后张法预应力伸长值计算与施工技术分析

刘军

【摘要】本文结合实例，从波纹管的连接穿束、特殊情况下预应力伸长量计算与张拉预应力损失分析、智能张拉技术、孔道压浆施工等方面详细分析阐述了桥梁工程中后张法预应力施工技术及质量控制要点，并进行了具体总结。

【关键词】后张法预应力；波纹管；钢绞线穿束；智能张拉技术

1、工程概况：

湖南某高速公路大桥跨径组合为：右幅2×30+40+2×30共5联，上部结构采用预应力钢筋混凝土现浇连续箱梁，梁高160cm，下部结构采用柱式墩、肋式台，基础为桩基础，采用OVM15-19型预应力张拉锚固体系。箱梁预应力钢束采用标准抗拉强度为=1860MPa的高强度低松弛钢绞线，其性能符合ASTMA416-97（270级）标准，公称直径15.24mm，公称面积140mm2。

2、波纹管的定位、连接与钢绞线穿束

波纹管管道采用的定位钢筋加工成井字型，纵向间距不大于1m；在曲线位置时适当加密，为0.5m，使其牢固地置于模板内的设计位置，并在浇筑混凝土期间不产生位移。且在曲线孔道位置的最高点开口设置排气管，之后用胶带密封好。波纹管接头一般可用大一号同型波纹管作为接头，接头的长度：管径为40mm～65mm时，取200mm；70mm～85mm时，取250mm；90mm以上时，取300mm；波纹管接头处一定要将波纹管界面用小锤整平，以防在穿束时引起波纹管翻卷致管道堵塞，且用胶带密封好。

穿束前检查锚垫板和孔道的位置是否正确，注浆孔和排气孔应满足施工要求，孔道内应畅通，无水份和杂物。穿束时将钢绞线理顺，用扎丝绑扎好，以防在穿束过程中钢绞线打绞；张拉时受力不均，导致有的钢绞线达不到张拉控制应力而有的则可能被拉断。将钢束端头做圆锥状，用氧焊焊牢，切忌使用电焊焊接。表面要用砂轮修平滑，以防刚束在波纹管接头处引起波纹管翻卷，堵塞孔道。当用人工穿束比较困难时，可将卷扬机的钢丝绳系在引绳上，然后开启卷扬机配合人工将钢束徐徐拉进孔内。

浇筑混凝土前检查波纹管是否有孔洞或变形，且在与锚垫板接头处，一定要用胶带堵塞好以防水泥浆渗进波纹管或锚孔内。浇筑混凝土时应尽量避免振捣棒直接接触波纹管，以防漏浆堵孔。在混凝土浇筑结束后终凝前，梁、板两头用人工（卷扬机）反复抽拔每束钢绞线，使每束钢绞线都处于自由状态，外露的钢绞线口处用胶带密封，以防止钢绞线锈蚀。

3、预应力伸长量的计算方法

预应力钢束理论伸长值△L（mm）的计算

△L= （1）

式中：--预应力束的平均张拉力（N）

L--预应力钢筋长度（mm）

--预应力束截面面积（mm2）

--预应力束弹性模量（N/mm2），采用委托试验报告的实测结果

预应力筋平均张拉力按照下面的公式计算。

（2）

式中：P--预应力筋张拉端的张拉力（kN）

--从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和（rad）

--孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数，设计图纸取值为0.0015

--预应力筋与孔道壁的摩擦系数，设计图纸取值为0.25

3.2特殊情况下的计算

①当孔道为直线时，=0时，简化为：

（3）

②当孔道为直线且无局部偏差的摩阻，时，简化为：

（4）

3.3预应力筋的张拉力P的计算：

（5）

式中：--预应力筋张拉端的张拉力（kN）

--预应力筋的平均张拉控制应力（MPa）

--预应力束截面面积（mm2）

--同时张拉时钢绞线的根数

--超张拉系数，不超张拉時为1.0

3.4实际伸长值的计算：

（6）

式中：--从初应力至控制张拉应力间的实测伸长值（cm）

--初应力时的推算伸长值（cm），可采用相邻级的伸长度

4、特殊情况下预应力筋伸长量计算与张拉应力损失分析

4.1直线及纵断面曲线一般预应力筋伸长量计算分析

预应力筋的伸长量一般可按虎克定律进行计算，在非直线段时一般情况下可采用总转角套用《桥规》附录给出的公式进行计算即可满足施工控制要求，但当有特殊要求时应分段计算。由于《桥规》提出的θ值为从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和（rad），在单端张拉及设计中对于转折较短的曲线段近似地标注成折线段时，一些技术人员容易混淆正负角度及曲线角度的计算概念，笔者认为可按图1及图2进行理解计算。从图中不难看出切线角A等于曲线替代后的转角B与转角C之和，故在计算时可理解为θ值为从张拉端至计算截面孔道各部分的转角绝对值之和（rad）。

