预应力筋张拉伸长值的量测与计算修正研究

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  摘 要:预应力筋伸长值的量测与计算是预应力施工中的重要环节,JTJ/T F50-2011公路桥涵施工技术规范和CJJ2-2008城市桥梁施工与质量验收规范中规定,预应力筋采用应力控制方法张拉时,应以伸长值进行校核,实测伸长值与理论值的差值应控制在6%以内,否则应暂停张拉,待查明原因并采取措施予以调整后,方可继续张拉。由于对施工工艺的理解程度不同,不同的人量测的伸长值也有所不同,分别介绍横梁预应力张拉试验方法,理论伸长值与实际伸长值的量测与计算修正方法以及应注意的问题,供有关技术人员在施工时参考。
  关键词:预应力 试验 伸长量 张拉力 计算 修正
  中图分类号:TU31    文献标识码:A     文章编号:1007-3973(2012)003-001-04在某高架桥箱梁横梁预应力筋(属于短束)张拉时,遇到了实测伸长量较理论值偏长的问题。横梁预应力筋设计为19孔一束€%Os15.2mm高强度低松弛钢绞线预应力体系,fy=1860Mpa,弹性模量为Es=1.95€?05pa,设计采用2端张拉,波纹管采用塑料波纹管,外径规格100mm。横梁束平均实测伸长值为142毫米,设计理论伸长值为122毫米,平均实测值超出设计值约20毫米,超过允许的正负6%范围,总监办下发了暂停张拉的指令。根据实测结果和以往类似工程经验,以及查阅相关文献资料等分析:由于量测钢绞线伸长量时一般是量测的千斤顶缸体外漏长度,故在实测伸长量后要考虑千斤顶内一段钢绞线的伸长量和各种原因引起的回缩值,如C1为千斤顶内50cm~60cm钢绞线的伸长值,一般为4mm~5mm;C2为工具夹片从初应力至回顶前受力时跟进和锚具变形值,一般为3mm~4mm;C3为千斤顶、工作锚环、锚垫板、限位板变形及缝隙压密值、预应力钢束、混凝土弹性压缩值,一般为4mm~5mm,以上回缩值的下限为4+3+4=11mm,上限为5+4+5=14mm,即一端量测数据后至少要减除11mm的回缩值,两端至少要减除22毫米回缩之后才是实际伸长量。
  本着对工程质量负责,项目部决定通过张拉试验以验证以上数据,并求得真实的数据,以利于项目部的预应力张拉工作在可控的质量和进度范围内进行。
  横梁张拉试验步骤如下: 确定预应力张拉试验组织管理体系和试验目的
  1.1 张拉组织管理体系
  现场张拉试验以总工程师为现场总负责人,由主工长、专业工长、质检员组成专业张拉、压浆小组负责现场张拉、压浆的管理工作,张拉前准备3台对讲机、纪录表格、计算器等常用工具。
  1.2 张拉试验目的
  横梁钢束属于较短束,在以往很多工程中均出现实际伸长值比设计值稍长的情况,考虑到对施工工艺理解的不同,不同操作人员量测的值也有所不同,同时考虑各种回缩值等的影响,需要对量测伸长量进行修正计算。本次试验的目的是在实际张拉预应力操作过程中找到一种更适合本项目的量测与修正计算的方法。
  2 预应力张拉程序及张拉顺序
  2.1 预应力张拉程序
  待箱梁砼强度达到90%后,且7天强度满足要求后即可进行张拉。张拉前,应根据图纸计算每一束钢绞线张拉后的理论伸长值,并根据实验室对钢绞线的实验报告及千斤顶、油压表标定后的报告,计算出每一级张拉控制力的油压表读数,并进行现场施工人员交底。
  张拉控制及张拉机具的选用及标定
  (1)采用双控法:用张拉控制应力€%lcon控制张拉,以伸长值进行校核。实际伸长值与理论伸长值之差应控制在-6~+6%以内。预应力筋理论伸长值由设计院统一提供,项目部进行复核。
  (2)根据预应力筋的不同以及张拉吨位要求选择与之相匹配的张拉千斤顶: 15束、19束采用YDC4000B千斤顶,油泵采用与之配套的ZB4-500型油泵,工作油表采用1.5级,最大量程为60MPa,标准油表为0.4级,最大量程为100MPa。
