基于錨下有效預應力檢測的預應力后張法施工質量控制

姚志安， 范立朋， 陸學村， 姚響宇

(1.深中通道管理中心，廣東 中山 528400；2.廣東盛翔交通工程檢測有限公司)

預應力施工技術是現代橋梁工程的關鍵技術之一，是預應力混凝土橋梁質量控制的核心和長久生命線，在施工過程中具有技術難度大、質量風險高等特點。通過對大量在役預應力混凝土橋梁調查及檢測可知，預應力張拉階段的施工質量控制不佳會導致服役期橋梁存在質量隱患。因此在預應力張拉施工階段進行錨下預應力檢測，合理評價預應力施工質量，并利用檢測結果指導張拉施工顯得尤為重要。錨下有效預應力與預應力瞬時損失密切相關，在后張法施工工藝中，瞬時損失主要包括摩阻損失、錨具變形及夾片回縮損失、彈性壓縮損失，該部分損失可通過理論計算各項損失值，但存在誤差。為補償預應力張拉時錨口的摩擦損失，設計圖紙中均提供了參考超張拉系數，但該系數為經驗值，對不同的梁場并不適用，根據筆者近年在廣東省內的檢測調研情況，目前大部分預制梁場對超張拉系數并未足夠重視。

該文以打造精細化、標準化梁場為建設理念的深中通道為背景，以40 m預應力混凝土小箱梁為研究對象，分析預應力后張施工中存在的問題，并進行預應力管道摩阻試驗及錨口摩阻試驗，根據檢測及試驗結果對張拉參數進行調整，依據錨下有效預應力檢測結果評價張拉質量控制效果。

1 工程概況

深中通道連接廣東省深圳和中山兩市，位于虎門大橋與港珠澳大橋之間，項目采用東隧西橋方案，橋梁總長約17.034 km，全線采用雙向八車道高速公路標準建設，設計速度為100 km/h，橋梁寬度為40.5 m。深中通道智慧梁場建設的“五化”目標，分別是生產過程可視化、施工流程標準化、業務管理數字化、機械設備智能化、管理決策智慧化。

深中通道陸域引橋預制40 m小箱梁梁高2.2 m，中梁頂板寬2.4 m，邊梁頂板寬2.85 m，箱梁底板寬1.0 m，混凝土強度等級為C50，鋼絞線采用低松弛高強度預應力鋼絞線，單根鋼絞線直徑為15.2 mm，鋼絞線面積為140 mm2，鋼絞線標準強度fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，縱向預應力管道采用塑料波紋管，試驗梁鋼束布置橫斷面如圖1所示。

2 反拉法檢測預應力基本原理

錨下有效預應力檢測采用反拉法，檢測時千斤頂帶動鋼絞線與夾片沿軸線產生微小位移，此時夾片與錨具脫離，鋼絞線自身拉力與千斤頂作用力達到受力平衡，據此可得到錨下有效預應力值。檢測張拉時夾片隨鋼絞線軸線移動距離小，未改變夾片與鋼絞線的原有咬合關系與位置，且鋼絞線是彈性體，千斤頂回油后鋼絞線可以恢復原狀，不會改變原有的錨下有效預應力，檢測過程無損且結果準確。

有效預應力施工質量評定的指標包括：有效預應力偏差(單根、單束、斷面)、同束不均勻度、同斷面不均勻度。有效預應力偏差用于評價張拉力值的控制質量，計算公式如下：

圖1 預制箱梁鋼束布置橫斷面圖(單位：mm)

(1)

(2)

(3)

有效預應力不均勻度系數用于評價張拉均勻性的控制質量，計算公式如下：

(4)

(5)

3 試驗梁第一次張拉質量

施工單位根據設計圖提供的孔道偏差系數k和摩阻系數μ及超張拉系數3%對試驗梁進行第一次張拉施工，張拉完成2 h內采用“反拉法”進行錨下有效預應力檢測，并依據粵交監督〔2014〕126號“廣東省交通質監站關于進一步加強橋梁預應力張拉施工質量管理的通知”進行評定，單根錨下預應力實測值與標準值(178 kN)的偏差如圖2所示。