图1 图2

4.2 环向预应力筋伸长量计算分析

预应力筋按环形布设时孔道偏差和同束各钢绞线受力不均匀同时会影响钢束的伸长量。钢绞线根数较少时，两者的影响较小，当钢束只有一根钢绞线时，两者对钢束伸长量几乎没有影响。预应力张拉时，钢束在孔道的非直线部分产生较大的径向压力，使得同束各钢绞线不断密实，排列层次与位置发生重组，各钢绞线间受力不均匀加大。导致伸长量阶段增量不相同的主要原因是同束各钢张的受力不均匀。且张拉力分级等量增加时，伸长量的增量平均值亦不相等。大吨位小半径环向预应力束的伸长量实测值与传统计算值（设计值）相差较大，最大可达53%。造成误差的主因是回转角度大，在张拉过程中应考虑钢纹线自由长度不均匀和非弹性变形引起的附加伸长量后，总伸长量计算值与实测值才接近。

4.3 空间曲线预应力筋伸长量计算

根据虎克定律等力学进行分析，预应力筋的应力应按实际的转折角度进行计算，故在平曲线梁体的空间曲线预应力筋伸长量计算除切线夹角之和改为空间转角之和（式7）外，其余计算方法及取值与《桥规》相同。按相关工程实践验证，该方法计算所得的理论伸长值能满足施工控制要求。

空间转角之和计算参考公式：

（7）

式中： i--第i段预应力筋的垂直面的转角（rad）；

i--第i段预应力筋的平面的转角（rad）。

4.4 张拉应力损失的量测和估算

由于受施工因素、材料性能和环境条件等的影响，预应力钢筋在张拉时所建立的张拉控制应力，将会有所降低。为了使预应力筋中实际存余的有效预应力与设计值相符，必须对张拉控制力和预应力损失进行准确的量测和估算。张拉应力损失的量测方法可参见《评标》"附录G-9预应力损失的测定"，其内容主要包括锚圈口摩阻损失的测定及孔道摩阻损失的测定。在不具备测试条件时可参考（式8）（该公式未考虑管道的反摩阻影响）及式9计算，有必要时增加计算温差损失（式10）、混凝土的弹性压缩损失（式11），下列公式符号无说明者与《桥规》一致，并可按相应表列数值进行取值计算，本文因篇幅所限不再列述。

锚具变形损失：LEp/L （8）

式中：L--锚具变形、预应力筋回缩和接缝压缩容许值（mm）；

孔道摩阻损失：=con[1-e-（+kx）] （9）

温差损失：=2（t2-t1） （10）

式中：--由预应力钢筋与台座间的温度差造成的应力损失（MPa）；

t1--混凝土加热养护时受拉钢筋的最高温度（mm）

t2--锚具变形、预应力筋回缩和接缝压缩容许值（mm）

混凝土的弹性压缩损失：

（m-i） （11）

式中：--第i批张拉钢筋的弹性压缩损失（MPa）；

--预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；

m--分批张拉的批数；

i--已张拉的批数（包括此次张拉批在内）。

针对本桥预应力钢绞线均采用两端张拉，并采用张拉应力与引伸量双控。实际伸长值与伸长值的差值控制在6%以内，锚下控制应力为0.75=1395MPa。

严格遵循图纸规定的张拉顺序进行张拉。根据图纸要求，在实测力方体抗压强度不小于其设计标号的85%后，进行腹板内纵向预应力张拉。

5、智能张拉技术

桥梁预应力张拉智能控制系统主要组成部分有：智能张拉系统平台、 LZ-5901智能张拉仪和专用千斤顶组成。智能张拉系统操作简单，界面人性化，适应各种施工场地环境。借助智能张拉系统，可以自动读取梁板参数，智能计算张拉过程的压力值，无线控制油泵的进退油，实时无线采集油压与位移信息，自动生成预应力张拉记录表等功能。全程无需人工干预，且具有错误纠正、数据同步、张拉申核等张拉过程控制，核心是在预应力张拉控制和施工技术总结的基础上，通过计算机来控制张拉施工过程，完全改变了传统的通过人工来操纵油泵进行张拉操作，真正地实现了张拉的同步性控制。

5.1智能张拉顺序控制

5.1.1张拉顺序遵循均匀对称，偏心荷载小的原则，以确保结构及构件受力均匀，张拉过程中不产生扭转、侧弯，防止混凝土产生超应力、过大的附加应力与变形。此外，安排张拉顺序还应考虑到尽量减少张拉设备来回移动次数。

