后张法预制箱梁预应力损失探讨

刘浩波

（中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 涿州 072750）

0 引言

预应力混凝土箱型桥梁除了具有钢筋混凝土桥梁的所有优点之外，还能够充分利用高强度材料，使得构件截面弯矩、自重弯矩占总弯矩的比例大大下降，从而使桥梁的跨越能力得到提高。 随着高速铁路的快速发展，预应力混凝土简支箱梁得到广泛的应用。

由于生产工艺和材料的固有特性等原因， 在箱梁预制和使用中，预应力筋的应力值不断降低。如果在施工过程中不考虑这些应力损失， 将影响箱梁在荷载作用下的结构性能。若预应力损失过大，则不能保证箱梁的荷载承受能力，达不到箱梁的设计指标，甚至还会降低箱梁的安全性能和使用寿命。因此，开展预应力混凝土箱梁预应力损失的研究十分必要。

中铁十八局集团第一工程有限公司京滨铁路宝坻制梁场承担着京滨铁路DK116+093.73～DK141+251 段662 榀后张法预应力混凝土简支箱梁预制任务。笔者以宝坻制梁场张拉工序为例，探讨了后张法预制箱梁张拉施工时， 张拉力损失原因及减少张拉力损失的措施。

1 预应力损失产生的原因

预应力损失包括钢绞线松弛损失，锚具变形、钢绞线回缩引起的预应力损失，钢绞线与预应力孔道摩擦引起的预应力损失，梁体混凝土收缩、徐变和弹性变形引起的预应力损失。

1.1 钢绞线松弛损失

箱梁终张拉后48 h 内，完成孔道压浆作业。 箱梁架设使用后，不断承受荷载，钢绞线会慢慢变得松弛，钢绞线的控制应力会逐渐变小。 由于钢绞线材料自身组织的不均匀性， 应力松弛试验不可重复。 本文选用1×7-15.20-1860 钢绞线，按相关规定和要求进行应力松弛试验，试验参数如表1 所示［1］。 通过试验得出如下结论：初始应力越大，钢绞线松弛越多，应力损失越大。另外，钢绞线松弛损失还与温度、试验时间有关。

表1 应力松弛试验参数表Tab.1 Parameters of stress relaxation experiment

1.2 锚具变形、钢绞线回缩引起的张拉力损失

当对钢绞线张拉结束并进行锚固时， 锚具受千斤顶集中压力的作用， 工作锚和锚垫板间的缝隙会被挤紧，导致工作锚变形，从而造成应力损失。 工作夹片在钢绞线回缩自锚时，也会产生应力损失。锚具锚固力极限总应变试验结果如表2 所示［2-3］。

表2 锚具锚固力极限总应变试验结果Tab.2 Experiment results of limit total strain of anchorage force

1.3 钢绞线与预应力孔道壁间的摩擦引起预应力损失

钢绞线与预应力孔道摩擦引起预应力损失的主要原因是孔道弯曲和孔道定位不准。 孔道弯曲引起的预应力损失值随预应力管道弯曲角度变化而变化，弯曲角度越大，损失值也越大。 孔道定位不准主要是由于定位网片位置不准确，孔道不圆顺。此项损失主要取决于钢绞线的长度、 钢绞线与孔道壁间的摩擦系数和孔道成型的质量［4］。

1.4 梁体混凝土收缩、徐变引起预应力损失

箱梁进行终张拉前后， 梁体会产生较大的弹性变形，在终张拉后60 d 或更长一段时间，箱梁仍有残余变形存在，这个过程称为徐变。箱梁浇筑混凝土后，在混凝土凝结初期或硬化过程中，出现的体积缩小现象称为收缩。混凝土收缩、徐变会引起预应力损失，损失值与收缩、徐变量有关。 混凝土徐变量受时间、温度、荷载等影响。