圖2 試驗梁第一次張拉單根預應力檢測值偏差

由圖2可知：實測值偏下限，且大部分實測值已超出下限。錨下有效預應力檢測結果如表1所示。

表1 試驗梁第一次張拉錨下有效預應力檢測結果

由表1可得：

(1) 單根預應力實測值合格率為38%，斷面預應力平均力值偏差為-7.2%，試驗梁第一次張拉錨下有效預應力檢測數據結果不滿足粵交監督2014[126]號文件相關要求。

(2) 同束不均勻度合格率為100%，張拉力值較均勻，張拉設備較穩定。

(3) 錨下有效預應力檢測值偏小的原因可能為，在該施工條件下錨口摩阻偏大，管道反摩阻偏小，導致放張時夾片回縮量較大，而超張拉系數偏小。

(4) 為準確測得上述預應力損失值，可進行管道摩阻試驗和錨口摩阻試驗，確定超張拉系數，補償預應力損失。

4 摩阻試驗

4.1 管道摩阻試驗

預應力混凝土梁采用后張法施工時，預應力筋與管道壁接觸并沿管道滑動而產生摩擦阻力，摩阻損失分為彎道影響和管道走動影響兩部分。預應力管道在施工時因震動等原因走動而變成波形，當力筋與管道有相對滑動時就會產生摩阻力，此項稱為管道走動影響(或偏差影響、長度影響)，如圖3曲線ab、cd段。除了管道走動影響之外，還有預應力筋對管道內壁的徑向壓力所產生的摩阻力，該部分稱為彎道影響，隨力筋彎曲角度的增加而增加，如圖3曲線bc段。曲線管道的摩擦損失為管道偏差效應與曲率效應之和，可按下式計算：

σl=σ0[1-e-(μθ+kx)]

(6)

圖3 錨固前后預應力筋應力變化示意圖

由于錨下有效預應力檢測的是錨口處的預應力，因此該位置不存在摩擦損失，但錨口處錨具變形和夾片回縮損失卻與管道的反摩阻相關。如圖3所示，曲線abced為張拉持荷時鋼束的應力，曲線a′b′c′ed為錨固后鋼束的應力，兩曲線之間的差值為錨固回縮產生的損失，或稱反摩阻損失。

孔道摩阻損失試驗在混凝土梁體上進行，主動端和被動端不安裝夾片、錨具和限位板，通過兩端的壓力傳感器測出錨具處壓力傳感器的差值，試驗示意圖見圖4。

1、18-鋼絞線；2、19-工具錨；3-主動端千斤頂；4-主動端傳感器；9、12-螺旋筋；6、15-約束環；10-試件；5、7、14、17-對中墊圈；8、13-錨下墊板；11-預埋孔道；16-固定端傳感器；20-固定端千斤頂。

若此時主動端壓力傳感器示值為P1，被動端示值為P2，管道長度為l，管道曲線包角為θ，則有：

P1-P2=P1[1-e-(kl+μθ)]

(7)

即：

P2=P1e-(kx+μθ)

(8)

兩邊取對數可得：

μθ+kl=-ln(P2/P1)

(9)

令y=-ln(P2/P1),則：

μθ+kl=y

(10)

由此，對不同管道的測量可得一系列方程式：

(11)

由于測試存在誤差，則有：

(12)

(13)

當：

(14)

由式(13)可得：

(15)

式中：yi為第i管道對應的-ln(P2/P1)值，li為第i個管道對應的預應力筋空間曲線長度(m)，θi為第i個管道對應的預應力筋空間曲線包角(rad)，n為實測的管道數目，且不同線形的預應力筋數目不小于2。

通過多組預應力管道摩阻試驗，得到k及μ實測值見表2?？芍摿簣錾a的40 m預應力混凝土小箱梁管道的孔道偏差系數k、波紋管孔道摩阻系數μ與設計值相比偏小，管道反摩阻損失偏大，與第一次張拉后錨下預應力檢測值偏低的原因吻合。

