钢绞线张拉中存在的问题

预应力施工技术问题的探讨鲁康（中铁十三局集团有限公司第二工程有限公司安邵项目部）摘要：从全国各地众多高速公路桥梁健康检查情况来看,预应力桥梁的裂缝病害相当普遍,特别是箱梁桥。产生裂缝病害的原因很多,其中预应力桥梁施工中出现的若干预应力技术问题,已受到众多专家的关注和质疑。关键字:预应力;张拉;理论伸长值;压浆一、预应力桥梁的施工工艺问题1.1预应力结构砼开始张拉的时间问题为提高预应力混凝土的早期强度,近几年通过掺加早强剂的方法,一般浇注砼3d后就开始张拉预应力,然而由于砼强度增长需要一定的时间,而且强度和弹性模量增长是不同步的,强度增长快,弹性模量长慢,早期砼变形大,过早张拉预应力会使预应力损失增加,导致桥梁承载力不足,而出现众多裂缝病害。此外,采用现场试块测得的早期砼强度等级代替现场结构的实际砼强度,也存在一定的问题。试验表明,出现事故的结构最后验算时其实际强度均未达到现场测得的强度,有时候甚至很低。1.2预应力超长束一端张拉工艺的问题国内现浇大跨度(3~5跨,每跨30～50m)预应力连续箱梁底板预应力束一般采用一端张拉的工艺,例如某箱梁桥5跨,第一联跨66m,第二联跨88m,第三联跨150m,如采用一端张拉的工艺将一束钢绞线拉直需要0.3～0.4fptk的拉力,而如此长的孔道要跨越多道箱梁横隔板,其孔道摩阻是多少,要通过试验才能确定。根据国内外相关规范[1-2]规定:跨度≥30m以上的预应力桥梁,均要求采用两端对称张拉工艺,才能保证跨中有效预应力和桥梁在恒载和活载作用下跨中所需抵抗弯矩的建立;否则会导致跨中承载力不足,而产生正截面裂缝。根据交通部专门调查资料,已通车的公路桥梁中,几乎都出现过由于张拉工艺不适合而产生大量裂缝的现象。1.3后张预应力结构张拉力控制的问题预应力施工作业不够规范,特别是张拉力控制不严对预应力桥梁质量影响较大。一般张拉作业采用张拉力和预应力筋伸长量同时控制,以张拉力为主,以伸长值校核张拉力。通常张拉力的计量采用1.4级油压,误差大,有的千斤顶甚至未经计量标定就张拉,而且张拉人员多数未经专业培训,如果作业不专心,经常容易出现较大误差,甚至读错表,发生张拉力忽高忽低的现象。二、理论伸长量计算1、理论公式：（1）根据《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041—2000），钢绞线理论伸长量计算公式如下：PPPEALPL①kxePPkxP1②式中：PP——预应力筋的平均张拉力（N），直线筋取张拉端的拉力，曲线筋计算方法见②式；L——预应力筋的长度；AP——预应力筋的截面面积（mm2）；EP——预应力筋的弹性模量（N/mm2）；P——预应力筋张拉端的张拉力（N）；x——从张拉端至计算截面的孔道长度(m)；——从张拉端至计算截面的孔道部分切线的夹角之和(rad)；k——孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数；——预应力筋与孔道壁的摩擦系数。（2）计算理论伸长值要先确定预应力筋的工作长度和线型段落的划分。后张法钢绞线型既有直线又有曲线，由于不同线型区间的平均应力会有很大差异，因此需要分段计算伸长值，然后累加。于是上式中：iLLLL21PPipiEALPLiPp值不是定值，而是克服了从张拉端至第i—1段的摩阻力后的剩余有效拉力值，所以表示成“Ppi”更为合适；（3）计算时也可采取应力计算方法各点应力公式如下：111iikxiie各点平均应力公式为：iikxipikxeii1各点伸长值计算公式为：pipiExLi2、根据规范中理论伸长值的公式，举例说明计算方法：木灵高架桥为后张预应力连续箱梁，、既有单端张拉，也有两端张拉。箱梁中预应力钢束采用高强度低松弛钢绞线（Φ15.24），极限抗拉强度fp=1860Mpa，锚下控制应力б0=0.75fp=1395Mpa。K取0.0015/m，µ=0.25。（2）单端张拉预应力筋理论伸长值计算：预应力筋分布图（1）伸长值计算如下表：分段编号σi钢绞线长度L(m)切线角度θ(rad)偏差系数k摩阻系数µkl+μθσi+1σ平均伸长值ΔL(mm)AB13951.02100.00150.250.00153151392.8651393.9327.30BC1392.8654.3230.366520.00150.250.09811451262.6951326.71629.41CD1262.6958.05700.00150.250.01208551247.5271255.09651.86DE1247.5272.9020.2443460.00150.250.06543951168.5031207.58417.97EF1168.5031.7200.00150.250.002581165.4921166.99710.29FG1165.4922.9020.2443460.00150.250.06543951091.6651128.17616.79GH1091.6652.94200.00150.250.0044131086.8581089.2616.43HI1086.8583.1810.26180.00150.250.07022151013.1551049.57517.12IJ1013.1552.20700.00150.250.00331051009.8071011.4811.45伸长值178.63（1）两端非对称张拉计算：预应力筋分布图（2）伸长值计算如下表：分段编号σi钢绞线长度L(m)切线角度θ(rad)偏差系数k摩阻系数µkl+μθσi+1σ平均伸长值ΔL(mm)AB13951.30600.00150.250.0019591392.271393.63459.33BC1392.274.2770.349070.00150.250.0936831267.7611329.043629.15CD1267.7619.37300.00150.250.01