锚下应力测试技术在T梁体外预应力加固中的应用

史振伟，张春雨，袁 博，杨邓怜

(云南省公路科学技术研究院，云南 昆明 650051)

T梁作为一种最常见的梁型，对梁体产生裂缝，承载能力不足的问题，加固改造的方式也较多，目前常用的加固方案有体外预应力钢绞线、预应力高强钢丝绳和预应力碳纤维板。经过实践证明，预应力高强钢丝绳和预应力碳纤维板加固完成以后，裂纹仍会进一步的扩展，加固几年后，桥梁又成为危桥，严重浪费了成本，这两种加固方案不值得推荐。而使用体外预应力钢绞线加固完成后，经测量显示，梁底会产生一定的压应力储备，会有效抑制裂纹的发展，是目前解决T梁承载能力不足最有效的方式[1-4]。

体外预应力钢绞线加固最核心的施工环节就是预应力的张拉，在预应力张拉过程中，由于各种因素(材料的弹性模量、管道的定位及安装、管道摩阻、锚具回缩、张拉系统误差及人为因素等)的影响，导致预应力损失，若预应力损失较大，会导致裂纹进一步发展，不能有效改善桥梁结构承载能力，严重浪费了成本[5-8]。因此，在T梁体外预应力钢绞线加固施工过程中，选取一定数量的钢绞线进行锚下应力检测，对提高加固桥梁施工质量和实现预应力施工质量的控制具有重要意义。

1 工程概况

本文依托工程为云南省某地州的危桥改造工程，该危桥改造工程划分标段较多，其中有8个标段共18座桥梁325片T梁需进行体外预应力加固，在加固过程中对各个标段的体外预应力束的锚下有效应力进行检测，各标段的计划抽检比例为20%，实际共计检测141片T梁体外预应力束的锚下有效应力，实际检测比例为43.4%。本项目包括20 m T梁和30 m T梁的体外预应力加固，具体预应力钢束参数见表1。

表1 依托工程预应力钢束参数

2 测试方法

2.1 测试仪器

锚下应力的检测主要依靠反拉式有效预应力检测仪SRS-PTT-S，现场施工过程中锚下应力测试方法如图1所示，基于反拉法原理对预应力孔道钢绞线进行单束钢绞线预应力测试，在外露单根钢绞线上直接安装集成式前卡千斤顶(含智能限位装置及压力传感器)，千斤顶启动后钢绞线被张拉，在反拉过程中识别反拉力及锚索产生的位移，通过对反拉力及位移变化的监测来智能终止反拉，根据记录的反拉力值绘制曲线进行分析，以计算出锚索的有效预应力，单根钢绞线的反拉力值曲线如图2所示。

图1 施工过程中锚下应力测试

图2 单根钢绞线有效力值示意图

采用该方法的优点是智能化程度高、操作简单、精度高、安全性及可靠性高。相反，该方法也存在缺陷，检测时需要多人进行配合，要有一定的工作平台，而且检测时外露预应力钢绞线预留长度应不小于70 cm，这样才可以保证千斤顶可以正常自锁，锚下应力测试过程与预应力张拉过程不同步，只有张拉完成后才能进行检测，若锚下有效应力值小于设计值，还需要重新安装千斤顶，对钢绞线补张，再对锚下应力进行检测，直到锚下应力满足要求。

在实际检测过程中时，增大每个标段张拉初期的抽检比例，达到80%～100%，当检测结果符合设计要求时，再适当降低对该标段张拉后期的抽检比例。若在张拉施工时，出现以下情况时，应加大检测比例：钢绞线滑丝、钢绞线断丝、夹片破裂、千斤顶漏油、压力表不回零、对张拉质量有怀疑时，同时对存在问题的钢绞线，如超张或欠张的钢绞线，处理完毕后，需要进行复检。

