预制箱梁智能张拉锚下预应力施工控制技术

林钦国+王剑+邓伟才

摘 要：结合重庆铜合高速公路预制箱梁预应力的施工，分析了预应力施工过程中的影响因素。通过锚下有效预应力测试的基本试验，得出梳编穿束工艺、控制持荷时间以及智能张拉技术等手段可以有效控制锚下预应力的损失。

关键词：箱梁；预应力损失；锚下预应力；智能张拉

中图分类号：U448.21 文献标志码：B

0 引 言

预应力张拉施工工序较多、技术难度较大，结构获得的有效预应力受材料、器具、设备以及张拉操作工艺等诸多因素影响，施工中需要有高效可靠的全过程控制手段，以及严格规范的操作和跟踪控制[1]。因此，预应力张拉的对称、均匀和精准到位对预应力张拉测控技术提出了很高的要求。

有效预应力的建立直接影响到桥梁的安全性、可靠性和长期使用寿命。特别是大跨径预制箱梁，由于其跨径大、张拉吨位大、预应力体系和结构受力复杂等特点，一旦发生预应力失控的现象，将带来灾难性的后果。

1 工程概况

重庆三环高速公路（铜梁至合川段）K0+000～K29+339段制梁场主要生产预制预应力混凝土简支小箱梁，设计梁长为20 m和30 m，底宽1 m，顶宽2.4 m，最大梁重96 t。预应力钢束采用符合（GB/T5224—2003）标准的低松弛、高强度钢绞线，抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，公称直径Φs为15.2 mm，弹性模量Ep=1.95×105 MPa。单根预应力钢束锚下张拉控制应力0.75fpk=1 395 MPa。张拉工艺采用预应力智能张拉设备，两端对称张拉，采取张拉力和延伸量双控，以张拉力为主，延伸量和计算延伸量控制在±6%。

2 锚下预应力张拉

预应力使得混凝土变成拉压性能基本对称的线弹性材料，没有预存压应力的混凝土材料是抗压不抗拉的脆性材料，只能用于受压结构和小跨受弯结构；然而一旦通过张拉预应力筋给混凝土施加预压应力，得到的预应力混凝土就可以根据需要获得期望的抗拉性能，赋予结构设计和施工以极大的灵活性[3]。

2.1 锚下有效预应力定义

锚下有效预应力定义如下：预应力筋张拉锚固后，实际张拉控制应力扣除锚固损失和弹性回缩等损失，预应力筋锚下留存的应力。

2.2 预应力损失因素

预应力是通过张拉预应力筋得到的，凡是能使预应力筋回缩的因素，都将引起预应力损失。现场施工中，预应力损失主要表现在以下三个方面[2-4]。

（1） 摩擦损失σl1。在预应力筋张拉过程中，后张法预应力筋与孔道壁之间的摩擦。

（2） 锚固损失σl2。锚具变形、钢筋回缩及接缝压缩引起预应力筋的回缩、滑移。

（3） 松弛损失σl3。长度不变的预应力筋，在高应力的长期作用下会产生松弛，引起预应力损失。

以抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa、公称直径Φs=15.2 mm、弹性模量Ep=1.95×105 MPa的低松弛高强度钢绞线为例，计算出的各项预应力损失及锚下有效预应力的理论值如表1所示。

3 锚下有效预应力测试基本试验

本次后张法PC箱梁的锚下有效预应力测试，主要采用以下两种方法。

（1） 整体测试法。在工作锚与锚垫板之间加装测力计，直接进行整束预应力筋的锚下有效预应力检测。该方法主要用于测试单孔钢绞线的锚下有效预应力值[5-6]。

（2） 单束测试法。根据弹模效应与最小应力跟踪原理，利用千斤顶反拉单根钢绞线，从而带动其与夹片沿轴线移动，当移动距离达到0.5 mm时，测出的锚下预应力值即为该束钢绞线的锚下有效预应力值[7]。该方法主要用于测试单孔钢绞线的同束不均匀度（同束不均匀度=（测试最大有效应力-测试最小有效应力）/ 测试最大有效应力 ×100%）。

