复张法在有效应力检测中的应用分析

高凤山

(杭州市公路管理局，杭州 310030)

复张法在有效应力检测中的应用分析

高凤山

(杭州市公路管理局，杭州 310030)

复张法是当前较为普遍的一种有效应力检测方法，主要用于对混凝土构件预应力钢绞线进行应力检测。该方法是对露在构件体外的钢绞线进行张拉，用测得的张拉力和钢绞线位移的对应关系来计算有效应力点。复张法进行锚下应力检测有单根钢绞线张拉和整束钢绞线张拉两种方式。对整束张拉而言，同一束钢绞线中的预应力不均匀会导致超张拉、欠张拉的情况。本文通过对同一片梁分别进行单根张拉和整束张拉检测试验，得出结论：单根张拉及评判较为合理，整束张拉无法得出实际有效应力值。

复张法；钢绞线；应力检测

预应力技术在土木工程中应用十分广泛。预应力施工质量与结构使用性能及安全性息息相关[1]，目前预应力施工主要采用数控张拉技术，该技术是利用计算机智能控制，通过仪器自动操作，来完成对钢绞线的张拉。数控张拉技术主要解决了张拉力控制精度、张拉同步性以及张拉数据测量准确性的问题，但仍有一系列问题尚未解决：张拉控制应力不合理，预应力损失过大，进而导致有效预应力不满足要求；同束钢绞线有效预应力不均匀度过大，同断面有效预应力大小和均匀度不满足要求；资料管理不规范，信息化程度低；缺乏可靠的检测仪器，成熟的检测方法以及适当的评价手段。因此应对预应力构件进行张拉应力的检测，以确保构件符合相关标准和规范。

现行国家及地方规范对预应力施工的有效应力检测指标及检测频率都有一定的要求。目前工程界较多的是使用复张法来进行锚下有效张拉应力的检测。复张法首先由Bruce等提出后在日本及香港地区开展了相关研究，国内也进行了少量试验研究，都是将预应力钢绞线张拉力取为荷载-位移曲线拐点处对应的荷载值[2]。

复张法原理可靠，检测精度高，且操作非常方便，已在全国多省的公路桥梁工程中得到了较为广泛的应用[3]。目前采用复张法进行锚下有效应力检测有单根张拉和整束张拉两种方式，由于整束张拉相比单根张拉省时高效，很多工程中倾向于采用整束张拉进行有效应力检测。然而一束钢绞线中存在应力不均匀的情况，同时张拉无法得到单根钢绞线的实际有效应力[4]。本文依托浙江省嘉兴市某在建工程中的预应力检测项目，对同一根梁分别进行单根张拉检测和整束张拉检测，通过该实例针对整束张拉存在的问题进行分析。

1 复张法原理

1.1 复张法体系工作原理

采用复张法对预应力构件的钢绞线进行有效应力检测，首先在与构件连接的工作锚后依次安装前端限位板、测力计、后端限位板、穿心式千斤顶。位移传感器记录钢绞线的位移，将位移传感器和应力传感器连接到测试系统后进行数据的实时采集并绘制荷载-位移曲线，通过监控曲线的斜率变化，找出应力拐点，即锚下有效应力点。复张法工作体系如图1所示。

图1复张法工作体系

1.2 复张法检测物理模型

弹性材料中力与变形的关系遵守胡克定律，可按照下式[5]来表达:

式中：△L为弹性拉杆(此处指预应力钢绞线)的伸长量，mm；F为施加在预应力钢绞线上的外力，kN；L为受力钢绞线的总长，mm；E为预应力钢绞线的弹性模量，MPa，根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010的表4.2.5，取E=1.95×105MPa；A为预应力钢绞线的截面积，mm2。目前应用最为广泛的7丝标准型公称直径15.2mm，其截面面积为A=140 mm2。

由上式可得弹性系数：

复张法检测技术利用上述物理模型，通过二次张拉预应力构件中的钢绞线，来绘制其应力-应变曲线，最终剔除各种误差得到准确的“拐点”，以此作为钢绞线的有效应力值。现阶段采用复张法进行锚下有效应力检测有单根张拉和整束张拉两种方式，下文将对这两种张拉方式的合理性进行分析。