  (3)千斤顶、油泵、压力表的配套标定:施工中下列情况时要对千斤顶、油泵、压力表进行配套标定:1)初次使用或连续使用六个月以上、或使用次数超过200次;2)千斤顶严重漏油修复后;3)油表指针不能归零;4)千斤顶调换油压表;5)张拉时连续断束或断丝;6)实测预应力筋的伸长值与理论计算值相差超过6%。标定方法是在经认证合格的试验室将其组合成全套设备,利用万能试验机进行设备的内摩阻标定,通过压力机压千斤顶及千斤顶顶压力机绘出油表读数和相应张拉力的关系曲线以指导张拉。配套标定后的千斤顶、油泵、压力表要进行编号,不同编号的设备不得混用。
  (4)千斤顶配套检验情况
  4 预应力张拉程序主要有以下4个步骤
  (1)安装工作锚、夹片:在穿好的钢束上安装工作锚具及工作夹片,用钢套管反复敲打,直至锚具与垫板紧密接合,夹片外露平齐。
  (2)张拉设备定位安装:安装限位板、垫环、千斤顶就位;千斤顶用导链吊挂,以方便调整角度,使千斤顶轴线与孔道轴线重合。安装工具锚及工具夹片,工具夹片表面要涂润滑油,以利张拉完后脱离。
  (3)张拉:千斤顶安装完毕后即可进行张拉作业。开启油泵,排除顶、泵内空气,开始加载,当油表读数达到初应力(10%)时读数时,停止油泵加载应力,测量两端伸长量L1、L1`。
  继续以每分钟1Mpa的速度加载,至油表读数达到应力20%时,读数时,停止油泵加载应力,测量两端伸长量L2、L2`。
  持续施加应力到最大应力(100%)时,测量两端的伸长量L3、L3`,持荷三分钟,先锚固一端,待稳定后再锚固另一端,回油时卸载应慢速、均匀的进行。
  当钢束较长时,一次张拉不到设计应力时,可在一端或两端进行临时锚固多次张拉,伸长量相应采取叠加计算。开动油泵,给千斤顶张拉油缸缓慢供油,直至油压设计值;张拉要有专人指挥,协调两端保持同步。钢束两端的油表读数差不超过1Mpa。
  (4)锚固:轻轻松开油泵截止筏阀,使油压缓慢降至零,完成对预应力筋的锚固;油泵向回程油缸供油,活塞慢慢回程到底,卸下千斤顶、限位板。   5 预应力筋的理论伸长值的计算△l(mm)
  (1)预应力平均张拉力计算公式及参数:
  式中:
  Pp—预应力筋平均张拉力(N);
  P—预应力筋张拉端的张拉力(N)
  X—从张拉端至计算截面的孔道长度(m);
  €%a—从张拉端至计算截面的曲线孔道部分切线的夹角之和(rad);k—孔道每米局部偏差对摩檫的影响系数,取0.0015;€%e—预应力筋与孔道壁的摩檫系数,取€%e=0.15;预应力筋为直线时 P€%j = P。
  (2)预应力筋的理论伸长值计算公式及参数:  式中:
  Pp—预应力筋平均张拉力(N);l—预应力筋的长度(mm);Ap—预应力筋的截面面积(mm2),取140 mm2;Ep—预应力筋的弹性模量(N/ mm2),取1.95€?05 N/ mm2 。
  在预应力施工设计图中,已给出各钢束从初应力至锚固应力的理论伸长量。在施工前应进行复核计算,并将计算结果报监理工程师及设计认可。
  6 实际伸长值的量测与修正
  6.1 实际伸长值的量测
  钢绞线实测伸长量的计算按以下公式,两端张拉时⊿L=⊿L左+⊿L右:
  ⊿L左=⊿L左1+⊿L左2=(L3-L1)+(L2-L1)-C1-C2-C3;
  ⊿L右=⊿L右1+⊿L右2=(L3`-L1`)+(L2`-L1`)-C1-C2-C3;
  其中⊿L左1,⊿L右1为初应力至最大张拉力间的实测伸长值(cm);
  ⊿L左2,⊿L右2为初应力时的推算伸长值(cm),可采用 10%€%赾on ~20%€%赾on;
  C1为千斤顶内50㎝~60㎝钢绞线的伸长值;C2为工具夹片从初应力至回顶前受力时跟进和锚具变形值;C3为千斤顶、工作锚环、锚垫板、限位板变形及缝隙压密值、预应力钢束、混凝土弹性压缩值。
  6.2 实际伸长值的量测修正
