应力筋采用高强度、低松弛钢绞线，公称直径为φ15.2 mm，标准强度fpK=1 860 MPa，张拉锚下控制应力为σ=0.75fpk=1 395 MPa。管道采用塑料波纹管预埋成孔。

主梁采用三向预应力体系的混凝土结构，设置纵向、横向、竖向预应力。其中纵向、横向预应力、0#块横隔板横向预应力及梁高≥6 m的竖向预应力采用高强度、低松弛钢绞线，纵向预应力采用大吨位群锚体系，横向预应力采用扁锚体系，竖向预应力依梁高不同分别采用预应力钢绞线和精轧螺纹钢筋锚固体系。纵向预应力采用φs15-15、φs15-22、φs15-25钢束，群锚锚固体系，设计张拉吨位分别为292.5 t、429.7 t、488.3 t。

纵向预应力包括顶板束、腹板束、底板束和合龙束。横向预应力采用φs15.2-3钢束，扁锚锚固体系，设计张拉吨位为58.6 t，以100 cm等间距布置。1～85号竖向预应力钢筋采用φ32mm精轧螺纹钢筋，设计张拉吨位为56.8t；86～150号竖向预应力及151号横隔板横向预应力采用φs15.2-4预应力钢绞线，设计张拉吨位为72.8 t。

4.2 纵向预应力钢绞线张拉

纵向预应力筋采用高强度、低松弛钢绞线，标准强度1 860 MPa，弹性模量1.95×105MPa，预应力张拉前对预应力千斤顶及配套设备选择有资质的检验机构进行标定，采取应力和伸长值进行双控。预应力张拉设备包括压力表、张拉千斤顶、高压油管、油泵、工具锚、工作锚、夹片等。

4.2.1 锚具

锚具采用设计规定的15-15，15-13，15-23、15-27型系列锚具。夹片必须附有产品合格证，校对实物检验型号、规格、硬度、质量、外观要求等。在安装锚具、夹片前，在操作锚固范围内，钢绞线表面应用毛刷、精炼油或汽油洗干净，确保锚固质量，夹片内侧齿口及表面也应刷洗干净后，予以安装。

4.2.2 张拉

张拉顺序。本桥所有预应力筋张拉按照左右对称，先顶板束再腹板束后底板束，先长束后短束，先纵后竖的原则进行。采用张拉力及引伸量双控制的方法检查张拉的质量。

张拉程序。张拉程序按规范要求进行，其张拉程序为：0→10%σcon→20%σcon→100%σcon（持荷2 min锚固）。

张拉时，及时填写施工记录且张拉时要检查构件弯曲变形，如发生异常情况必须停止张拉，分析原因，待问题解决后方可继续张拉。施工中应做好各项记录，以备检查。每束钢绞线中钢丝的断丝、滑丝数不超过1丝，每个断面断丝之和不超过该断面钢丝总数的1% 。

4.3 竖向预应力钢筋张拉

竖向预应力筋采用采取同一梁段两端对称张拉的方案，具体操作为：清理锚垫板，在锚垫板上做伸长量的标记点并量取从粗钢筋头至锚垫板标记点之间的竖向距离δ1作为计算伸长量的初始值→安装工作螺帽→安装千斤顶→安装联结器与张拉杆→安装工具螺帽→初张拉至控制张拉力的10%→张拉至控制张拉力P→持荷2min→旋紧螺帽→卸去千斤顶及其他附件→1～2 d后再次张拉至控制应力并旋紧工作螺帽→量取从钢筋头至锚垫板上标记点的竖向距离δ2→计算实际伸长量δ=δ2-δ1，将该值与理论计算值比较，若误差在±6%内则在24 h内完成压浆，若误差超出±6%则进行分析处理。

竖向预应力钢筋张拉伸长值计算公式及计算过程与纵向预应力钢绞线张拉伸长值计算公式及计算过程基本相同，可参照进行计算。