2 单根张拉及分析

复张法进行有效应力检测是通过对露在结构体外的钢绞线进行张拉，随着张拉力的增大，被测结构体系会经历三个阶段：稳态1、非稳态、稳态2。通过测试钢绞线的张拉力和位移量来计算有效应力点。(当张拉力增大到钢绞线外露段和结构体内段一同受力时，曲线出现拐点，斜率发生明显变化，该拐点可认为是钢绞线的锚下有效应力点。)

图2 单根张拉示意图

图3 单根张拉F-S曲线

图2所示预应力梁的钢绞线外露受力段长为0.15m，结构体内受力段长为30m，利用复张法对其进行有效应力检测，千斤顶张拉力为F外，钢绞线有效预应力为F内，张拉过程中产生的摩擦力为F摩阻，我们对整个张拉过程的三个阶段进行分析。

(1)当F外

该阶段，外力无法拉动内部钢绞线，工作夹片未发生滑动，钢绞线被工作锚分为内外两个部分，仅有外部钢绞线L外=0.15m段发生形变伸长，该段曲线的斜率k1应为L外段钢绞线对应的弹性系数。

(2)当F外≤F内+F摩阻时：非稳态阶段

该阶段，外部应力接近内部应力，工作夹片与工作锚正开始发生相对滑动，由于F外除了克服F内外，还要克服工作夹片与工作锚间的摩擦力，因此F-S曲线上往往会出现一个尖峰，然后消失。

(3)当F外=F内时：稳态2阶段

该阶段，尖峰过后，工作夹片完全从工作锚中滑出，F外也对应下降至F内。此时外部应力等于内部应力，工作夹片已完全滑出，内外部钢绞线成一个整体，发生形变伸长的钢绞线长度为L内+L外。该段曲线的斜率k2应为L内+L外整根钢绞线对应的弹性系数。

弹性系数k1=182000远大于k2=905，因此在张拉荷载-位移曲线上会出现非稳态与稳态2的交界点，即所谓的有效应力拐点。

3 整束张拉工程实例及分析

3.1 工程实例

下面通过工程实例来分析整束张拉的有效应力检测结果。嘉兴市某预应力检测工程中，一片有四根钢绞线的预应力梁，长30m，首先使用单根张拉法对其进行有效应力检测，得到四根钢绞线的实际有效预应力分别是F1=162kN，F2=168kN，F3=170kN，F4=175kN。接着又对该梁进行整束张拉来检测钢绞线的有效应力，此过程中不考虑摩擦力。现场检测结果的数据逐步分析如下。

(1)当千斤顶外力F外<162×4=648kN时，由于所有钢绞线受到的外力都小于自身预应力，因此工作夹片未发生滑动，钢绞线被工作锚具分为内外两段。只有外段钢绞线在受千斤顶拉力，系统整体处于稳态1阶段。如图4、图5所示。

图4 整束张拉示意图-稳态1

图5 整束张拉F-S曲线-稳态1

(2)当千斤顶的外力F外=162×4=648kN时，第一根钢绞线的工作夹片开始滑动，钢绞线被拉出后内外两段合为一根，出现第一个尖峰，此时有效应力点的最小可能值出现，其余三根钢绞线仍然是F外

图6 整束张拉示意图-非稳态1

图7 整束张拉F-S曲线-非稳态1

(3)随着外力的继续增大，F外=168×4=672kN时，第二根钢绞线的工作夹片开始滑动，钢绞线被拉出后内外两段合为一根，出现第二个尖峰，剩余两根钢绞线仍然是F外

