缓粘结预应力钢绞线摩擦损失研究

黄健伟

(中铁十六局集团电气化工程公司，北京 100018)

随着社会经济水平的不断发展，人们对于材料利用率、耐久性的要求不断提高，传统预应力技术在空间曲线张拉摩擦损失过大，灌浆密实度难以保证等问题越来越不被接受。缓粘结预应力技术应运而生，其将钢绞线、聚乙烯护套和可缓慢固化的缓凝粘合剂复合在一起，进行工厂化流水线化生产，规避了传统压孔灌浆等施工工序，保证了结构施工质量；改变了钢绞线张拉摩擦介质，降低了空间曲线下张拉摩擦损失，且缓凝粘合剂独特的固化机理又保证了缓粘结预应力混凝土结构优良的传力机制。其以简便的施工工序、优良的受力性能和耐久性得到广泛的应用[1-3]。

1 摩擦损失理论分析

缓粘结预应力钢绞线中的缓粘结粘合剂在张拉适用期内具有一定的粘性和润滑性，可以对钢绞线进行张拉，此时摩阻损失适度；一旦张拉时间大于张拉适用期，缓凝粘合剂的粘稠度增大，从而导致摩阻损失增大，因此要严格控制张拉时间，不可超过张拉适用期。

张拉锚固使得钢绞线建立有效预应力，有效预应力的大小是评估结构承载能力极限状态、正常使用极限状态的关键参数。摩擦损失的大小将对有效预应力，张拉伸长值、裂缝宽度等产生直接的影响，故，对于预应力混凝土结构的设计和施工来说，摩擦损失的计算是非常重要且关键的，其中局部偏差系数K和摩擦系数μ是影响摩阻损失的关键因素。

在现实情况中，受到诸多因素(如施工工艺、外界环境和材料技术性能等)的共同作用，导致预应力损失的产生，预应力张拉锚固后的钢绞线有效预应力小于张拉控制应力。其中张拉摩擦损失占有重要比重，根据JGJ 369-2016《预应力混凝土结构设计规程》，预应力筋与孔道壁的摩擦系数如表1所示。

表1 预应力筋与孔道壁摩擦系数

本文以高平东高铁站房缓粘结预应力施工为例，整理并分析其张拉记录，验证缓粘结预应力张拉效果。并从理论角度出发同传统有粘结金属波纹管预应力张拉摩擦损失进行对比分析，阐述缓粘结预应力应用优势。

2 工程概况

高平东站位于山西省高平市，站房中心里程DK275+130，站房建筑面积9 999.50 m2(不含地下车库面积)。另外架空层面积5 283 m2，落客平台面积4 077 m2，天桥面积279.54 m2。本站房地上主体2层，两侧三层，局部地下一层，站房高度19.75 m(图1)。

图1 高平东站效果

本工程主体结构首层、二层部分梁中采用直径21.8 mm缓粘结预应力钢绞线，控制梁挠度、裂缝并承担部分承载力。

3 缓粘结预应力摩擦损失控制措施

3.1 预应力线型控制

预应力损失由张拉端锚具变形和预应力筋内缩、预应力筋的摩擦、预应力筋的松弛、混凝土的收缩和应变以及混凝土的弹性收缩组成，作为主要组成部分的摩擦损失，对结构本身的质量和使用寿命会产生较大影响，因此，能否对摩擦损失进行精确计算是非常重要的问题。

缓粘结预应力筋在混凝土梁中以抛物线形式存在，预应力张拉后预应力曲线提供和结构受力荷载反向的等效荷载，用于抵消构件恒荷载和部分活荷载，为保证预应力作用效果，需严格控制预应力筋线型和数量。其中预应力筋线型是影响预应力摩擦损失的重要影响因素，故预应力筋穿束施工工序非常重要。

本工程缓粘结预应力筋选用规格直径21.8 mm，重量2.95 kg/m，截面面积为313 mm2。待支好梁底模并绑扎完成梁普通钢筋(除拉筋外)后，根据设计图纸焊接定位筋，由于钢绞线直径增加导致刚度与重量增加，要求定位筋直径不得小于12 mm，梁内定位筋间距不宜大于1.2 m，且定位筋位置保证预应力筋位于预应力线型中心。缓粘结预应力筋束内线与线相对位置应固定且整束线在整个梁中的空间位置也应稳定可靠，宜用扎丝在整束穿筋结束后进行整束绑扎且牢固。成束布置预应力筋时，预应力束与定位筋间应进行绑扎且保证可靠，避免在后续施工过程中由于扰动出现的束内线间的缠绕现象，以及整束线形发生改变的现象发生。为保证有效预应力满足设计要求，应平行顺直的穿设缓粘结预应力钢绞线，并要求不大于30 mm的水平偏摆距离和不大于15 mm的竖向偏差(图2)。

图2 预应力线型控制

3.2 锚固系统处理

缓粘结预应力筋为单根单拉型，其锚固节点尺寸小，可在梁端非加密区进行撅起内凹式张拉操作。采用内凹式张拉时，将承压板固定在构件表面足够深度处使锚具不露出构件表面，为保证张拉时千斤顶有足够的空间，应及时调整承压板周围钢筋的位置。缓粘结预应力筋张拉撅起操作会增加预应力线型弯起角度，增加预应力张拉摩擦损失，需保证预应力筋弯折曲率半径不得小于4.0 m，张拉撅起角度控制在15～20 °之间(图3)。