以上两种方法原理可靠，精度较高、操作方便，在全国各地的公路工程中得到推广应用。

3.1 试验工况

本次锚下预应力试验共对10片20 m箱梁（图1）和30 m箱梁（图2）的20个孔道进行了测试。编号1～5号的箱梁长20 m，测试其N2左和N2右孔道；编号6～10号的箱梁长30 m，测试其N1左和N1右孔道。试验条件如下。

（1） 试验工况一。张拉编号为1、3、5、7、9号箱梁时，钢绞线未梳编，单束张拉控制应力为195.3 kN，张拉千斤顶直接作用于工作锚具。张拉施工时，仅在张拉分级为10%、20%时短暂停顿30 s；达到张拉控制应力时持荷5 min。

（2） 试验工况二。张拉4、6、8、10号箱梁时，钢绞线梳编，单束张拉控制应力为195.3 kN，张拉千斤顶直接作用于工作锚具。张拉施工开始后，在张拉分级为10%、20%时停顿30 s；在张拉分级为50%、80%时停顿60 s； 达到张拉控制应力时持荷7 min。

张拉2号箱梁N2右孔道时，单束张拉控制应力为195.3 kN，同时在张拉千斤顶与工作锚具间加4个锚具。张拉施工开始后，在张拉分级为10%、20%时停顿30 s；在张拉分级为50%、80%时停顿60 s； 达到张拉控制应力时持荷7 min。

3.2 数据分析

根据试验工况一和试验工况二，锚下有效预应力测试结果如表2、3所示。

分析表2、3数据可知：根据试验工况一，当钢绞线不梳编、仅在张拉分级为10%、20%时停顿30 s，达到张拉控制应力时持荷5 min，测试得到的预应力筋锚下有效预应力值普遍偏低，只能基本达到设计锚下有效预应力的下限值，且同束不均匀度偏差较大（根据试验工况一，计算得到同束不均匀度为（192.7-149.8）/192.7×100%=22%）。

根据试验工况二，当采取钢绞线梳编且张拉分级在10%、20%时停顿30 s，在50%、80%时停顿60 s， 达到张拉控制应力时持荷时间7 min等措施时，预应力筋锚下有效预应力值处于设计锚下有效预应力±5%内，能够满足设计要求。在千斤顶与工作锚具（图3）之间增加4个锚具测试工作长度段钢绞线预应力损失。通过测试可知，增加锚具引起的预应力损失大致为8 kN，这主要是因为增加的4个锚具造成了锚固损失及锚具与钢绞线之间的摩阻损失[7-9]。endprint

3.3 基本试验结论

根据实测的锚下有效预应力的相关情况，可以得出以下结论。

（1） 通过梳编穿束工艺的改进，可以控制有效预应力的不均匀度。

（2） 由孔道摩阻、锚固回缩及预应力筋松弛等

引起的预应力损失比理论计算预应力损失偏大，因此对低松弛预应力筋施工时，宜在张拉分级为10%、20%时做短暂停顿（建议为30 s），在50%、80%时也做停顿（建议为60 s）， 达到张拉控制应力时持荷时间为5 min以上，同时预应力张拉施工宜采用智能张拉施工工艺，以确保对各阶段预应力张拉进行精确控制。

4 结 语

（1） 为了确保预应力筋张拉施工质量能够满足设计要求，应根据结构类型、布束的位置及形式等因素分别确定有效预应力的建立方法。

（2） 为切实提高预应力张拉施工质量，应做到梳编穿束工艺规范化，采用经过精确标定的智能张拉设备进行预应力筋张拉施工以便减少人为因素的影响。另外，预应力筋张拉施工时必须从两端同步对称进行且张拉至100%设计荷载时，持荷时间宜大于施工规范要求的5 min。

（3） 单根钢绞线锚下有效预应力的测试是检测控制中最重要的部分。单根钢绞线通过了严格的梳束、编束和穿束，因此只要单根钢绞线的锚下有效预应力符合要求，整束钢绞线的锚下有效预应力也就符合要求。

参考文献：

[1] JTG/T F50—2011，公路桥涵施工技术规范[S].

[2] JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3] 张天喜.预应力箱梁智能张拉施工控制[J].山西建筑，2014，40（1）：189-190.

[4] 张发明，刘 宁，陈祖煜，等.影响大吨位预应力长锚索锚固力损失的因素分析[J].岩土力学，2002，23（2）：194-197.

