钢绞线张拉中存在的问题

预应力施工技术问题的探讨

鲁 康

（中铁十三局集团有限公司 第二工程有限公司 安邵项目部）

摘要：

从全国各地众多高速公路桥梁健康检查情况来看,预应力桥梁的裂缝病害相当普遍,特别是箱梁桥。产生裂缝病害的原因很多,其中预应力桥梁施工中出现的若干预应力技术问题,已受到众多专家的关注和质疑。 关键字:预应力;张拉;理论伸长值;压浆 一、预应力桥梁的施工工艺问题

1.1预应力结构砼开始张拉的时间问题

为提高预应力混凝土的早期强度,近几年通过掺加早强剂的方法,一般浇注砼3d后就开始张拉预应力,然而由于砼强度增长需要一定的时间,而且强度和弹性模量增长是不同步的,强度增长快,弹性模量长慢,早期砼变形大,过早张拉预应力会使预应力损失增加,导致桥梁承载力不足,而出现众多裂缝病害。此外,采用现场试块测得的早期砼强度等级代替现场结构的实际砼强度,也存在一定的问题。试验表明,出现事故的结构最后验算时其实际强度均未达到现场测得的强度,有时候甚至很低。

1.2预应力超长束一端张拉工艺的问题

国内现浇大跨度(3~5跨,每跨30～50m)预应力连续箱梁底板预应力束一般采用一端张拉的工艺,例如某箱梁桥5跨,第一联跨66m,第二联跨88m,第三联跨150m,如采用一端张拉的工艺将一束钢绞线拉直需要0.3～0.4fptk的拉力,而如此长的孔道要跨越多道箱梁横隔板,其孔道摩阻是多少,要通过试验才能确定。根据国内外相关规范[1-2]规定:跨度≥30m以上的预应力桥梁,均要求采用两端对称张拉工艺,才能保证跨中有效预应力和桥梁在恒载和活载作用下跨中所需抵抗弯矩的建立;否则会导致跨中承载力不足,而产生正截面裂缝。根据交通部专门调查资料,已通车的公路桥梁中,几乎都出现过由于张拉工艺不适合而产生大量裂缝的现象。

1.3后张预应力结构张拉力控制的问题

预应力施工作业不够规范,特别是张拉力控制不严对预应力桥梁质量影响较大。一般张拉作业采用张拉力和预应力筋伸长量同时控制,以张拉力为主,以伸长值校核张拉力。通常张拉力的计量采用

1.4级油压,误差大,有的千斤顶甚至未经计量标定就张拉,而且张拉人员多数未经专业培训,如果作业不专心,经常容易出现较大误差,甚至读错表,发生张拉力忽高忽低的现象。 二、理论伸长量计算 1、理论公式：

（1）根据《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041—2000），钢绞线理论伸长量计算公式如下：

PPLP1ekx ① PP ② LAPEPkx式中：PP——预应力筋的平均张拉力（N），直线筋取张拉端的拉力，曲线筋计算

方法见②式；

L——预应力筋的长度；

AP——预应力筋的截面面积（mm2）；

EP——预应力筋的弹性模量（N/mm2）； 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)；

——从张拉端至计算截面的孔道部分切线的夹角之和(rad)；

k——孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数；

——预应力筋与孔道壁的摩擦系数。 （2）计算理论伸长值

要先确定预应力筋的工作长度和线型段落的划分。后张法钢绞线型既有直线又有曲线，由于不同线型区间的平均应力会有很大差异，因此需要分段计算伸长值，然后累加。于是上式中：

LL1L2Li LiPpiLiAPEP

Pp值不是定值，而是克服了从张拉端至第i —1段的摩阻力后的剩余有效拉力值，所以表示成“Ppi”更为合适； （3）计算时也可采取应力计算方法 各点应力公式如下：

ii1e各点平均应力公式为：

i1kxi1

pi各点伸长值计算公式为：

i1ekx kxiiiiLipixi Ep2、根据规范中理论伸长值的公式，举例说明计算方法：

木灵高架桥为后张预应力连续箱梁，、既有单端张拉，也有两端张拉。箱梁中预应力钢束采用高强度低松弛钢绞线（Φ15.24），极限抗拉强度fp=1860Mpa，锚下控制应力б0=0.75fp=1395Mpa。K取0.0015/m，µ=0.25。 （2）单端张拉预应力筋理论伸长值计算：