图8 整束张拉示意图-非稳态2

图9 整束张拉F-S曲线-非稳态2

(4)外力继续增大，F外=170×4=680kN时，第三根钢绞线的工作夹片开始滑动，钢绞线被拉出后内外两段合为一根，出现第三个尖峰，只剩余一根钢绞线仍然是F外

图10 整束张拉示意图-非稳态3

图11 整束张拉F-S曲线-非稳态3

(5)当外力增大到F外=175×4=700kN时，第四根钢绞线的工作夹片开始滑动，钢绞线被拉出后内外两段合为一根，出现第四个尖峰，如图12、图13所示。

图12 整束张拉示意图-非稳态4

图13 整束张拉F-S曲线-非稳态4

(6)最终，所有钢绞线均被拔出都成为整体，工作夹片全部脱落，有效应力点的最大可能值出现，系统整体进入稳态2阶段，见图14所示。

图14 有效应力点范围

采用整束张拉进行有效应力检测时，从第一根钢绞线的工作夹片滑出开始，到第四根钢绞线的工作夹片滑出为止，共出现了四次拐点，因此无法在该范围内准确判定有效应力点。

3.2 实例分析

上述试验结果为比较理想的受力情况，四根钢绞线依次出现了拐点。因此，当外力达到700kN时，有效应力最大的第四根钢绞线内外力均衡，而其余三根钢绞线的外力早已超出其施加的真实预应力，这种情况下复张拉对预应力构件的承载力及安全性能都会产生不利影响。

另外，实际工程应用中，并非每根钢绞线的夹片会依次拔出，由于各根钢绞线预加应力大小不尽相同，会出现多种可能性，因此曲线也将出现多个拐点，从而无法判定有效应力点。

因此，要准确判定钢绞线束的有效应力，应该通过单根钢绞线复张法得出每一根钢绞线的有效应力，然后将这些钢绞线的有效应力相加从而得出整束钢绞线的有效应力。关于有效应力评判，可参照重庆市公路工程行业标准《桥梁预应力及索力张拉施工质量检测验收规程》 (CQJTG/T F81-2009)中第6.2.2条表6.2.2-3，对有效应力同束不均匀度作出要求，允许偏差为±5%。因此通过单根钢绞线复张法检测到的各根钢绞线有效应力进行对比，可判断有效应力同束不均匀度是否在规范规定的允许偏差范围内。

4 结 语

本文介绍了复张法进行预应力混凝土构件锚下有效应力检测的原理，用单根张拉的方式介绍了复张法检测的工作历程及有效应力点判定的方法。在某预应力检测工程中对同一根预应力构件采用单根张拉及整束张拉两种方式进行检测。

预应力工程中普遍存在同束钢绞线应力不均匀的情况[6]。本文案例在整束张拉过程中，由于各根钢绞线有预加应力不均匀，导致应力-应变曲线中出现多次拐点，无法得出准确的有效应力点，因此整束张拉不便于进行锚下有效应力的检测；单根张拉则可以准确得出每根钢绞线的有效应力点，便于进行钢绞线有效应力的检测。

[1]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,(1)：12-14．

[2]成剑波,姚晨,张峰.反拉法检测预应力钢绞线工作应力的模型试验研究[J].公路与汽运,2015,(3)：181-184．

[3]邵永军,杨超.桥梁预应力锚索结构锚下预应力检测技术探讨[J]．公路交通科技:应用技术版，2013,9(7)：44-46．

[4]任传亭,刘伟超,凌天清,等.有效预应力不均匀度初探[J].公路交通技术,2015,(6)：63-67．

[5]单辉祖.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2009．

[6]刘伟超.预应力锚索锚固力检测方法研究[D].重庆:重庆交通大学,2015．

Analysis of Reverse Tensioning Method in Effective Stress Detection

GAO Feng-shan

(Hangzhou Highway Administration Bureau，Hangzhou 310030，China)

Reverse tensioning method is common to detect the effective stress at the moment; it is mainly used to detect the effective stress of pre-stressed steel strands in precast concrete members. The method is to stretch the steel strands which are exposed to the outside of the members, then calculate the effective stress point by tension and steel strand displacement. There are two ways to detect the under-anchorage effective prestress by using reverse tensioning method: single steel strand tension and a whole bundle of steel strands tension. For a whole bundle of steel strands tension, the prestress in the whole bundle is not uniform, there must be some over tension or under tension steel strands. In this paper, the effective stress of a beam is detected by single tension and integrated tension, a conclusion of the experiment shows that we cannot get the real effective stress from integrated tension method.

reverse tensioning method; effective stress; single steel strand; a whole bundle of steel strands; stress detection

2016-10-09

浙江省交通运输厅科技计划项目(2015-2-13)

高凤山(1964-)，男，浙江德清人，硕士，E-mail：hzgl_gao@126.com。

TU757.1

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2016.04.006

1671-234X(2016)04-0030-05