  因以上量测出来的数据没有考虑各项预应力筋的回缩值等,故要将按以上方法实际量测出的数据进行修正计算,修正后的数据为实测伸长量,实测伸长量与理论伸长量误差应在€?%之内。若结果比理论值小,首先应查明原因,可采用补张拉的方法,直至伸长值在理论值误差之内,补张拉的值不能大于理论值的3%。实际伸长值的量测与修正可按以下两种方法进行:
  1)试验方法一:一端修正标记、量测计算方法如下:
  ⊿L=⊿L1+⊿L2-C1-C2-C3;
  其中,△L1为从初应力至松油前缸体的伸长量;△L2为从初应力至2倍初应力时缸体的伸长量,并作为0至初应力的推算值;由于量测钢绞线伸长量时是量测的千斤顶缸体外漏长度,故要考虑千斤顶内一段钢绞线的伸长量和各种原因引起的回缩值。C1为千斤顶内50㎝~60㎝钢绞线的伸长值,一般为4㎜~5㎜;C2为工具夹片从初应力至回顶前受力时跟进和锚具变形值,一般为3㎜~4㎜;C3为千斤顶、工作锚环、锚垫板、限位板变形及缝隙压密值、预应力钢束、混凝土弹性压缩值,一般为4㎜~5㎜,以上回缩值的下限为4+3+4=11㎜,上限为5+4+5=14㎜,即一端量测数据后至少要减除11㎜的回缩值,两端至少要减除22毫米回缩之后才是实际伸长量。
  即⊿L左=⊿L左1+⊿L左2-C1-C2-C3=⊿L左1+⊿L左2-11;
  ⊿L右=⊿L右1+⊿L右2-C1-C2-C3=⊿L右1+⊿L右2-11;两端张拉时修正后的伸长量为⊿L=⊿L左+⊿L右=⊿L左1+⊿L左2+⊿L右1+⊿L右2-22;
  (2)方法二:⊿L=L2-L1 –C1-C3+C4;
  以工作锚板的顶端面为基准点,通过测量千斤顶前工具锚夹片标记处至工作锚板的钢绞线长度,预应力筋的回缩值、工具锚夹片及工作锚夹片的外漏长度来确定预应力筋的实际伸长值。L1为预紧时千斤顶前工具锚夹片标记处至工作锚板的钢绞线长度,L2为回油后千斤顶前工具锚夹片标记处至工作锚板的钢绞线长度;注意此时张拉前要以工作锚板的顶端为基准,在千斤顶前工具锚夹片处的钢绞线上做标记,通过分别量测预紧时、回油锚固后千斤顶前工具锚夹片标记处到工作锚板顶端面的距离来确定伸长值。由于量测钢绞线伸长量时是包含千斤顶内钢绞线的伸长值,故要考虑千斤顶内钢绞线的伸长值及各种原因引起的回缩值。C1为千斤顶内50㎝~60㎝钢绞线的伸长值,一般为4㎜~5㎜;C3为千斤顶、工作锚环、锚垫板、限位板变形及缝隙压密值、预应力钢束、混凝土弹性压缩值,一般为4㎜~5㎜,C4为工作锚、夹片变形、钢束回缩值,对于夹片式锚具按规范取6㎜。修正后的单端伸长量为⊿L=L2-L1 –C1-C3+C4=L1-L2-4-4+6;
  即⊿L左=L左2-L左1-C1-C3+C4=L左2-L左1-4-4+6;
  ⊿L右=L右2-L右1- C1-C3+C4=L右2-L右1-4-4+6;
  修正后的两侧伸长量为⊿L=⊿L左+⊿L右=L左2-L左1+L右2-L右1-6;
  以上单位均为毫米,本次试验时按以上2种方法试验一组,根据试验结果确定本项目横梁钢束的量测与修正计算的方法。
  7 锚固
  预应力钢束张拉至设计张拉吨位,稳压3分钟后,缓慢旋松截止阀,千斤顶慢慢降压,并把钢绞线整齐地锚固在锚具内。确定锚固正常后,千斤顶回油缸进油,回复直至千斤顶外露 30~40mm。张拉作业施工时,必须有监理工程师旁站。同时应按规范要求作好记录,向监理工程师递交张拉施工相关记录。
  预应力钢束张拉完毕,在距锚具 80mm 处用砂轮切割器切割端头多余的钢绞线,不能采用氧、乙炔或电弧切割,以防止夹片、钢绞线受热退火而滑丝。随后及时用掺加建筑胶水的水泥砂浆封锚,并在 48 小时内进行管道压浆。
  8 预应力筋断丝、滑丝限制及滑丝事故处理
  连续梁张拉施工时,每束钢绞线单根钢绞线内的断丝不得超过 1 丝,每个断面断丝之和不超过该断面钢丝总数的 1%。在张拉过程中出现个别钢绞线滑丝时,可用QYCW300型千斤顶处理,先将该根钢绞线进行脱锚,换去旧夹片,装上新夹片,并按张拉程序重新张拉钢绞线至锚固。若有严重滑丝,应将该束钢绞线全部卸荷,找出原因并解决后重新张拉。   9 本次预应力试验结论