预应力筋分布图（1）

伸长值计算如下表： 分段 σi 编号 钢绞线切线角偏差摩阻长度度θkl+μθ σ系数k 系数µ L(m) (rad) 伸长值 σ平均 ΔL(mm) i+1AB BC CD DE EF FG GH HI IJ 1395 1.021 1392.865 1262.695 1247.527 1168.503 1165.492 1091.665 1086.858 1013.155 0.0010.0015311392.860.25 5 5 5 0.0010.0981141262.694.323 0.36652 0.25 5 5 5 0.0010.0120851247.528.057 0 0.25 5 5 7 0.244340.0010.0654391168.502.902 0.25 6 5 5 3 0.0011165.491.72 0 0.25 0.00258 5 2 0.244340.0010.0654391091.662.902 0.25 6 5 5 5 0.0011086.852.942 0 0.25 0.004413 5 8 0.0010.0702211013.153.181 0.2618 0.25 5 5 5 0.0010.0033101009.802.207 0 0.25 5 5 7 伸长值 0 1393.932 1326.716 1255.096 1207.584 1166.997 1128.176 7.30 29.41 51.86 17.97 10.29 16.79 1089.26 16.43 1049.5717.12 5 1011.48 11.45 178.63 （1） 两端非对称张拉计算：

预应力筋分布图（2）

伸长值计算如下表： 钢绞线切线角偏差摩阻分段编号 σi 长度度θ系数系数kl+μθ L(m) (rad) k µ 0.000.00195AB 1395 1.306 0 0.25 15 9 1392.0.000.09368BC 4.277 0.34907 0.25 27 15 3 1267.0.000.01405CD 9.373 0 0.25 761 15 95 1250.0.000.06065DE 2.622 0.22689 0.25 062 15 55 1176.0.000.00373EF 2.49 0 0.25 492 15 5 1172.0.000.06065FG 2.622 0.22689 0.25 106 15 55 1103.0.000.00205GH 1.368 0 0.25 125 15 2 1100.0.000.06065HI 2.622 0.22689 0.25 864 15 55 σi+1 σ平均 伸长值ΔL(mm) 9.33 29.15 60.51 16.31 14.99 15.29 7.73 14.36 1392.27 1267.761 1250.062 1176.492 1172.106 1103.125 1100.864 1036.075 1393.6345 1329.0436 1258.8907 1212.9052 1174.298 1137.2669 1101.9938 1068.1417 H-平衡点O 左端合计 NM ML 1100.864 1395 1.512 0.000.13614 15 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.036303 0.001959 0.093683 0.0891465 0.0606555 0.003735 0.0606555 0.024355 1061.616 1392.27 1267.761 1159.636 1091.388 1087.319 1023.328 1061.157 1081.1208 1393.6345 1329.0436 1212.8953 1125.167 1089.3525 1055.0002 1074.185 8.38 161.70 9.33 29.15 369.66 15.13 13.91 14.19 6.11 443.30 605.00 25.57 0.93899 1.306 0 1392.27 1267.LK 761 1159.KJ 636 1091.JI 388 1087.IH 319 1087.I-平衡点O 319 右端合计 左右两端合计 4.277 0.34907 59.431 0 2.622 0.22689 2.49 0 2.622 0.22689 1.11 0.09076 71.236 0.66672 96.806 1.60571 若预应力钢筋为两端对称张拉，则只需计算出一半预应力筋的伸长值，然后乘以2即得总的伸长量。

注：由于采用1500KN千斤顶张拉，根据实测伸长值为量测大缸外露长度的方法，则计算理论伸长值时应加缸内长度约500mm。而锚固端长约470mm，应在计算理论伸长值时扣除。由于两数对于伸长值的计算相差甚微，可以抵消，因此在计算中未记如。