1.5 梁体混凝土弹性压缩引起预应力损失

预制箱梁在预应力张拉阶段，已完成初张拉、并锚固的钢绞线， 在后续分批张拉时， 会发生弹性变形。箱梁终张拉完成以后，梁体混凝土会产生弹性压缩变形，从而产生预应力损失。

2 预应力损失控制

通过对宝坻制梁场近100 榀箱梁张拉工序进行分析，笔者总结出减少预应力损失，提高后张法预应力箱梁质量的措施。

2.1 箱梁张拉工序过程控制

2.1.1 预应力孔道摩擦损失控制［5］

预应力孔道摩擦损失控制是箱梁张拉工序过程控制的关键，主要表现在以下几个环节：（1）严格控制定位网片的加工、焊接质量和安装位置。定位网片的间距应严格按照设计值30 cm、50 cm 进行控制，并保证穿橡胶管后，管道不串动，顺直无死弯。（2）控制橡胶管穿束质量。穿橡胶管前，仔细检查橡胶管表层是否存在微小裂纹和管壁破损。穿橡胶管时，要防止钢筋划破管壁。将同一孔道内、两根抽拔管内的钢绞线进行对穿，穿入长度不少于20 cm，确保连接紧密。采用厚0.5 mm、长300 mm 的镀锌铁皮先对橡胶抽拔管连接处进行包裹，然后用塑料胶带缠紧，并用扎丝将镀锌铁皮绑扎牢固， 防止水泥浆串入橡胶抽拔管内，造成堵管。 抽拔管接头处相互错开50 cm，且接头不得处于同一断面。（3）在混凝土浇筑过程中，插入式振捣棒不得接近或者触碰抽拔管，以免引起管道位置偏移。（4）穿钢绞线前，用梳子板对钢绞线进行整体编束，防止钢绞线缠绕，减少钢绞线与管壁的摩擦力。当弹性模量差值超过3 GPa 的钢绞线共用在同榀箱梁中时，禁止混用在同一个孔道。具体管道就位情况如图1 所示，抽拔管接口检查图为图2。

图1 管道就位图Fig.1 Pipeline in position

图2 抽拔管接口检查图Fig.2 Inspection of sucker rod interface

2.1.2 摩阻试验控制

摩阻试验控制也是箱梁张拉工序过程控制之一。试打梁期间，对不同跨度的前两榀梁体要做孔道摩阻试验，以测算管道和喇叭口摩阻及夹片回缩量，确定预应力损失。正常生产后，每100 榀进行一次孔道摩阻试验。当强度、弹模、龄期达到终张拉要求后，应对箱梁进行管道摩阻试验。 将管道摩阻试验报告交给设计单位、咨询单位，并对张拉控制应力进行验算、 调整， 按照调整后的数值对首榀箱梁进行终张拉。

宝坻制梁场预制梁试生产期间， 邀请中铁大桥科 学 研 究 院 有 限 公 司 对 BD31.5ZW -001#、BD31.5ZW-002#两榀预制箱梁进行管道摩阻试验。试验结果为：BD31.5ZW-001#箱梁预应力管道摩阻系数k=0.001 7，μ=0.417 0；BD31.5ZW-002#箱梁预应力管道摩阻系数k=0.001 1，μ=0.381 6。 经综合计算，两孔箱梁管道摩阻系数k＝0.001 4，μ＝0.40。 实测8＃、9＃孔锚具（开封长城）的锚口＋喇叭口摩阻损失为5.4%，实测8＃、9＃孔锚具（开封长城）的单端锚具回缩量为4.4 mm。 管道摩阻试验报告交设计单位和咨询单位， 并对张拉控制应力进行验算。 经过重新计算，宝坻制梁场预制无砟轨道31.5 m 预应力混凝土简支箱梁预应力钢绞线张拉力不需要调整， 在施工过程中， 应加强张拉弹性上拱和后期徐变上拱的监控。