表2 預應力管道摩阻測試結果

4.2 錨口摩阻試驗

后張法施工過程中預應力筋與喇叭口及錨圈口會發生相對滑動，從而產生摩擦阻力，當采用限位板進行自錨的工藝時，還存在夾片逆向刻劃預應力筋，而這些摩擦阻力應包括在張拉控制應力中。該錨口摩阻與喇叭口及錨圈口的角度、錨具與夾片的錐角、鋼絞線直徑、錨夾具與鋼絞線的硬度、限位板槽深、管道類型等多因素相關，在不同的梁場、不同施工條件下存在差異，需通過現場實測得到。

該部分摩擦損失，最大的損失由夾片逆向刻劃引起，與各梁場使用的限位板槽深密切相關：① 限位板槽深大，夾片開口角度大，對鋼絞線的逆向刻劃小，預應力損失??；② 限位板槽深小，夾片開口角度小，對鋼絞線的逆向刻滑大，預應力損失大。

錨圈口摩阻檢測試驗在模擬錨固區的混凝土試驗梁上進行，限位板、錨具、夾片和錨下墊板等均為工程現場配套構件，預埋管道應順直且直徑應符合工程現場情況，通過兩端的壓力傳感器測出錨具處壓力傳感器的差值，試驗示意圖見圖5。

錨口摩阻計算公式如下：

(16)

通過多組錨口摩阻損失試驗，可以得到在該施工條件下(限位板、錨墊板、鋼絞線、喇叭口、波紋管等保持不變)，YM15-4型號錨口摩阻損失率為6.1%，YM15-5型號錨口摩阻損失率為6.6%。

1-鋼絞線；2、18-工具錨；3-主動端千斤頂；4、16-對中墊圈；5-主動端傳感器；6-限位板；7-工作錨；8、13-錨下墊板；9、12-螺旋筋；10-試件；11-預埋管道；14-鋼約束環；15-固定端傳感器；17-固定端千斤頂。

5 試驗梁參數調整后張拉質量

管道摩阻及錨口摩阻測試結果反饋給設計單位，調整張拉控制應力并計算理論伸長量，最終調整超張拉系數為5%后進行張拉。單根錨下預應力實測值與標準值(178 kN)的偏差如圖6所示。

圖6 試驗梁參數調整后單根預應力檢測值偏差

由圖6可知：實測值大部分在規范允許的±6%范圍內，有效預應力值偏差及有效預應力不均勻度系數結果如表3所示。

表3 試驗梁參數調整后錨下有效預應力檢測結果

由表3可得：

(1) 單根預應力實測值合格率為98%，斷面預應力平均力值偏差為-2.9%，試驗梁參數調整后錨下有效預應力檢查結果滿足粵交監督2014[126]號文件相關要求。

(2) 僅5根鋼絞線的偏差值為正，多數鋼絞線單根預應力實測值小于178 kN，靠近下限。

(3) 同束不均勻度及同斷面不均勻度均滿足要求，張拉設備較穩定。

精確考慮管道及錨口摩阻對張拉時預應力的損失，超張拉系數調整為設計控制系數0.75fpk的105%進行張拉后，試驗梁整梁平均力值(172.8 kN)比參數調整前(165.2 kN)質量顯著提高，對比情況見表4。

表4 摩阻試驗前后整梁平均力值對比

由于現場已按設計控制系數0.75fpk的105%進行張拉，但檢測力值仍偏下限，不建議再提高錨外張拉控制應力。經現場了解，張拉限位板為設備廠家提供，可能存在設備廠家提供的限位板槽深過小或錨具與夾片錐口角度不匹配，夾片逆向刻劃鋼絞線較嚴重，導致錨口摩阻偏大，損失率超過6%。單位可聯系錨具廠家提供匹配的限位板，以降低錨口摩阻損失。

6 結論

(1) 后張法預應力筋錨固后錨下有效預應力與預應力管道的反摩阻密切相關。

(2) 不同的施工條件下，管道與錨口的預應力損失不盡相同，按經驗采用管道參數及超張拉系數的方法不可取。

(3) 正式張拉施工前應先進行管道摩阻及錨口摩阻試驗，試驗結果能有效指導預應力張拉施工。

(4) 經試驗確定的施工條件(包含喇叭口、錨具、夾具、限位板、鋼絞線、管道等)不得隨意更換，且要配套使用。

(5) 錨下有效預應力檢測不僅是結果驗證手段，更應該要發揮其施工指導作用。