城市桥梁建设中的锚下有效预应力检测技术

摘要：本文以海口长天路南延线二标桥梁预应力施工项目为例，介绍了城市桥梁锚下有效预应力检测技术。该技术主要通过在锚下安装传感器，实时监测预应力筋的受力情况，及时发现并解决潜在的安全隐患，避免因预应力筋应力控制不当导致桥梁结构的破坏，确保城市桥梁建设的质量和安全性。结论表明：通过锚下有效预应力检测技术，对比设计、实际数据，为预应力的检测提供了数据支持，有利于桥梁的维护和修复，从而降低维护成本。

关键词：桥梁建设；锚下有效预应力；预应力损失；锚具变形

中图分类号：U446.3" "文献标识码：A" "文章编号：２０９６-2118（2024）04-0111-05

Detection Technology of Effective Prestress under Anchorin in Urban Bridge Construction

ZHANG Biao，WANG Haibo

（China Communications Construction Group Co.，Ltd.，Beijing 100010，China）

Abstract：Taking the prestressed construction project of the second standard bridge on the south extension line of Changtian Road in Haikou as an example，this paper introduces the detection technology of effective prestress under anchor of urban bridge.The technology mainly through the installation of sensors under the anchor，real-time monitoring of the stress of the prestressed tendons，timely detection and solution of potential safety hazards，to avoid the damage of the bridge structure due to improper stress control of the prestressed tendons，to ensure the quality and safety of urban bridge construction.The conclusion shows that the test technology of effective prestress under anchor，comparing the design and actual data，provides data support for the test of prestress，which is conducive to the maintenance and repair of the bridge，and thus reduces the maintenance cost.

Keywords：bridge construction；effective prestress under anchor；prestress loss；anchorage deformation

0 引言

预应力钢束是预应力桥梁构架的重要组成部分，对其性能进行有效检测和评估非常重要。预应力损失可能会导致桥梁的形状发生变化，比如拱起或下沉，不仅会影响桥梁的结构安全性，还会影响其使用年限。因此，对钢束的有效预应力进行评估，对于保证桥梁的安全性和稳定性具有重要影响[1]。在预应力钢束的检测方面，可以通过钢束的张拉力测试和监测，了解预应力钢束的实际预应力水平，以确保其符合设计要求。此外，实时监测预应力钢束的使用情况也非常重要，可以及时发现并解决潜在问题[2]。在评估预应力钢束的性能时，还需要考虑预应力的损失，预应力损失会给桥梁的形状、结构以及使用寿命造成不同程度的影响。通常情况下，预应力损失包括钢绞线的松弛、锚具变形、混凝土收缩和徐变等。上述损失会随着桥梁使用年限的增加，降低其自身的预应力效果，导致桥梁结构损坏。因此，为了保证桥梁的安全与可靠，需要对桥梁预应力进行准确计算，该计算方法可通过对预应力的检测、评估等方式实现。但是，在计算过程中，需要考虑各种因素，如钢绞线的类型、规格、松弛率，锚具的型号和变形量，混凝土的种类和龄期等[3]。

1 预应力桥梁设计概况

项目主要工程为椰海大道跨线桥工程及长天路南延长线新建工程（其地理位置见图1），其中椰海大道跨线桥工程（ZBK0+000～ZBK0+801.253），路线长约801.253 m，采用双向4车道跨线桥，桥梁长329 m，挡墙长202.25 m；长天路南延长线新建工程（ZBK0+801.253～ZBK3+200），北起椰海大道跨线桥，南至长天互通立交，路线长约2 398.75 m，采用双向6车道设计，标准路段设计速度60 km/h。工程建设内容包括道路工程、桥梁工程、涵洞工程、给排水工程、电力通信工程、交通工程、绿化工程、照明工程等。工程造价2.03亿元，合同工期570日历天。本项目预应力梁设计参数见表1。椰海大道跨线桥效果图见图2。长天路南延长线现场施工示意图见图3。

2 技术原理及预应力损失

锚下有效预应力检测技术在城市桥梁建设中具有重要作用，通过及时了解和控制预应力张拉工程的施工质量，可以确保桥梁的结构安全性和可靠性。在张拉锚固后的24 h之内进行及时的检测可以有效保证检测结果的准确性和可靠性，可以及时发现和解决可能存在的预应力损失问题，从而确保桥梁的使用年限和结构完整性。采用二次张拉的检测方法可以更准确地评估锚下有效预应力的大小和控制精度要求（见表2）。有必要对不合格的钢绞筋进行处理，可通过重新张拉或补张拉来确保预应力钢束的实际预应力水平符合设计要求，对于后续预应力张拉的顺利开展具有现实意义。预应力张拉示意图见图4。

2.1 技术原理

锚下有效预应力检测的原理主要是通过测量锚杆或锚绳的应变来判断其预应力的大小。在锚中施加一定的恒定荷载后，通过测量锚杆或锚绳的伸长量，可以计算出其应力变化。根据钢材的应力-应变关系，可以推算出锚杆或锚绳的预应力大小。

