锚索测力计测值与张拉千斤顶读数不匹配的原因分析

菅 强，崔剑武，唐 勇，刘千驹

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;2.中国水利水电第十四工程局有限公司， 昆明 650041)

0 前 言

预应力锚索作为一种高效、经济、实用的工程技术，已广泛应用在边坡工程、地下空间工程及其他土木建筑结构中，设计人员可根据采样监测成果对整个锚固工程进行控制，发现问题及时采取补救措施[1]。国内某水电工程溢洪道闸墩采用预应力混凝土结构，闸墩内主预应力锚索锁定吨位为3 500 kN，锚索体由21根7Φ5的钢绞线组成；锚块内次预应力锚索锁定吨位为2 400 kN，锚索体由15根7Φ5的钢绞线组成。预应力锚索采用先埋管后装束的后张法施工。

为了解溢洪道闸墩预应力锚索工作状况，结合闸墩预应力锚索布置安装锚索测力计。锚索测力计分别布置于主锚索和次锚索的张拉端。主锚索监测选用振弦式锚索测力计3台，量程为3 500 kN；次锚索监测选用振弦式锚索测力计2台，量程为2 400 kN。2种锚索测力计精度均为0.5%F.S(满量程)，超载范围为125%F.S(满量程)。

施工现场先对第1台次锚索测力计进行安装，预紧后按设计要求分5级(设计荷载的25%、50%、75%、100%、105%)进行张拉。各阶段锚索测力计测值、千斤顶读数见表1。

通过对比发现千斤顶读数与测力计测值存在较大差距，在加载到第3级稳压后停止张拉，待查明原因后再继续张拉。

表1 第1台次锚索测力计测值与千斤顶读数对比表

1 原因初判

通过对整个工序与相关仪器、设备的检查，初步分析认为造成千斤顶施加荷载与锚索测力计测值差距较大的原因主要有以下4个方面[4]的可能性：

(1) 锚索测力计测值不准确；

(2) 千斤顶配置压力表不准确；

(3) 安装偏心问题；

(4) 限位板与锚具问题。

下面分别从这4个方面入手查找原因。

2 锚索测力计测值可靠性分析

为了确认锚索测力计测值是否可信，决定采用相同的安装工艺和同一台千斤顶，对第2台次锚索测力计(与第1台次锚索测力计同一厂家、同一型号、同一批次)进行安装并张拉锚索，全程记录锚索测力计测值。各阶段锚索测力计测值、千斤顶读数见表2。

表2 第2台次锚索测力计测值与千斤顶读数对比表

从表2可知，第2台次锚索测力计与第1台存在相同的问题，千斤顶施加荷载与锚索测力计测值仍存在较大差距。由于2台次锚索测力计均在安装前不久经厂家率定合格，且在现场检验率定也合格，基本可以排除锚索测力计自身的问题。

3 千斤顶和压力表可靠性分析

由于施工现场无大吨位压力机，无法进行千斤顶和锚索测力计联合率定。该千斤顶近期在第三方测试机构检测合格。为了模拟张拉和测试过程，在现场截取21束1.5 m长锚索钢绞线，进行了千斤顶与锚索测力计现场联合测试，现场实际安装情况见图1。采用的锚索测力计为主锚索测力计(3 500 kN)，与次锚索测力计出自同一厂家。联合测试按主锚索的设计要求分4级(设计荷载的24%、50%、75%、100%)进行张拉。各阶段锚索测力计测值、千斤顶读数见表3。

表3 主锚索测力计与千斤顶联合测试测值对比表

图1 现场联合测试安装图

图2 主锚索测力计与千斤顶联合测试测值对比曲线图

根据联合测试结果绘制对比曲线见图2。从图2中可知：除第1级加载时差值达到8.9%，后期随着施加荷载的增大，二者差值占比均在5%以内，考虑到千斤顶油泵的人工操作误差以及锚索测力计的误差，二者实际差值占比应该更小，与其它工程的经验基本类似。

用于此次锚索张拉的千斤顶为国产YCW400B型千斤顶，作为大吨位锚索张拉的专用设备，具有体积小、重量轻和可靠性高等优点，目前已广泛用于后张法的预应力锚索施工。本台千斤顶专门用于这5套监测锚索的张拉，在第三方测试机构测试合格后直接进场，至锚索张拉仅间隔1个月，结合以上联合测试结论，基本可以排除千斤顶的自身问题。

