预应力锚索不均匀受力原因分析及对策

邢晓飞, 师亚龙, 沈文辉, 卢颖明

(1. 中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731； 2. 中铁马来西亚东方隧道公司，马来西亚 吉隆坡，58100；3. 武汉地铁集团有限公司，湖北 武汉 430030)

0 引 言

随着城市的发展，越来越多的深大基坑出现在城市中。预应力锚索加固技术由于其经济合理、安全可靠、施工快捷、及对岩体扰动小等优点被广泛运用到基坑及边坡加固中[1-2]。锚索在张拉过程中，同一锚束中的多跟钢绞线存在受力严重不一致现象，根据现场锚索张拉试验可知，多数锚索测力计示值偏心达50%以上，如表1，甚至出现个别应变计不受力现象，严重影响施工安全，为基坑后续开挖埋下安全隐患。目前国内外对锚索偏心受力研究甚少，大多数研究集中在锚索测力计读数大小与千斤顶示值不一致现象的对比分析及相关预应力损失这方面[3-7]，对锚索本身的不均匀受力研究较少。

付文光等[8]通过对室内外试验与工程数据汇总分析，得到轴力计示值与千斤顶示值不匹配的主要原因为：仪器设备使用错误及数据错误、测量仪器误差、构件误差及安装误差等导致的施工误差、锚索张拉及锁定时应力损失等；韩光等[9]对预应力锚索应力损失的影响因素及其补偿措施进了详细对比分析和研究，得出了影响锚索预应力损失的因素包括，锚索材料钢绞线的松弛、锚固对象岩土体的变形以及施工中的张拉、锁定等；陈沅江等[10]通过对边坡的预应力锚索现场试验，得出了锚索预应力损失定量规律，并将预应力损失分为定量损失和时程损失，其中前者占比大约为初始张拉荷载的8%，后者分为短期和长期损失，其中长期损失可占初始张拉荷载的15%左右；刘新荣等[11]通过对基坑预应力损失规律及分级张拉控制措施进行现场试验研究，发现使用分级分步张拉，可有效控制张拉锁定及开挖过程中的预应力损失。

目前国内对于预应力锚索张拉过程中，锚束偏心受力的情况研究较少。因此，笔者针对预应力锚索张拉过程中产生的偏心受力问题进行详细分析，并对其存在的问题给出了相应的措施，为今后类似工程提供参考。

表1 某地铁车站锚索测力计受力统计Table 1 Force statistics of an anchor cable dynamometer at a subway station

1 预应力锚索施工工艺流程

锚索在施工前，首先应根据设计图纸，进行测量放样，确定其准确位置。其次确定钻孔角度，然后调整钻机钻头的倾斜角度，进行钻孔作业。在钻孔作业中，应注意当钻头进入软硬土层交界面时，钻头角度极易产生偏差，造成所钻孔的倾斜角度与设计角度有一定偏差，此时应注意控制钻孔速度。然后向锚索孔中，投放预应力钢绞线。再对锚索孔灌浆处理，并预留混凝土块，进行实验室标准养护，待达到设计张拉强度，进行预张拉。最后根据设计分级张拉荷载，达到设计预加荷载时进行锁定。锚索主要施工流程如图1。

2 预应力钢绞线偏心受力原因分析

锚索测力计是测试锚索受力的主要测试元件，首先将达到强度要求的预应力钢绞线穿过锚索测力计，锚索测力计安装于锚垫板与工具锚之间，在每级荷载下，测读锚索测力读数。

图1 锚索施工工艺流程Fig. 1 Flow diagram for cable construction process

根据各应变计的读数计算整个预应力锚索的受力情况。现场试验结果表明，每次加压后各应变计的变化量不相同，有时差别还较大，即表明锚束之间存在不均匀受力。

由锚索施工工艺流程可以看出，造成钢绞线偏心受力的主要原因大致可以分为两个方面：① 施工误差，是主要因素，并且只能减小，很难消除；② 设备因素，由张拉设备不匹配及张拉过程中千斤顶重力所引起。

2.1 施工误差

1)锚孔倾斜角度误差。锚孔倾斜角度误差是指实际倾斜角度与设计倾斜角度不一致，造成该现象的主要原因有：① 钻机钻头开钻时，定位错误；② 钻机在钻孔过程中，钻机摆放位置处的地基不稳，造成不均匀沉降；③ 当钻头由桩体进入土体以及由土体进入岩石时，钻头角度极易产生偏差，造成所钻孔的倾斜角度与设计角度有一定偏差。

2)锚座或腰梁安装误差。基坑围护结构中的锚索张拉均是成批次、对称进行，锚索基座的安装位置均设置在腰梁上，腰梁在施做过程中由于每根桩表面凿除时，很难做到完全平整一致，使腰梁与锚座在安装过程中存在一定的施工误差。

3)钢绞线伸出端头角度不一致。锚束放入锚孔中后，注浆造成同一锚束中的多条钢绞线，特别是端头处的钢绞线，张开角度不一致，如图2。导致钢绞线在穿过锚具锚孔时，产生的附加应力不一致，导致后续张拉过程中各根钢绞线受力大小不一，产生偏心现象。

图2 端头处钢绞线张开角度Fig. 2 Strand opening angle at the end

4)钢垫板在张拉过程中产生变形，以及钢垫板表面平整度较低等，使锚索产生偏心受力现象。

2.2 设备因素

1)张拉设备不匹配，造成较大偏心现象。锚具、夹具以及张拉千斤顶均应配套检定、配套使用，应避免锚具孔数与钢绞线根数不匹配现象。

2)千斤顶自重。张拉过程中应采取悬吊措施，抵消千斤顶在自重应力作用下所造成的“低头现象”。

3 现场张拉试验数据分析

针对现场前期已安装的锚索测力计，从测试数据来看，大部分锚索测力计均存在较大的偏心受力现象，表明多数锚索受力偏心较大，对结构安全性埋下了安全隐患。基于此，笔者在现场进行多次张拉试验。试验主要分为两种情况进行：① 常规张拉方法，锚索测力计直接安装在钢垫板上如图3(a)；② 在钢垫板上添加辅助纠偏装置，然后将锚索测力计安装在辅助纠偏垫盘上如图3(b)。