405951250.0621258.890760.51DE1250.0622.6220.226890.00150.250.06065551176.4921212.905216.31EF1176.4922.4900.00150.250.0037351172.1061174.29814.99FG1172.1062.6220.226890.00150.250.06065551103.1251137.266915.29GH1103.1251.36800.00150.250.0020521100.8641101.99387.73HI1100.8642.6220.226890.00150.250.06065551036.0751068.141714.36H-平衡点O1100.8641.5120.136140.00150.250.0363031061.6161081.12088.38左端合计25.570.93899161.70NM13951.30600.00150.250.0019591392.271393.63459.33ML1392.274.2770.349070.00150.250.0936831267.7611329.043629.15LK1267.76159.43100.00150.250.08914651159.6361212.8953369.66KJ1159.6362.6220.226890.00150.250.06065551091.3881125.16715.13JI1091.3882.4900.00150.250.0037351087.3191089.352513.91IH1087.3192.6220.226890.00150.250.06065551023.3281055.000214.19I-平衡点O1087.3191.110.090760.00150.250.0243551061.1571074.1856.11右端合计71.2360.66672443.30左右两端合计96.8061.60571605.00若预应力钢筋为两端对称张拉，则只需计算出一半预应力筋的伸长值，然后乘以2即得总的伸长量。注：由于采用1500KN千斤顶张拉，根据实测伸长值为量测大缸外露长度的方法，则计算理论伸长值时应加缸内长度约500mm。而锚固端长约470mm，应在计算理论伸长值时扣除。由于两数对于伸长值的计算相差甚微，可以抵消，因此在计算中未记如。二、实测伸长值的测定1、预应力钢筋张拉时的实际伸长值△L，应在建立初应力后开始量测，测得的伸长值还应加上初应力以下的推算伸长值。即：△L=△L1+△L2式中：△L1——从初应力到最大张拉应力间的实测伸长值（m）;△L2——初应力以下的推算伸长值（m）。关于初应力的取值，根据《公路规》的规定，一般可取张拉控制应力的10%~25%。初应力钢筋的实际伸长值，应以实际伸长值与实测应力之间的关系线为依据，也可采用相邻级的伸长值。2、从高木灵架桥施工张拉资料分析后总结出以下两个钢绞线实测伸长值的经验公式：L实=（Lb—La）/0.8—L无阻（1）L实=[（Lb—La）+（La—Lc）]—L无阻（2）L实——钢绞线实际伸长量La——张拉应力为20%б0时，梁段两端千斤顶活塞行程之和；Lb——张拉应力为100%б0时，梁段两端千斤顶活塞行程之和；Lc——张拉应力为10%б0时，梁段两端千斤顶活塞行程之和；L无阻——梁段两端千斤定内钢绞线的无阻伸长量，即：L无阻=PL/EPAP对于以上公式，当钢绞线较短，角度较小时，用（2）式计算更接近设计伸长量；当钢绞线较长，角度较大时，用（1）式计算更接近设计伸长量。这是由于预应力筋的长度及弯起角度决定实测伸长量的计算公式，钢绞线较短、弯起角度较小时，摩阻力所引起的预应力损失也较小，10%~20%Σ控钢绞线的伸长量基本上反映了真实变化，0~10%的伸长量可按相邻级别10%~20%推算。钢绞线较长、弯起角度较大时，摩阻力所引起的预应力损失也较大，故初应力采用20%Σ控用20%~100%推算0~10%的伸长量更准确。3、现阶段木灵高架施工过程中我们采用的是直接测量张拉端千斤顶活塞伸出量的方法，但这种测量方法存在一定误差，这是因为工具锚端夹片张拉前经张拉操作人员用钢管敲紧后，在张拉到约10%б0开始到100%б0时，因钢绞线受力，夹片会向内滑动，这样通过测量千斤顶的伸长量而得到的量比钢绞线的实际伸长量偏大。因此，我们可以考虑采用量测钢绞线绝对伸长值的方法，测得的伸长值须考虑工具锚处钢绞线回缩及夹片滑移等影响，测量方法如下图（3）所示：图（3）4、现以图（2）所示的预应力钢绞线为列介绍北新高架桥的实际伸长值计算方法：对于多束群锚式钢绞线我们采用分级群张法，图（2）中钢绞线为7束，采用1500KN千斤顶，根据不同应力下实测伸长值的量测，最后得出总伸长值及与设计伸长值的偏差（如下表），并且用与设计伸长值的偏差是否在±6%之内来校核。预应力钢筋编号理论伸长值(mm)左端右端左端右端实测伸长值(mm)伸长值偏差（%）20%б控/50%б控б控50%б控/б控1（1）60569/9454/18319521/244597.5-1.241（2）60567/9761/17919919/266621.252.691（3）60563/9158/18119718/239597.5-1.241（4）60565/9851/17819822/238595-1.65注：由于钢绞线右端伸长值大于200mm，千斤顶需要倒一次顶才能完成张拉，因此右端出现了在50%б控时的两个读数，分别表示在从初应力张拉到50%б控时的读数和千斤顶倒顶后张拉到50%б控时的读数。三、问题与思考在张拉过程中根据张拉数据监测发现预应力钢筋的实际伸长值与理论伸长值之间有一定的误差，究其原因，主要有：预应力钢筋的实际弹性模量与计算时的取值不一致；千斤顶的拉力不准确；孔道的摩擦损失计算与实际不符；量测误差等。特别是弹性模量的取值是否正确，对伸长值的计算影