二、实测伸长值的测定

1、预应力钢筋张拉时的实际伸长值△L，应在建立初应力后开始量测，测得的伸长值还应加上初应力以下的推算伸长值。即：

△L=△L1+△L2

式中：△L1——从初应力到最大张拉应力间的实测伸长值（m ）; △L2——初应力以下的推算伸长值（m ）。

关于初应力的取值，根据《公路规》的规定，一般可取张拉控制应力的

10%~25%。初应力钢筋的实际伸长值，应以实际伸长值与实测应力之间的关系线为依据，也可采用相邻级的伸长值。

2、从高木灵架桥施工张拉资料分析后总结出以下两个钢绞线实测伸长值的经验公式：

L实=（Lb—La）/0.8—L无阻 （1） L实=[（Lb—La）+（La—Lc）] —L无阻 （2） L实——钢绞线实际伸长量

La——张拉应力为20%б0时，梁段两端千斤顶活塞行程之和； Lb——张拉应力为100%б0时，梁段两端千斤顶活塞行程之和； Lc——张拉应力为10%б0时，梁段两端千斤顶活塞行程之和； L无阻——梁段两端千斤定内钢绞线的无阻伸长量，即： L无阻=PL/EPAP

对于以上公式，当钢绞线较短，角度较小时，用（2）式计算更接近设计伸长量；当钢绞线较长，角度较大时，用（1）式计算更接近设计伸长量。这是由于预应力筋的长度及弯起角度决定实测伸长量的计算公式，钢绞线较短、弯起角度较小时，摩阻力所引起的预应力损失也较小，10%~20%Σ

控

钢绞线的伸长量基

本上反映了真实变化，0~10%的伸长量可按相邻级别10%~20%推算。钢绞线较长、弯起角度较大时，摩阻力所引起的预应力损失也较大，故初应力采用20%Σ20%~100%推算0~10%的伸长量更准确。

3、现阶段木灵高架施工过程中我们采用的是直接测量张拉端千斤顶活塞伸出量的方法，但这种测量方法存在一定误差，这是因为工具锚端夹片张拉前经张拉操作人员用钢管敲紧后，在张拉到约10%б0开始到100%б0时，因钢绞线受力，夹片会向内滑动，这样通过测量千斤顶的伸长量而得到的量比钢绞线的实际伸长量偏大。

因此，我们可以考虑采用量测钢绞线绝对伸长值的方法，测得的伸长值须考虑工具锚处钢绞线回缩及夹片滑移等影响，测量方法如下图（3）所示：

控

用

图

（3）

4、现以图（2）所示的预应力钢绞线为列介绍北新高架桥的实际伸长值计算方法：

对于多束群锚式钢绞线我们采用分级群张法，图（2）中钢绞线为7束，采用1500KN千斤顶，根据不同应力下实测伸长值的量测，最后得出总伸长值及与设计伸长值的偏差（如下表），并且用与设计伸长值的偏差是否在±6%之内来校核。

预应力理论伸钢筋编长值号 (mm) 1（1） 605 1（2） 605 1（3） 605 1（4） 605 注：由于钢绞线右端伸长值大于200mm，千斤顶需要倒一次顶才能完成张拉，因此右端出现了在50%б控时的两个读数，分别表示在从初应力张拉到50%б控时的读数和千斤顶倒顶后张拉到50%б控时的读数。 三、问题与思考

在张拉过程中根据张拉数据监测发现预应力钢筋的实际伸长值与理论伸长值之间有一定的误差，究其原因，主要有：预应力钢筋的实际弹性模量与计算时的取值不一致；千斤顶的拉力不准确；孔道的摩擦损失计算与实际不符；量测误差等。特别是弹性模量的取值是否正确，对伸长值的计算影响较大。必要时，预应力钢筋的弹性模量、锚圈口及孔道摩阻损失应通过试验测定，计算时予以修正. 特别在多束张拉时,由于每束张拉力都不同,往往对预应力筋的伸长值计算不准确,弹性模量取值混乱,实际张拉时难以做到将伸长量按规范规定控制在±6%范