5.1.2对于T梁横向两束并排，其中一束只张拉50%设计应力。另一束张拉至100%设计应力，再回过头来将先张拉的力补张拉至100%设计力，尽量做到横向对称，避免横向产生偏心造成平弯开裂现象。

5.1.3对于同一束扁锚如采用分索张拉应从中心孔开始张拉，再对称进行。

5.1.4对于同一孔的张拉有一次完成，两次完成的（且只有这两种情况），要求能够看到每次过程对应的伸长值。

一、对于一次张拉到位的，张拉顺序：10%→20%→100%

张拉力（该力在实际操作时提供单位为mpa的参数）

对应伸长值

有效伸长值M的计算公式为：

M=B+C-2D-6

最后将M与标准值S，计算得到伸长率K：

K=（M-S）/S * 100%

范围在 -6%～+6%时为合理范围

10%

D

20%

C

100%

B

二、对于两次张拉到位的，张拉顺序：10%→20%→50%，退顶，再直接100%。

张拉力（该力在实际操作时提供单位为mpa的参数）

对应伸长值

有效伸长值M的计算公式为：M=（A-B）+（C+D-2E）-6

最后将M与标准值S，计算得到伸长率K：

K=（M-S）/S * 100%

范围在 -6%～+6%时为合理范围

10%

E

20%

D

50%第1次

C

回油，退出千斤顶

50%第2次

B

100%

A

注：有效伸长值计算中要减去6，是因为我们测到的是千斤顶内缸的伸出长度，而该长度比钢绞线的实际伸长长度要多出6个毫米。

5.2智能张拉质量控制

5.2.1施工中要严格执行梳编穿束工艺，以防索力不均度，钢绞线穿束时相互缠绕。

5.2.2限位板应将写有对应使用规格数字的面对准工作锚板安装，安装后保证工作锚板在锚垫板止口内；

5.2.3保证限位板、千斤顶、工具锚板同轴。

5.2.4张拉控制力达到稳定后方可锚固，夹片相互间错位不宜大于2mm，露出锚具外高度不应大于4mm。

5.2.5工具錨板锥孔、工具夹片应经常涂润滑剂。

5.3張拉安全控制：

5.3.1张拉现场应有明显标志，与工作无关的人员严禁入内。

5.3.2作业应由专人负责现场指挥。

5.3.3专用千斤顶支架必须与梁端垫板接触良好，位置正直对称，严禁多加垫块，以防支架不稳或受力不匀倾到伤人。

5.3.4已张拉完，而未压浆的梁，严禁剧烈震动。以防止预应力筋断裂或锚具崩开而酿成重大事故。

6孔道压浆

一般在张拉后24h内进行张拉孔道内的压浆作业，如情况特殊不能及时压浆，应采取保护措施保证锚固装置及钢绞线不被锈蚀，以防滑丝。

压浆是后张法预应力施工中的最后也是关键的一步，压浆前对压浆机进行认真检查、标定、压浆使用活塞式压浆泵，不得使用压缩空气。压浆前向管道内注压清水冲洗管道，对于管道内可能发生的油污等，可采用对预应力筋和管道无腐蚀作用的中性洗涤剂或皂液用水稀释后冲洗。

压浆时对于曲线管道和竖向孔道应从最低点的注浆孔压入，并将最高点所有的排气孔依次开放和关闭。压浆顺序应先压下层孔道，压浆时间视情况而定，宜在40min左右。压浆的压力大小宜控制在0.5kPa～0.7kPa，为保证管道中压浆饱满，关部出浆口后，应保持不小于0.6kPa的一个稳压期并持荷3min。当孔道较长采用一次压浆时，最大压力可控制在1.0kPa。

压浆应缓慢、均匀地进行且不得中断，水泥浆在使用前和压注过程中应连续搅拌。压浆过程中及压浆后的48h内，结构混凝土的温度不得低于5℃，否则采取保温措施；当气温高于35℃时，压浆宜在夜间进行。

7、结束语

综上所述， 后张法预应力施工一般根据设计要求及行业标准的规定进行施工控制，根据《公路桥涵施工技术规范JTJ041-2000》（以下简称《桥规》）规定并结合施工经验，笔者认为在预应力张拉施工质量控制工作主要在于加强张拉施工前控制、张拉施工过程控制，以确保预应力施工的质量，其中智能张拉系统大幅度的改变了传统施工的弊端，有效提高了施工的精确度。随着预应力施工工艺不断的完善和创新，智能张拉技术的应用，其施工技术必将会使桥梁工程建设质量来一个大飞跃。

参考文献：

[1]TJ41-2000，公路桥涵施工技术规范[S]，北京：人民交通出版社，2000.

[2]JTG F-80/1-2004，公路工程质量检验评定标准（土建工程）[S]，北京：人民交通出版社，2004.