2.2 预应力损失

在对城市桥梁的预应力施工过程中，随着张拉的逐步增加，会使张拉锚具发生变形，钢筋的硬度也会随之下降，导致预应力发生损耗，该损耗用σL1来表示。无论采用何种锚具和夹具，当张拉力逐步增大时，钢筋的力度会增加到一定程度，此时部分张拉设备会减掉一部分预应力。当预应力钢筋出现回弹时，也会降低钢筋的张弛度。需要注意的是，这些行为已经不是最初的预应力筋所能承受的。因此，在预应力施工过程中需要注意预应力钢筋的紧张状态，并及时采取措施来修正和补偿预应力的损耗，损耗计算公式如下：

σL■=■E■（1）

式（1）中：a为内缩值，mm，按照表3选用；ES为预应力钢筋的弹性模量，N/mm2。

在土木工程和桥梁结构中，预应力的损失值通常会根据不同锚具编号（如图5所示）、钢绞线的使用环境、特点、施工工艺进行计算，所得出的各项数据均会对预应力损失产生一定的影响。这是因为不同类型的锚具会出现不同程度的预应力损失，因此在实际施工中需要根据具体情况选择适当的锚具类型和钢绞线，并进行合理的设计和施工操作，降低预应力发生损失的概率，确保钢筋结构的稳定性。预应力损失值的计算公式如下：

σL■=2σ■L■■1-■（2）

反向摩擦影响长度Lf计算公式如下：

L■=■（3）

式（2）～式（3）中：c为原弧形曲线预应力钢筋的曲率半径，mm；μ为预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦系数，按照表4采用；x为张拉端至计算截面的距离，m；k为考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数。

在预应力混凝土桥梁的张拉过程中，钢筋会经历膨胀，导致其硬度下降，这可能会引发预应力的损失，这一预应力损失的发生与锚具的摩擦力具有紧密的关联性，在张拉过程中，当钢筋被拉伸，其直径会略微增大，导致与锚具之间的摩擦力减小，使得预应力筋在张拉完成后的一段时间内的弹性有所降低，进而造成预应力损失。

3 常用的检测方法

3.1 等效质量法

锚下有效预应力检测技术中的等效质量法是一种通过模拟锚具和预应力筋共同作用来检测预应力状态的方法。具体操作步骤如下：首先，在反拉法检测设备上安装与锚下有效预应力检测试件等效的质量块；其次，通过反拉加载设备对试件进行反拉，直至锚下有效预应力达到预设值，反拉过程中确保预应力值不变，卸载后对锚下有效预应力检测试件的应变进行检测；最后，根据应变的检测结果，通过相应的公式计算出锚下有效预应力。以上步骤充分考虑了锚具的变形和预应力的损失，能够更准确地反映实际工程中预应力的状态。

3.2 反拉法

反拉法是一种通过施加反向的荷载来检验预应力筋反拉过程中的反拉力和伸长量，从而求解锚下预应力的方法。在这一方法下，可以将预应力筋比作一个弹性体，通过采取针对性的方法反推得出锚下预应力。当前，反拉法在实际工程中被广泛应用，虽然其实验和计算过程相对复杂，但可以提供比较精确的锚下预应力值。这种方法通常需要使用专业的实验设备和技术，比如反拉计、千分表等，以监测预应力筋的反拉力和伸长量。通过这些数据，可以运用特定的公式和分析方法来计算锚下的预应力值。

3.3 粘贴应变片法

对于大型的桥梁建设过程中预应力的测量，如果直接采用应变片的方法进行测量是不可取的。为了解决此问题，研究者们尝试了改良应变片并制作出了附着式应变片，以克服传统测试方法的一些缺陷。尽管如此，附着式应变片仍然存在不足之处。比如，当钢管断面较小时，所测得的应变值会变小，这可能是因为在较小的钢管断面上，钢绞线的形变可能不完全传递到应变片上，导致测量结果偏小，不同位置处的连接会出现一定的误差，这也是造成应变值产生偏差的一个重要因素。此外，如果焊接方式不当，可能对钢绞线的质量造成影响，进而加速其磨损程度，这是因为在制作附着式应变片时，需要将钢管和钢绞线焊接在一起，焊接过程中可能会对钢绞线造成一定的损害。因此，在实际应用中，为了解决以上问题，需要采用更先进的测量技术和方法。一种常用的方法是在预应力钢绞线上安装光纤传感器或压电传感器，利用其测量力学性能的特性来进行预应力测量，这些传感器可以直接测量钢绞线的应变情况，避免了传统应变片的问题。