2.2 判断依据

根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T 3650—2020)及设计要求，锚下有效预应力理论计算值应考虑预应力张拉锚固后，实际张拉控制应力扣除锚固损失和弹性压缩损失[9]。

(1)

式中：σ为锚下有效预应力的理论值，σcon为张拉控制应力，ΔL为总体张拉伸长量，在实际检测过程中，考虑一端预应力筋回缩、锚具变形值为6 mm，即两端总体回缩、变形12 mm。

根据设计文件，桥梁体外束有效预应力检测控制规定，对fpk=1 860 MPa、公称直径为15.2 mm的单根钢绞线，张拉施工控制力=x·fpk，其中，x—张拉控制应力比，fpk—预应力筋抗拉强度标准值。经计算20 m T梁的锚下有效应力理论值为336 kN，30 m T梁的锚下有效应力理论值为524 kN。

锚下的实际有效预应力与设计张拉控制应力的相对偏差计算公式见式(2)，锚下有效预应力的不均匀度见式(3)。

(2)

(3)

根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T 3650—2020)7.6.3节第8条，预应力筋施加预应力时，应符合下列规定：张拉锚固后，建立在锚下的实际有效预应力与设计张拉控制应力的相对偏差应不超过±5%，且同一断面中预应力束的有效预应力不均匀度应不超过±2%。本次检测项目对于同一断面中预应力束的有效预应力不均匀度仅作为一个参考量值，并不作为衡量预应力张拉是否合格的标准，在此文中不进行讨论。

3 测试结果分析

由于该项目划分标段较多，采用的张拉工具、施工方法和施工质量等存在差异，故在检测过程中发现导致体外预应力束的锚下有效预应力值偏差较大的主要原因有4个方面，同时20 m和30 m T梁张拉过程类似，本文仅以20 m T梁为例进行分析。

3.1 限位板的槽口深度

在对某标段现场检测时，限位板的槽口深度为20 mm，采用智能张拉设备按张拉控制力张拉，张拉时清理了钢绞线上的油脂，5片T梁的锚下应力采集数据如图3所示，由图3可知锚下有效预应力的相对偏差为-9%～-14%，预应力损失较为严重，原因是每一束张拉完成以后，千斤顶自动回程退顶，在退顶时由于限位板槽口深度太大，夹片较松，与钢绞线的摩擦力较小，钢绞线回缩时不能充分带动夹片回缩或夹片内嵌入钢绞线足够深时钢绞线回缩变形较大，致使预应力损失较大。

图3 限位板的槽口深度为20 mm时采集的数据

现场分析原因以后，将3-1#～3-5#梁解除预应力后重新张拉，本次限位板的槽口深度改为6 mm，采用同样的智能张拉设备和张拉控制力张拉，其余条件保持不变，重新张拉后5片T梁的锚下应力采集数据如图4所示，由图4可知锚下有效预应力的相对偏差为-3% ～ 4%，满足规范的要求。

图4 限位板的槽口深度为6mm时采集的数据

3.2 张拉设备

在本项目中主要使用的张拉设备有智能张拉设备和张拉电动油泵。智能张拉设备能够自动根据频率判断需要的油压，保证了张拉力值的准确性，还可以精确地测量出张拉伸长值，实现了张拉力和张拉伸长值的双重同步控制；张拉电动油泵由人工控制油泵和千斤顶，张拉时手动驱动油泵，由压力表读数控制张拉力，待压力表读数达到预定值时，用钢尺人工测量张拉伸长值，由于人为的参与，可能会导致张拉力值误差偏大、张拉伸长值测量不准确等问题。

本次在同一个标段的20 m梁体外预应力张拉时做对比试验，分别采用智能张拉设备张拉和人工控制的张拉电动油泵张拉，限位板的槽口深度为6 mm，并清理了钢绞线上的油脂，其余条件保持不变，采用智能张拉设备张拉采集的数据如图5所示，采用人工控制的张拉电动油泵张拉采集的数据如图6所示。