4 锚束安装偏心问题

4.1 原始测值分析

图3 第1台次锚索测力计频率变化过程线图

图4 第2台次锚索测力计频率变化过程线图

图5 主锚索测力计频率变化过程线图

图6 各锚索测力计频率标准差曲线图

所采用的锚索测力计每台包含4支传感器，间隔90°呈环形对称分布，4支传感器电缆颜色分别为红、黑、黄、白。主、次锚索测力计各传感器测值过程线见图3～6。对2台次锚索测力计和1台主锚索测力计原始频率读数进行分析发现，随着锚索逐级张拉，次锚索各传感器测值逐渐分化，频率测值差距逐渐拉大，最大频率标准差达到175～200 Hz，离散化程度较高；主锚索测力计各传感器测值基本一致，最大频率标准差仅60 Hz，远小于次锚索测力计。用于联合测试的主锚索测力计偏心问题不突出，2台已安装的次锚索测力较主锚索测力计而言存在一定程度的偏心[3]。

4.2 锚垫板

通过现场实地查看发现，次锚索孔口锚垫板表面凹凸不平，疑似有油漆和已凝固的水泥浆，锚垫板锈蚀严重。锚垫板不平整对锚索测力计的测值造成一定影响。

4.3 锚索测力计组装

由于大吨位锚索测力计质量在40 kg以上，给现场组装和同心对中带来一定难度。需要用铁链、滑轮组吊起后反复调整位置。但是实际安装过程中，锚索测力计和锚具组装后没有进行调整，吊装铁链和滑轮组随即撤去，由于锚索测力计与内外锚板重量较大，直接与钢绞线接触，会造成与锚索钻孔偏心。

4.4 锚索测力计偏心受力状态分析

下面就偏心受力状态进行分析，图7为监测锚索张拉简化物理模型，图8为偏心受力状态分析模型。

图7 监测锚索张拉物理模型图

将工作锚、夹片以及夹片中钢绞线段作为一个整体的研究对象进行受力分析。根据静力平衡原理竖直方向平衡方程为：

F·cosα-N= 0

(1)

由式(1)可得，锚索测力计受力即测力计对工作锚支持力N为：

N=F·cosα

(2)

由以上推导可得千斤顶施加荷载与锚索测力计测值之差△为：

△=F-N=F·(1-cosα)

(3)

根据式(3)，对于已安装的测力计，其偏心角α基本固定，则锚索测力计测值与千斤顶施加荷载基本呈正相关关系。由于目前无法得到锚索测力计偏心角α准确值，仅对千斤顶施加荷载与锚索测力计测值之差△的理论值进行推算。根据式(3)：△=F·(1-cosα)，取α=3°(预估值)，F=1 800 kN(当千斤顶加载至1 800 kN)时，所得△为2.5 kN。与2台次锚索测力计实测值150 kN(第1台次锚索)、271 kN(第2台次锚索)测值相差甚远。

图8 偏心受力状态分析模型图

4.5 现场试验

为了确认是否存在安装偏心问题，在现场对新安装的锚索测力计采取了在锚垫板上绘制对中圆圈、对锚垫板表面进行打磨处理及吊起锚索测力计进行对中及其他一系列对中措施，但是实测数据表明千斤顶所加荷载与锚索测力计测值仍有明显差距。通过理论分析与现场试验表明，锚索测力计安装偏心对千斤顶压力表读数和锚索测力计测值的差值影响较小，并不是造成二者差距较大的主要原因。

5 限位板与锚具配套问题

5.1 限位尺寸偏小受力状态分析

通过逐项排查后，问题的焦点集中在限位板与锚具是否匹配的问题上。限位板的选择通常由生产锚具的厂家根据锚索锚束公称直径提供配套产品，才能达到良好的效果。当限位尺寸理想时，工作锚夹片对钢绞线的摩擦力相对张拉力可忽略不计。在预应力钢绞线张拉和卸载回缩过程中，工作锚夹片始终对预应力钢绞线有机械啮合力，为了防止卸载回缩时滑丝，锚具厂专门减小限位板凹槽深度，以在张拉时刮伤预应力钢绞线为代价达到减小卸载瞬间荷载损失的目的，其结果是降低了预应力钢绞线的强度，更重要的是在张拉过程中，工作锚夹片对钢绞线的摩擦力是一个未知数，张拉力被此摩擦力抵消多少，也是个未知数[2]。此受力状态分析模型见图9。