3.4 钢弦式应变测量传感器法

钢弦应变计在环境影响下可能会出现形状扭曲或严重变形的情况，导致自振频率产生明显的变化，这可能对测量结果产生不利影响。因此，在进行钢绞线预应力测量时，需要充分考虑环境因素对测量结果的影响。光纤传感器或压电传感器等先进技术可以用于测量预应力，这些传感器可以提供更准确和可靠的测量结果。这些先进的技术在某些情况下确实具有更好的性能，但它们可能也更加复杂和昂贵。因此，在选择测量方法和设备时，需要考虑项目的具体需求和预算。在本工程项目中，选择科学合理的检测方法至关重要。同时，施工过程中的监测与调整必不可少，以确保预应力的准确施加和控制。在脉冲作用下，传感器会做微幅振动，轴向应力与自振频率的关系公式如下。该公式可以用于描述传感器在不同应力条件下的自振频率变化，对于理解和分析测量结果具有重要意义。

F=■■（4）

式（4）中：F为钢束的自身振动频率，Hz；L为钢弦支点之间的距离，m；σg钢弦所承受的轴向应力，MPa；p为弦的质量密度，kg/m3。

为了确保检测的准确性和可靠性，需要对锚下有效预应力进行精确测量和分析。需要采用高精度的测量设备和技术，并建立完善的数据采集和处理系统，以便对测量结果进行深入分析和解读。

4 锚下有效预应力检测

4.1 检测方法选取

在城市桥梁建设中，锚下有效预应力的检测是确保桥梁安全性和耐久性的重要环节。为了准确地检测锚下有效预应力，需要选取适合的检测方法。目前常用的检测方法包括应力检测法和应变检测法。应力检测法是通过测量预应力筋的应力来推算锚下有效预应力的方法，使用电阻应变片或钢弦式应变计进行测量。该方法可以直接测量预应力筋的应力，精度较高，但需要在预应力筋上安装测量仪器，可能会对预应力筋造成一定程度的干扰。应变检测法是通过测量预应力筋的应变来推算锚下有效预应力的方法，通常使用千分表或百分表进行测量。该方法操作简便，对预应力筋的干扰较小，但精度相对较低，且需要结合锚具和预应力筋的几何尺寸进行计算。对于本工程项目，可以根据实际情况，选择具体的检测方法，如果需要高精度的测量结果，可以采用应力检测法；如果对精度要求不高，可以采用应变检测法。

4.2 检测实验数据

在锚下有效预应力检测中，需要收集和处理大量的实验数据，包括设计预应力损失和实测预应力损失等。这些数据可以通过应力检测法和应变检测法等检测方法获得。设计预应力损失是指在设计中考虑到的预应力损失值，通常根据经验和规范进行计算。实测预应力损失是指实际测量得到的预应力损失值，可以通过相应的检测方法获得。通过对这些数据的分析，可以评估预应力损失的大小和分布情况，进而评估桥梁的安全性和耐久性。在处理实验数据时，需要进行数据的清洗、整理和统计分析等操作。比如，可以采用统计分析方法分析预应力损失的分布规律和影响因素，从而为进一步优化设计和施工提供依据。

4.3 数据对比及评价

在进行锚下有效预应力检测时，将设计数据与实际数据进行对比是评估预应力损失的重要步骤。通过对比，可以判断预应力的实际效果是否达到设计要求，并评估预应力损失的大小和分布情况。

将设计预应力损失数据与实测预应力损失数据进行对比，分析两者之间的差异。如果实测数据与设计数据基本一致，说明预应力的实际效果与设计预期相符，预应力损失较小；如果实测数据明显小于设计数据，则说明预应力损失较大，可能存在安全隐患。根据对比结果对预应力损失进行评价。如果预应力损失较小，可以认为预应力系统有效，桥梁的安全性和耐久性能得到保障；如果预应力损失较大，则需要进行进一步的分析和处理。针对预应力损失较大的情况，可以采取相应的措施进行补救或优化。比如，可以调整张拉工艺、优化锚具设计或加强施工监测等。

5 结语

在海口长天路南延线二标项目中，工程团队引入了先进的锚下有效预应力检测技术，并成功地应用在实际施工中。这项技术的应用，为城市桥梁建设带来了革命性的变化，为确保桥梁的安全性和稳定性提供了强有力的技术支持。通过锚下有效预应力检测技术，工程团队能够实时、准确地监测预应力筋的受力情况。这不仅使施工过程更加科学、规范，而且为桥梁结构的安全性提供了可靠的保障。该技术能够及时发现预应力筋的异常受力，从而预防潜在的结构问题，确保桥梁的长期稳定。更为重要的是，锚下有效预应力检测技术所提供的精确数据，为城市桥梁建设的质量控制和安全性评估提供了重要的依据。综上所述，锚下有效预应力检测技术在海口长天路南延线二标项目中的应用，不仅提高了施工效率，确保了桥梁的安全性和稳定性，而且为城市桥梁建设的技术创新和质量提升树立了典范。

参 考 文 献

[1]吉延武.后张法预应力钢绞线的张拉与孔道压浆施工方法[J].交通世界（建养.机械），2012（4）：267-268.

[2]朱光业.后张法预应力钢绞线张拉锚下应力的准确控制[J].科技信息，2011（1）：704-705.

[3]谢劲辉.桥梁预应力钢绞线张拉实际伸长量测量方法讨论[J].黑龙江交通科技，2009，32（12）：80-81.

编辑：杨 洋