  9.1 试验结果
  9.2 试验数据计算过程
  试验修正计算方法一:⊿L=⊿L1+⊿L2-C1-C2-C3;其中C1为千斤顶内钢绞线的伸长值,本试验中C1=C1左+C1右,C1左=L8-L8’=692-690=2mm,C1右=L8-L8’=684-682=2mm,总之C1= C1左+C1右=2+2=4mm;
  C2,C3为工具夹片从初应力至回顶前受力时跟进和锚具等变形值,本试验中C2+C3= C2左+C3左+C2右+C3右,C2左+C3左=L9’-L9=870-863=7mm,C2右+C3右=L9’-L9=854-845=9mm,总C2+C3=C2左+C3左+C2右+C3右=7+9=16mm;
  实测的⊿L1左=L3-L1=98-25=73mm;
  ⊿L2左=L2-L1=36-25=11mm
  ⊿L1右=L3-L1=69-18=51mm;⊿L2右=L2-L1=25-18=7mm
  ⊿L1=⊿L1左+⊿L1右=73+51=124mm;⊿L2=⊿L2左+⊿L2右=11+7=18mm
  实测计算修正值⊿L=⊿L1+⊿L2-C1-C2-C3=⊿L1+⊿L2-C1-C2-C3=124+18-4-16=122mm,结果与设计相符。
  试验修正计算方法二:⊿L=L2-L1 –C1-C3+C4; 其中C4为工作锚、夹片变形、钢束回缩值,本试验中C4左=12-5=7mm,  C4右=12-5=7mm,C4= C4左+C4右=7+7=14mm。
  ⊿L左=L2左-L1左-C1左-C3左+C4左=863-800+7=70mm,本式中C1左和C3左已含在863-800式中;⊿L右=L2右-L1右-C1右-C3右+C4右=845-800+7=52mm,本式中C1右和C3右已含在845-800式中;修正计算结果⊿L=⊿L左+⊿L右=70+52
  =122mm, 设计伸长量122mm,修正计算与设计吻合。
  试验结果:以上2种修正计算方法均与设计值相符,数据真实有效,后期张拉中可参照执行。
  9.3 试验结论
  本次实验结果得出张拉时千斤顶内一段钢绞线的伸长量和各种原因引起的总回缩值约C为 142-122=20 毫米(如工具夹片从初应力至回顶前受力时跟进和锚具变形值;千斤顶、工作锚环、锚垫板、限位板变形及缝隙压密值、预应力钢束、混凝土弹性压缩值;工作锚、夹片变形、钢束回缩值),与前文中的经验值基本吻合,本标段其它梁段横梁张拉时均可按此总回缩值计算考虑,即实际张拉时可采用本方案第(六)条第(1)点中公式⊿L左=⊿L左1+⊿L左2=(L3-L1)+(L2-L1)-C1-C2-C3;,⊿L右=⊿L右1+⊿L右2=(L3`-L1`)+(L2`-L1`)-C1-C2-C3进行计算,本式中C=C1 +C2 + C3。
  考文献:
  [1] 王怀宏.预应力筋的理论伸长量精确计算[J].山西建筑, 2006,32(18).
  [2] 王怀宏.预应力筋张拉伸长量的计算与量测[J].山西建筑,2008,34(18).
  [3] 武咸公路改造工程施工图设计.
  [4] CJJ2-2008城市桥梁工程施工与质量验收规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.
  [5] JTJ/T€癋50-2011公路桥涵施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,2011.
  [6] GB/T5224-2003预应力混凝土用钢绞线[S].
  [7] GB/T14370-2007预应力筋用锚具、夹具和连接器[S].
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