[5] 罗 斌，唐树名，程晓辉，等，锚下预应力反拉检测技术[J].公路交通技术，2012，2（1）：12-14.

[6] 谭立铭.锚索预应力无损检测方法研究[D].重庆：重庆交通大学，2013.

[7] 王继成，向中富，彭 凯，等.桥梁预应力及索力张拉测控技术[M].北京：人民交通出版社，2011.

[8] 郑舟军，田晓彬，余俊林，等.内置式钢锚箱索塔锚固区受力机理分析[J].中国公路学报，2010，23（5）：84-89.

[9] 李建慧，李爱群.自锚式悬索桥静力随机分析与可靠度评估[J].中国公路学报，2012，25（6）：74-79.

[责任编辑：杜卫华]endprint

3.3 基本试验结论

根据实测的锚下有效预应力的相关情况，可以得出以下结论。

（1） 通过梳编穿束工艺的改进，可以控制有效预应力的不均匀度。

（2） 由孔道摩阻、锚固回缩及预应力筋松弛等

引起的预应力损失比理论计算预应力损失偏大，因此对低松弛预应力筋施工时，宜在张拉分级为10%、20%时做短暂停顿（建议为30 s），在50%、80%时也做停顿（建议为60 s）， 达到张拉控制应力时持荷时间为5 min以上，同时预应力张拉施工宜采用智能张拉施工工艺，以确保对各阶段预应力张拉进行精确控制。

4 结 语

（1） 为了确保预应力筋张拉施工质量能够满足设计要求，应根据结构类型、布束的位置及形式等因素分别确定有效预应力的建立方法。

（2） 为切实提高预应力张拉施工质量，应做到梳编穿束工艺规范化，采用经过精确标定的智能张拉设备进行预应力筋张拉施工以便减少人为因素的影响。另外，预应力筋张拉施工时必须从两端同步对称进行且张拉至100%设计荷载时，持荷时间宜大于施工规范要求的5 min。

（3） 单根钢绞线锚下有效预应力的测试是检测控制中最重要的部分。单根钢绞线通过了严格的梳束、编束和穿束，因此只要单根钢绞线的锚下有效预应力符合要求，整束钢绞线的锚下有效预应力也就符合要求。

参考文献：

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[9] 李建慧，李爱群.自锚式悬索桥静力随机分析与可靠度评估[J].中国公路学报，2012，25（6）：74-79.

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3.3 基本试验结论

根据实测的锚下有效预应力的相关情况，可以得出以下结论。

（1） 通过梳编穿束工艺的改进，可以控制有效预应力的不均匀度。

（2） 由孔道摩阻、锚固回缩及预应力筋松弛等

引起的预应力损失比理论计算预应力损失偏大，因此对低松弛预应力筋施工时，宜在张拉分级为10%、20%时做短暂停顿（建议为30 s），在50%、80%时也做停顿（建议为60 s）， 达到张拉控制应力时持荷时间为5 min以上，同时预应力张拉施工宜采用智能张拉施工工艺，以确保对各阶段预应力张拉进行精确控制。

4 结 语

（1） 为了确保预应力筋张拉施工质量能够满足设计要求，应根据结构类型、布束的位置及形式等因素分别确定有效预应力的建立方法。

（2） 为切实提高预应力张拉施工质量，应做到梳编穿束工艺规范化，采用经过精确标定的智能张拉设备进行预应力筋张拉施工以便减少人为因素的影响。另外，预应力筋张拉施工时必须从两端同步对称进行且张拉至100%设计荷载时，持荷时间宜大于施工规范要求的5 min。

（3） 单根钢绞线锚下有效预应力的测试是检测控制中最重要的部分。单根钢绞线通过了严格的梳束、编束和穿束，因此只要单根钢绞线的锚下有效预应力符合要求，整束钢绞线的锚下有效预应力也就符合要求。

参考文献：

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[8] 郑舟军，田晓彬，余俊林，等.内置式钢锚箱索塔锚固区受力机理分析[J].中国公路学报，2010，23（5）：84-89.

[9] 李建慧，李爱群.自锚式悬索桥静力随机分析与可靠度评估[J].中国公路学报，2012，25（6）：74-79.

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