左端 右端 20%б控/50%б控 69/94 54/183 67/97 61/179 63/91 58/181 65/98 51/178 左端 右端 50%б控/бб控 控 195 21/244 199 19/266 197 18/239 198 22/238 实测伸伸长值长值偏差（%） (mm) 597.5 -1.24 621.25 2.69 597.5 -1.24 595 -1.65 围内,导致张拉力失控。

1.5预应力孔道压浆有两个重要作用:一是保护预应力筋不被锈蚀；二是保证预力筋和结构共同工作；然而实际工程中预应力孔道的压浆不饱满、不密实、漏浆和漏灌现象十分普遍,已成为预应力结构的通病。其主要原因除了施工单位对孔道压浆工序不够重视外,目前的压浆工艺、留孔质量、浆体配置等也存在一定问题,特别是浆体的水灰比,规范的规定值(0.4～0.45)偏大。采用规范规定的水灰比后孔道浆体泌水,孔道不易饱满和密实。近几年,采用新研制的外加剂JMH-3对浆体配置技术进行了改进,将水灰比降到0.35以下,通过高速搅浆机(转速≥1000r/min),将浆体的流动度提高到12s(规范规定为14～18s),只要规范操作,普通压浆工艺也能保证压浆质量。

1.6后张预应力结构的砼保护层失控问题

由于砼保护层普遍偏小,而施工时采用的保护层水泥垫块都已损坏和移位,导致梁板保护层失效,加之预应力孔道压浆多数不到位使箱梁底板和板梁底面出现许多纵横向裂缝。建议推广应用塑料垫块控制保护层厚度。

2预应力孔道和锚具存在的问题 2.1后张法预留孔道质量的问题

后张预应力砼结构的预留孔道不流畅、漏浆现象严重,导致孔道摩阻和预应力损失增大,已成为预应力施工中的通病。市场上应用的金属波纹管,90%以上达不到产品标准要求[5]。标准规定钢带厚度宜为0.3mm,而实际常用的仅0.24～0.28mm;波高要求≥2.5mm,而实际波高仅1.25～1.5mm,标准所要求的径向刚度也普遍达不到。扁管的质量标准更低,扁管内径高度规定两种高度19mm(Φj12.7钢绞线用)和25mm(Φj15.24钢绞线用),现在普遍为22mm,由于径向刚度小,导致留孔空间更小。目前生产的塑料波纹管质量问题较多,若不加强质量控制和管理,对后张预应力结构将导致严重后果。 2.3锚具尺寸减小而影响锚具质量的问题

由于受低价中标的影响,尽管钢材价格在上涨而锚具的价格逐年下滑。2005年每孔价格在20元(三件套)左右,最低每孔15元;而2000年前每孔40元左右,跌幅

达50%,使生产厂家无利润空间,政府又没有保护措施,其后果只能是偷工减料。目前很多厂家将夹片长度减为38～40mm,锚环厚度、直径和孔距的减小,使锚具质量得不到保证。锚具的所有几何尺寸都是经过严格计算和无数次试验确定的,无任何科学依据,不可随意更改尺寸,否则会影响锚固性能。国、内外专家研究发现,夹片对高强度钢绞线的夹持长度对锚具的锚固性能影响很大,夹持长度过小,会引起钢绞线滑移锚不住;因此对夹片长度应严格控制,一般不宜小于50mm[6-7]。锚板尺寸和厚度过小,会影响锚具的承载力,因此随意地减小锚具尺寸后果将非常严重。 3结语

预应力技术从理论到工程实践经过几代人的研究和不断创新,已发展为比较成熟的技术,然而经调查和研究发现,由于张拉工艺不适合、孔道和锚具质量不合规范等原因,造成预应力施工中仍存在许多不足之处,本文针对预应力桥梁施工中可能出现的问题进行分析,以期引起相关设计和施工人员的高度重视。

[参考文献]

[1 ] 《公路桥涵施工技术规范》.JTJ 041-2000.人民交通出版社。 [2 ] 后张法预应力张拉伸长量的计算与测定.李玉良，李民，高峰俊。 [3 ] 《预应力技术材料设备》.人民交通出版社。