图9 限位尺寸偏小受力状态分析模型图

将工作锚、夹片以及夹片中钢绞线段作为一个整体的研究对象进行受力分析。根据静力平衡原理竖直方向平衡方程为：

N-F钢绞线= 0

(4)

以钢绞线为研究对象，根据静力平衡原理则有：

F-f-F钢绞线= 0

(5)

由于钢绞线与夹片摩擦力f与竖向压力m呈正相关关系，设k为相关系数，则有：

f=k·m

(6)

将式(5)与(6)代入(4)式，可得千斤顶施加荷载与锚索测力计测值之差△为：

△=k·m

(7)

5.2 与实测数据对比

对2台次锚索测力计测值与千斤顶施加荷载进行统计，绘制过程线见图10，通过实测数据可知千斤顶施加荷载与锚索测力计测值之间确实基本呈正相关。

5.3 试 算

当限位板凹槽深度较浅时，千斤顶加载后限位板凹槽内的夹片被限位板推入工作锚具，“咬住”锚束。随着千斤顶荷载继续增加，夹片受到的推力保持不变，钢绞线与夹片摩擦力保持不变，增加的荷载由工作锚具承担。千斤顶施加荷载与锚索测力计测值之差基本保持不变。对k值取0.05～0.5，m值取10～100 t，按式(7)进行试算，结果见表4。试算表明工作锚夹片对钢绞线的摩擦力对测力计测值的影响较为可观。

表4 千斤顶读数与锚索测力计测值之差试算表

5.4 现场检查

为了进一步验证限位板与锚具的配套问题，现场检查发现锚索张拉所用限位板限位尺寸为6.5 mm，为锚具生产厂家提供的配套产品。根据厂家提供资料，该型限位板适用于钢绞线直径为15.2 mm的情况。但是经过现场测量发现，所用钢绞线实际直径为15.5 mm。厂家提供的钢绞线直径与限位尺寸配套说明见表5，钢绞线直径与限位尺寸配套关系见图11。

表5 钢绞线直径与限位尺寸配套说明表

根据钢绞线实际直径应选用的限位尺寸应为7.8 mm，目前选用限位板尺寸小于厂家要求1.3 mm，限位尺寸偏小，限位槽偏浅。查看次锚索钢绞线，发现在锁定部分有明显的刮伤痕迹，刮下的钢屑均充填在夹片中。

图11 钢绞线直径与限位尺寸配套关系图

6 结 语

经分析、试算与现场实地考察发现，本工程2台次锚索测力计与千斤顶测值差距较大的主要原因在于限位板限位槽较浅，锚索张拉时夹片被限位板顶入工作锚，造成张拉力与锚索测力计测值差。千斤顶读数误差、锚索测力计误差、安装偏心等因素也造成一定影响。

针对于大吨位锚索测力计的安装，特提出以下建议：

(1) 应根据现场测量的锚索锚束实际直径，选择购买同一厂家生产的锚具与配套的限位板。如果无法买到合适尺寸的限位板，可通过在限位板内增加垫圈的方法来调整限位深度。

(2) 安装前应对测力计与千斤顶进行联合标定，得出千斤顶与测力计联合标定关系曲线。

(3) 锚垫板应平整光滑，并与测力计上下面紧密接触，测力计或传力板应与孔轴线垂直，其倾斜度应小于0.5°,偏心不大于5 mm。

(4) 从安装至张拉全过程应将锚索测力计吊起或支撑起来，并在锚垫板上绘制对中圆圈，将锚垫板打磨平整，保证锚索钻孔、锚索测力计、工作锚与千斤顶全部同轴。

参考文献:

[1] 易著炜,贾志欣.压缩分散型锚索在软弱岩土中的应用与试验研究[J].中国水利水电科学研究院学报,2010,8(2)：121-127.

[2] 李宗强,范振涛,徐明方.KM系列锚具限位板凹槽深度的现场测试研究[J].青岛理工大学学报,2012,33(6):90-93.

[3] 汪运星.预应力锚索测力计安装情况分析[J].大坝与安全,2004,(4):74-76.

[4] 区美华,魏振宇,黄冰.锚索张拉千斤顶标定值与测力计读数误差分析[J].广西水利水电,2006,(2)：46-48.

[5] 施正友,他维强,常新.建积石峡水电站溢洪道堰闸段工程中锚索测力计的应用[J].西北水电,2011,(S1): 105-107.

[6] 倪志鹏.拉西瓦水电站泄洪临时底孔部位试验性锚索测力计设计及安装质量控制[J].西北水电,2009,(3): 65-6.