后张法预应力钢绞线伸长值的计算与量测

李久宝,高亮亮

(1.黑龙江省龙建路桥第五工程有限公司;2.黑龙江省龙建路桥第六工程有限公司)

1 前 言

后张法预应力钢绞线在张拉过程中,张拉伸长值在理论值与实际量测值之间经常会出现差值,这个差值往往会超过规范所要求的限值,在各种操作都规范及钢绞线材质没有问题的条件下,这种问题的产生一种原因是理论计算不正确,比如各个参数的选取不符合实际;另一种原因是因为实际量测的不符合要求,没有考虑各种因素的影响。本文从这两个方面进行了比较全面的分析和总结,以方便在施工中做出行之有效的控制办法,保证工程的质量。

2 后张法钢绞线理论伸长值的计算

后张法预应力钢绞线在张拉过程中,主要受到以下两方面的因素影响:一是管道弯曲影响引起的摩擦力,二是管道偏差影响引起的摩擦力,导致钢绞线张拉时,锚下控制应力沿着管壁向梁跨中逐渐减小,因而每一段的钢绞线的伸长值也是不相同的。

《公路桥梁施工技术规范》(JTJ041-2000)中关于预应筋伸长值的计算按照以下公式

式中:ΔL为各分段预应力筋的理论伸长值,mm;PP为各分段预应力筋的平均张拉力,注意不等于各分段的起点力与终点力的平均值,N;L为预应力筋的分段长度,mm;AP为预应力筋的截面面积,mm2;EP为预应力筋的弹性模量,MPa;P为预应力筋张拉端的张拉力,将钢绞线分段计算后,为每分段的起点张拉力,即为前段的终点张拉力,N;θ为从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和,分段后为每分段中各曲线段的切线夹角和,rad;x为从张拉端至计算截面的孔道长度,整个分段计算时x等于L,m;k为孔道每束局部偏差对摩擦的影响系数(1/m),管道弯曲及直线部分全长均应考虑该影响;μ为预应力筋与孔道壁之间的磨擦系数,只在管道弯曲部分考虑该系数的影响。

从公式(1)可以看出,钢绞线的弹性模量 Ep是决定计算值的重要因素,它的取值是否正确,对计算预应力筋伸长值的影响较大。Ep的理论值为(1.9～1.95)×105MPa,而将钢绞线进行检测试验,弹性模量则常出现 Ep′=(1.96～2.04)×105MPa的结果,这是由于实际的钢绞线的直径都偏粗,而进行试验时并未用真实的钢绞线面积进行计算,采用的是偏小的理论值代入公式进行计算,根据公式Ep=可知,若 Ap偏小,则得到了偏大的 Ep′值,虽然 Ep′并非真实值,但将其与钢绞线理论面积相乘所计算出的ΔL却是符合实际的,所以要按实测值 Ep′进行计算。

公式(2)中的 k和μ是后张法钢绞线伸长量计算中的两个重要的参数,这两个值的的大小取决于多方面的因素:管道的成型方式、表面特征是光滑的还是有波纹的、表面是否有锈斑,波纹管的布设是否正确,偏差大小,弯道位置及角度等等,各个因素在施工中的变动很大,还有很多是不可能预先确定的,因此,摩擦系数的大小很大程度上取决于施工的精确程度。在工程实施中,最好对孔道磨擦系数进行测定,并对施工中影响磨擦系数的方面进行认真的检查,如波纹管的三维位置是否正确等等,以确保摩擦系数的大小基本一致。

进行分段计算时,靠近张拉端第一段的终点力即为第二段的起点力,每段的终点力与起点力的关系如下式

式中:Pz为分段终点力,N;Pq为分段的起点力,N;θ、x、k、μ为意义同上。

其他各段的起终点力可以从张拉端开始进行逐步的计算。

3 计算实例

下面以某桥现浇箱梁的一束纵向钢绞线的伸长量计算为例,进一步说明伸长量的计算方法。

钢束大样图及 N4坐标表如表 1。

根据设计图纸及规范和实测数据,已知以下参数见表 2。

表 1 钢束大样图及N4坐标表

表 2 参数

根据钢绞线要素(表 1),可以计算出各分段长度,根据公式计算出伸长量,采用计算一半钢绞线的伸长值然后乘以二的方法,见表 3。

4 张拉时钢绞线实际伸长量的测量方法

钢绞线实际伸长量的测量方法有多种多样,目前使用较多的是直接测量张拉端千斤顶活塞伸出量的方法,这样的测量方法存在一定的误差,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 10%σk时因钢绞线受力,夹片会向内滑动,张拉到 20%σk时,夹片又会继续向内滑动,这样通过测量千斤顶的伸长量而得到的 10%～20%σk的伸长量比钢绞线的实际伸长值长 1～2mm,若以 10%～20%σk的伸长量作为 0%～10%σk的伸长量,哪么在 0%～20%σk的张拉控制段内,钢绞线的伸长量就有 2～3mm的误差。

表 3 伸长值

从 20%σk张拉到 100%σk时,钢绞线的夹片又有 2～3mm的滑动,按最小值滑动量计算单端钢绞线的伸长量就有 3～4mm的误差,两侧同时张拉时共计有约 6～8mm的误差(误差值的大小取决于工具锚夹片打紧程度)。对于单项张拉的 N1、N2横隔梁钢铰线的理论伸长量按 7.87cm计算,4mm的测量误差为 5.1%,已接近达到 ±6%的理论值与实测值的允许的偏差值。因此用测量千斤活塞的方法一般测出来的值都是偏大的。

因此,对于钢束实际伸长值的测量,建议采用量测钢绞线绝对伸长值的方法,而不使用量测千斤顶活塞伸出量的方法,后者测得的伸长值须考虑工具锚处钢束回缩及夹片滑移等影响,尤其是在钢绞线较长,必须进行分级张拉时,更为繁琐,若直接通过测量千顶活塞的伸出量,则误差累计更大。使用一个标尺固定在钢绞线上,不论经过几个行程,均以此来量测分级钢绞线的长度,累计的结果就是初应力与终应力之间的实测伸长值。

5 结束语

理论伸长值计算中,钢绞线采取的是两端张拉,所以在进行伸长量计算时是计算一半钢绞线的伸长值然后乘以二的方法;而对于非对称结构,在计算钢绞线的伸长值时,计算原则是从两侧向中间分段计算,至跨中某一点时钢绞线的受力基本相等即可,而不是简单的分中计算。

钢绞线的分段原则是将整根钢绞线根据设计线形分成曲线连续段及直线连续段,而不能将直线段及曲线段分在同一段内。

预应力筋的伸长量计算方法有多种,常用的平均力法及简化计算法在很多工程施工中也能够满足精度要求,通过测量千斤顶活塞伸出量再进行换算的方法也可以用于实际施工中,这里我们仅是将现行规范中精确计算法及施工中误差较小的一种测量方法作了简单的介绍,希望能起到抛砖引玉的作用。由于我们水平有限,不足之处,尚请批评指正。