图3 梁顶张拉端撅起

对于固定端而言，梁中预应力筋通常情况下多且位置相对集中，如果梁整束预应力筋固定端重叠放在一个位置容易造成混凝土浇筑时固定端部分浇筑不密实，不能承受预应力筋张拉时的张拉力进而影响施工质量和张拉效果。故梁固定端端部应相对前后上下错落布置，不宜重叠。如图4所示分层错落布置。

图4 固定端固定

4 预应力筋摩擦损失的计算

缓粘结预应力筋张拉前需对张拉槽进行清理，将承压板表面混凝土剔凿干净，并检查承压板后混凝土是否密实，后安装张拉锚具。

4.1 张拉控制力

采用“双控法”进行张拉作业即采用张拉力与伸长值双控，其中以张拉力为主要控制因素，张拉伸长量做校核。取钢绞线标准强度值的75 %作为张拉控制应力，并超张拉3 %，即：

1860×0.75×1.03=1436.85 MPa。

21.8 mm缓粘结预应力钢绞线张拉控制力为：

1436.85×313=449.734 kN

4.2 理论伸长值

预应力钢绞线张拉理论伸长值计算公式：

式中：Fpm为预应力筋的平均张拉力(N)；Lp为预应力筋的长度(mm)；Ap为预应力筋的截面面积(mm2)；Ep为预应力筋的弹性模量(N/mm2)。

Fpm=Fp(1+e-κx-μθ)/2

式中：Fpm为预应力筋平均张拉力(N)；Fp为预应力筋张拉端的张拉控制应力(N)；X为从张拉端至计算截面的曲线长度(m)；θ为从张拉端至计算截面曲线部分切线的夹角之和；κ为护套壁每米局部偏差对摩擦的影响系数；μ为预应力筋与护套壁之间的摩擦系数。

缓粘结预应力张拉采用双控法张拉方式，以理论伸长值控制为主，张拉力控制为辅。要求实际张拉伸长值与理论张拉伸长值相差不得超过理论伸长值的±6 %。本文以高平东站部分预应力梁张拉数据为依据，分析缓粘结预应力筋张拉伸长值分布规律，计算缓粘结预应力筋实际摩擦系数。

本文以高平东站候车厅层预应力梁YKL与YL1为例，如图5所示，计算其理论伸长值并对比现场实际张拉效果，其计算结果与张拉结果如表2所示。

(a)YKL1 立面曲线定位

(b)YKL2立面曲线定位图5 缓粘结预应力立面曲线定位(单位：mm)

表 2 预应力张拉数据

由以上结果可知，实际张拉伸长值均在理论偏差±6 %以内，满足规范要求，但根据张拉结果发现，其理论伸长值均在正偏差范围内，分析原因为其实际张拉摩擦损失要小于理论计算值。JGJ 387-2017《缓粘结预应力技术规程》[4]规定，缓粘结预应力筋局部偏差系数κ=0.006，μ=0.12。根据张拉试验结果，实际值应小于规范值。根据实际张拉伸长值反推算预应力摩擦损失见表3。

采用二元线性回归法分析数据[5]，计算管道曲率摩擦系数μ和局部偏差系数κ。

表 3 预应力损失

式中：n为实际测试的管道数量；Ci为第i个管道对应的ln(P1/P2)，P1、P2分别为主动端和被动端传感器压力值(kN)；li为第i个孔道对应的预应力束的水平投影长度(m);θi为第i个孔道对应预应力束的空间曲线包角(rad)。

根据以上线性回归方程，求得现场实际张拉时，局部偏差系数κ=0.004 98，曲率摩擦系数μ=0.088，低于规范允许值。

缓凝粘合剂是一种温度敏感型材料，其粘度与温度直接相关。温度越低粘性越大，粘滞力引起的预应力损失越大[6]。在张拉适用期内，现场张拉表明，当温度高于25 ℃时，缓凝粘合剂对钢绞线的粘滞力几乎很小。其张拉摩擦损失要比理论计算值要小。

5 缓粘结与有粘结预应力张拉对比

以YKL1为例，缓粘结预应力摩擦系数u=0.12，有粘结预应力摩擦系数u=0.25。有粘结预应力梁筋采用群锚的方式，这种方式为对张拉端出头锚定位置及张拉空间有更高的要求，需要对其进行深化做加腋处理，如图6所示，意味着有粘结预应力筋除了抛物线(立面)弯曲还具有平面外弯曲。

图6 有粘结预应力张拉加腋(单位:mm)

如图6所示，有粘结预应力筋平面外曲线包括曲线段AB与曲线段BC两段，和缓粘结预应力方案相比，有粘结方案增加两段曲线，造成额外的摩擦损失。AB段与BC段投影长度均为L=1700 mm，AB段高度450 mm，BC端高度为200 mm，经计算，平面外弯曲角度为0.718 rad，共计预应力摩擦损失为244.7 MPa，约占张拉控制应力的17.5 %。

根据以上计算结果，同等预应力等效应力情况下，缓粘结预应力形式比有粘结预应力形式节省。

6 结 论

本文以高平东站缓粘结预应力施工为例，分析施工过程对预应力摩擦损失的影响，结论总结如下：

(1)在现场温度高于25 ℃时，缓粘结预应力实际摩擦损失要低于规范值；

(2)综上所述，要保证缓粘结预应力工程张拉质量需要对整个缓粘结预应力施工各个主要施工节点进行严格管理控制。通过对高平东站缓粘结预应力施工过程关键节点解析，可为类似工程提供有益参考及借鉴；

(3)同有粘结预应力相比，缓粘结预应力形式更能节省材料，更能实现经济与社会效益，缓粘结预应力终将带来预应力行业的变革。