图5 采用智能张拉设备张拉采集的数据

图6 采用人工控制的张拉电动油泵张拉采集的数据

根据图5、图6综合分析可知：现场实际检测采用智能张拉设备的张拉效果较为稳定，锚下有效应力的相对偏差一般在-1%～-3%，现场各因素综合考虑后几乎不会出现异常值；采用人工控制的张拉电动油泵，在4-2#梁张拉时产生了异常值，锚下有效预应力的相对偏差为8%，钢绞线超张，分析原因是人为操作失误，操作人员在操作仪器时注意力不集中，没有时刻关注油表的指针，导致张拉力值偏大。

3.3 锚垫板处包裹的混凝土

在本项目中，多个标段在浇筑锚块时模板的架设不规范，致使锚垫板前包裹着一层混凝土，使得锚具不能与锚垫板有效接触，更不能将锚具卡在锚垫板的槽口位置处，图7为检测某桥第2跨时采集到的数据，张拉采用智能张拉设备，限位板的槽口深度为6 mm，并清理了钢绞线上的油脂，从图7的数据分析可知，2-5#梁锚下有效预应力的相对偏差为-8%，预应力损失较为严重，分析原因为锚垫板前包裹着一层混凝土，在张拉完成后，由于预应力值较大，将混凝土压裂，导致钢绞线回缩，造成预应力损失。后期与现场施工单位进行沟通，张拉前将锚垫板包裹的混凝土进行清理，未再出现此类问题。

图7 锚垫板处包裹的混凝土张拉时采集的数据

3.4 PE管内的油脂

T梁加固采用的体外预应力钢束，采用设计根数的外加PE护套的环氧喷涂无粘结预应力钢绞线与HDPE护套组成，PE管内空隙填充油脂，4φs15.2钢束剖面如图8所示。

图8 4 φs15.2钢束剖面图

在施工现场进行体外预应力束张拉前，首先将钢束剥开，清除HDPE护套和填充物，露出预应力筋，在此为了研究油脂对锚下有效预应力的影响设立一组对照试验，在某个施工标段张拉前，将某桥的第3跨钢绞线的油脂进行清理，第5跨的钢绞线未进行清理，采用智能张拉设备张拉，限位板的槽口深度为6 mm，其余条件保持不变，清理钢绞线油脂后采集的数据如图9所示，未清理钢绞线油脂采集的数据如图10所示。

根据图9、图10综合分析可知：清理钢绞线油脂后锚下有效应力的相对偏差一般在-1%～3%，满足规范要求；未清理钢绞线油脂锚下有效应力的相对偏差一般在-8%～-1%，锚下有效应力出现明显的降低，分析原因为在夹片与钢绞线咬合的过程中由于油脂的存在，会使夹片出现打滑的现象，导致钢绞线不能有效地锚固，从而造成了一部分预应力损失。

图9 清理钢绞线油脂采集的数据

图10 未清理钢绞线油脂采集的数据

4 结论

(1)限位板的槽口深度能显著影响钢绞线的回缩变形值，槽口深度太大，致使预应力损失较大，经实际检测发现，限位板的槽口深度对锚下有效预应力值影响较大。

(2)采用智能张拉设备张拉稳定度相对较高，而采用人工控制的张拉电动油泵张拉也能到达一定的效果，但因人为因素的影响会产生数据异常值，经统计，异常值的数据大约有12%左右，异常值出现的概率偏高，建议T梁的体外预应力张拉采用智能张拉设备。

(3)在张拉时，如果锚垫板处包裹着混凝土，极易造成混凝土压裂，进而导致严重的预应力损失，建议张拉前将锚垫板包裹的混凝土进行清理。

(4)在张拉前应做好PE管内的油脂清理工作，因为在夹片与钢绞线咬合的过程中由于油脂的存在，会使夹片出现打滑的现象，导致钢绞线不能有效地锚固，从而造成了一部分预应力损失。