2.1.3 油压表与千斤顶的校正

（1）张拉设备使用前，必须进行校准。 千斤顶校正系数不超过1.05。 千斤顶、油压表的校定期限为1个月，且不大于200 次张拉作业，若遇故障，需修复后再校正。（2）张拉使用的0.4 级耐震型精密油压表需每月检定一次，每周校准一次，用前复核油压表。油压表在遇下列情况之一时，需重新校正：千斤顶和油压表达到校验期限；千斤顶发生严重漏油现象，油压表指针不能回零； 油压表使用时误差超标或突发故障。

2.1.4 喇叭口摩擦损失控制

（1）在浇筑箱梁混凝土的过程中，锚垫板喇叭口用止浆套塞入。 （2）在制梁台座端头，为防止灰浆进入喇叭口， 并保证喇叭口和橡胶抽拔管在同一直线上，应当用托架托住外露的橡胶抽拔管。 （3）在拔出橡胶抽拔管后，将喇叭口清理干净。

2.1.5 钢绞线松弛损失控制［6］

进行箱梁张拉作业时， 用记号笔在工具锚口处对每根钢绞线画线标记，以确认是否存在滑丝（如图3 所示）。 如果没有滑丝，两端的张拉力达到设计值的100%时，保持进油量持荷5 min。 持荷完成后，读取大缸伸长值，并测量出工具锚外夹片外露量。把钢绞线的实际伸长量与理论伸长量进行对比， 实测误差小于或者等于±6%时，张拉有效。

图3 滑丝观察标记Fig.3 Mark of sliding observation

2.1.6 张拉作业要做到两个“三”

张拉作业时，需做到两个“三”，即“三同心”和“三对应”。 “三同心”是指预留管道、锚具、千斤顶三者同心。 “三对应”是指钢绞线直径与限位板槽的深度对应，试验弹模与伸长量计算值对应，前批剩余钢绞线穿入孔道编号的技术指定与实际操作对应。

2.2 原材料控制

2.2.1 橡胶抽拔管的控制

箱梁预应力孔道成孔采用橡胶抽拔管， 橡胶管应无表面热胶粒、表面裂纹、胶层海绵，胶层气泡、外径偏差、不圆率、硬度、拉伸强度和扯断伸长率、表面杂质痕迹长度和深度等均要符合规范要求。 为了加强橡胶管的使用刚度，可在橡胶管内穿一根钢绞线。当橡胶抽拔管拔出后，应整齐放于指定的存放位置，并保护好。

2.2.2 钢绞线的控制

（1）钢绞线进场时，每批质量不大于30 t，每批钢绞线由同厂家、同品种、同规格、同批号和同一生产工艺捻制。 （2）按规定对每批次钢绞线的0.2%屈服力、弹性模量、公称直径、单位长度重量、整根钢绞线最大力和最大力总伸长率进行常规试验。（3）参照表3， 根据钢绞线的实际直径选取相应限位深度的限位板。

表3 限位板选择参数表Tab.3 Parameters of spacing board selection

2.2.3 锚具、夹具及连接器的控制

预应力钢绞线锚具采用夹片锚。采用规格、原材料及生产工艺相同且一次投料生产并连续进场的预应力筋用锚具、连接器和夹具。 锚具、连接器和夹具进场时，每2 000 套为一批，每批抽取5%且不少于10 套进行外观检查； 每批抽取5%且不少于5 套进行硬度试验； 每批抽取3 个组装件样品进行静载锚固性能试验； 每批抽检3 个样品， 进行锚板强度试验。

锚垫板进场时，每批抽取5%进行测量，长度保证钢绞线在锚具底口处的最大折角不大于4°，底口直径与橡胶抽拔管直径的间隙应不超过5 mm，止口端面的平面度不大于0.5 mm。

3 结语

在张拉工序施工中，一定要做好过程控制、原材料控制，从而有效控制预制箱梁的预应力损失，为后序施工提供保障， 进而提高后张法预制箱梁的施工质量。 除了原材料和张拉工序影响箱梁的张拉力损失外，还有一些因素会引起预应力损失。为保证后张法预制箱梁的施工质量，要严格按照相关规范施工。