图3 预应力锚索现场试验Fig. 3 Field test of prestressed anchor

图4、图5分别为常规加压和添加纠偏垫盘时的偏心率变化曲线图。由图4、5可以看出，① 常规加载情况下，锚索偏心率并不随着加载应力的增大而减小，添加有纠偏装置的锚索测力计偏心率随加载应力的增加大幅减小；② 两种加载方式下，初始偏心率均较大，且无规律；③ 带有纠偏垫盘的锚索测力计在加载过程具有自适应纠偏功能，随着加载力加大，垫盘产生滑移，从而起到应力调整使受力均匀的作用。

在个别添加纠偏装置锚索张拉试验中，效果并不是很明显。此时可以通过外力，悬吊千斤顶使垫盘产生滑动，减小偏心率。在外力纠偏时，应清楚锚索偏心方向，以免造成反向调节，从而使锚索偏心率增大。

图4 正常加压下锚索偏心率曲线图Fig. 4 Anchor cable eccentric curve with normal pressurization

图5 添加辅助纠偏装置时锚索测力计偏心率曲线图Fig. 5 Anchor cable dynamometer eccentric curveunder auxiliary corrective device

4 预应力锚索最大允许偏心率

根据吉隆坡地铁大马城北站设计公司所给出的锚索工作荷载、极限荷载以及预警荷载，对预应力锚索最大允许偏心率进行探讨。表2为一对预应力锚束受力设计值。该表所给量值均为每对锚束的设计值，而在实际中设计有2～6对，此时受力设计值则按倍数增加。

表2 预应力锚索张拉设计值Table 2 Prestressed anchor cable tension design

锚索所能承受的最大偏心率，即个别锚束在达到极限抗拉强度时，所受到的最大偏心率。笔者主要以吉隆坡地铁大马城北站为例，对预应力锚索张拉过程中所允许的最大偏心率进行分析。相对来说锚束越多，其张拉过程中受力越趋于均匀，通过现场试验发现，大多数的较大偏心受力出现在2,3,4对钢绞线上。笔者亦只针对上述三种情况进行分析解析，主要考虑在该锚索破坏之前，锚索测力计示值应提前达到预警荷载。同时由于锚索所穿过的锚具均是左右对称进行张拉，因此宜采用对称分析，假设左右两侧的锚束受力一致。

由表2可知，对于2对锚束的锚索其预警荷载值为358 kN,3对锚束的锚索其预警荷载值为537 kN，4对预警荷载值为716 kN，每对锚束的极限抗拉应力为238 kN。锚具平面布置图，如图6。

图6 锚具平面布置图Fig. 6 Anchor layout

假设最下方的锚索达到极限屈服强度时，对通过最上方锚索所能承受的最小应力进行偏心应力分析。① 2对锚束时，由设计图纸可知每对锚束的极限抗拉强度为238 kN,此时上面的锚束所受应力为358-238=120 kN，那么此时的偏心率为：(238-120)/238=49.6%左右。② 3对锚束时，经计算得：最上面受力约为126kN，中间锚束受力为168kN， 因此可得偏心率为：(238-126)/238=47.1%，③ 同理，经计算可得4对锚束时，最上面一对锚束受力为128 kN，经计算可得最大允许偏心率约为46.2%。以上计算均是在锚索受力最不利情况下，结构受力达到预警荷载时的最大偏心受力。

由设计文件可知，预警荷载值与极限承载力比值为75%，而根据设计单位相关资料显示，结构预警值分别按极限荷载的55%，70%，85%来分别设置为黄、橙、红三级预警值。因此预警荷载值为结构所能承担的极限荷载的85%时，此时所允许最大偏心率则分别为：30.3%(2对锚束)，29.0%(3对锚束)，29.4%(4对锚束)。

上述计算是在结构安全系数为1.6。参照国内设计规范，安全等级为一级的锚拉悬臂支挡结构的安全系数为1.35，此时所对应的锚索设计值及预警值如表3。

表3 修改安全系数后的预应力锚索张拉设计值Table 3 Prestressed anchor cable tension design

同理可计算此时不同数量下锚索最大允许偏心率如表4:

表4 安全系数为1.35时预应力锚索最大允许偏心率Table 4 Statistical table of maximum allowable eccentricity ratio of prestressed anchor cable with safety factor of 1.35

综上分析可知：① 结构安全系数越低，其偏心率要求越小；② 结合大马城北站设计资料分析可知锚索的最大偏心率不宜大于30%。

5 结 论

笔者在分析造成预应力锚索张拉过程中的偏心受力问题基础上，提出了相应的预防措施。同时并对锚索受力的最大偏心率进行了探讨。得出了以下主要结论：

1)造成锚索偏心的主要原因可以分为两类，即施工误差和设备因素。其中施工误差又可分为，锚孔钻孔倾斜角度误差、腰梁安装误差、锚索安装误差及钢垫板质量；设备因素主要可分为，张拉设备不匹配和千斤顶自重。

2)锚索偏心受力，较为普遍，但是过大的偏心受力将会对结构安全性造成严重影响。

3)通过现场对比张拉试验可知，辅助纠偏垫盘有助于减小锚索偏心受力。

4)通过对基隆地铁大马城北站的设计资料的对比分析，建议锚索偏心受力其偏心率不宜超过30%。