现浇箱梁长束预应力张拉过程控制分析

现浇箱梁长束预应力张拉过程控制分析

雷永晨

湖南省高速公路建设开发总公司湘西管理处湖南省湘西市416000

摘要：现浇箱梁中长束预应力张拉是整个预应力体系建立的难点。本文基于智能张拉技术，进行了某现浇箱梁长束预应力筋的张拉关键指标研究，同时进行了后张长束预应力筋对先张长束预应力筋的应力影响分析。研究结果表明：建议对长度超过110m的长束预应力筋增大持荷时间，第三行程张拉中采用10min持荷时间为最佳，将长束预应力筋的初应力值可调整到30%控制应力。长束预应力中，后张钢束对先张钢束整体预应力影响不大，可忽略后张刚塑对先张钢束预应力大小的损失影响。

关键词：现浇箱梁；长束预应力；智能张拉；初应力；持荷时间

1.引言

目前城市桥梁呈现出大跨度、多孔道等特点。如城市现浇箱梁体系，预应力孔道长度可以达到150m及以上，单跨现浇箱梁的预应力孔道多达100孔以上，显然采用传统的人工张拉难以获得有效的预应力体系。长束预应力体系中的张拉是确保桥梁预应力系统安全、可靠的关键环节。关于长束预应力的研究内容也较多，形成的统一意见是需针对性的进行张拉及压浆试验研究，用以确定合理的张拉及压浆关键指标参数。指导性的长束预应力张拉及压浆定量标准还有待形成。长度大、孔道累计弯曲度大、孔道复杂，后张预应力施工过程中对预应力的施工方法、张拉关键控制参数进行全过程控制具有显著的现实指导意义。对于复杂预应力体系，如何进行有效预应力的建立、保护及健康监测是当前研究者研究的重点，同时，研究其精细的施工工艺和设备、后期有效预应力大小的检测也是保证桥梁整体安全性的关键点[1]。

一些研究者对复杂预应力施工体系的研究从张拉关键指标入手，强调张拉施工的过程控制。白云山等基于某大跨度桥梁的长束预应力进行了张拉关键指标（初应力、第三行程持荷时间）研究，研究结果表明：对于长束预应力筋应根据张拉施工现场确定初应力，适当延长张拉第三行程持荷时间用以确保张拉力的传递[2]。陈成文等对长束预应力筋的预应力进行了检测分析，分析结果表明现有的张拉工艺中难以确保长束预应力筋达到规定的有效预应力值，张拉过程控制的关键参数需要根据试验进行调整[3]。

本文依托某现浇箱梁预应力体系，选取某跨两长束（大于100m）预应力筋进行长束预应力张拉关键指标（持荷时间及初始应用）试验研究，并在长束预应力筋上沿程布设4个光纤光栅传感器，研究后张钢绞线对先张钢绞线的预应力影响程度，用以获得长束张拉关键指标量，指导长束预应力筋张拉施工过程控制。

2.工程概况

某3跨30m长预应力现浇箱梁工程，预应力筋共284孔，分别为边横梁、中横梁、顶板、底板、腹板，最长束孔道长达123.2m，采用智能张拉工艺进行张拉过程施工及力值和位移值“双控”，预应力钢绞线张拉控制应力为195.3kN，采用两端张拉方式。最长束钢绞线大样图见下图1所示。

图1预应力钢束图

3.现浇箱梁长孔道有效预应力建立及张拉结果

3.1长孔道张拉方法

采用湖南联智桥隧技术有限公司生产的智能张拉设备系统进行长束预应力筋的张拉指标研究及张拉过程控制。

（1）智能张技术工作原理

智能张拉系统本质特点：变人为控制张拉为数控技术控制张拉。

智能张拉系统组成模块及内容：计算机控制软件、通信数控控制模块、液压技术等。

智能张拉系统的千斤顶增加了精确测量伸长量和力值的传感器，通过数据传输系统精确的显示在电脑上。典型的智能张拉系统结构如下图2所示[4]。

图2张拉控制系统结构图

由图2可知，智能张拉控制系统与传统张拉控制系统主要的不同之处是在千斤顶上安装了压力、位移传感器，结合A/D转换无线发送给计算机主控系统。实现了按照既定程序进行张拉过程中的进、回油、持荷。

（2）智能张拉技术的张拉工艺控制流程

根据张拉过程，可以将智能张拉技术的张拉工艺分为以下部分：

张拉前准备阶段：准备材料，钢绞线下料、穿束、工具锚、夹片安装。

2）张拉设备的安装：主要包括限位板、千斤顶、工具锚、工作夹片。安装时必须保证附属设备安装的顺序，安装后应检查安装的稳定性。

3）张拉系统的信息输入和张拉过程的实施

在张拉控制界面输入张拉信息，如工程项目名称、张拉梁板参数、张拉控制应力大小等等。输入信息后，即可进行张拉。张拉过程中按照输入张拉行程进行三行程的持荷，同时实时进行力值和伸长量的校核，自动加压、补压，直到完成整个张拉过程，同时实时记录保存张拉数据。

3.2长孔道张拉关键指标研究

3.2.1长束预应力孔道张拉力值传递规律及持荷时间研究

为了研究长束预应力的传递规律及影响因素对力值传递的影响程度，选取现浇箱梁中最长束预应力筋，即123.2m，对该长束进行单端张拉，张拉工艺为智能张拉，在张拉端安装了智能千斤顶，捕捉被动端力值。试验过程中研究不同主动端控制力下的被动端在不同持荷时间下的力值，用以确定孔道长度对张拉力值传递的影响。

本试验具体操作方法为：试验加载从0开始，分别加载至20%控制应力、50%控制应力、80%控制应力、100%控制应力，记录不同控制应力下，持荷时间为0min、2min、5min、10min、20min、30min、40min、50min下的被动端力值。被动端力值在主动端力值下的变化规律见下表1所示。

图3长钢束被动端力持荷时力值随时间增长趋势

由上图3可知，被动端的力值随时间变化呈现了先增大后保持不变的过程，在这个过程中，长大预应力管道中，张拉传递力不断的抵消管道摩阻力值，从而在被动端形成了一个短期的“徐变”过程，尤其是当持荷时间在2min时，被动端力值还比较小，仅占主动端力值的10%以下，当持荷时间在2~10min时，被动端力值增长较快，这个阶段中主动端传递到被动端的力值已经成功的抵消了部分摩阻，钢绞线被紧贴在管道内壁，主动端力值传递较0~2min内顺畅，当持荷时间达到10min以后，被动端的力值趋于稳定。此时主动端与被动端对应的力值差值就是孔道的摩阻力、孔道偏差及锚口力值损失值的合力。

试验过程中，若对主动端施加5%的控制应力，会发现，被动端力值几乎显示为0，主要原因是5%的控制应力不足以抵消管道内摩阻力，从而导致被动端力值发生很小变化。由以上试验可知，整个过程因摩阻、孔道偏差等原因消耗的力值达到30多吨，显然，预应力张拉过程中不能忽视孔道摩阻等因素影响，要对管道进行预张拉，以消除管道偏差等原因的影响。

由此可知，长束预应力筋的预应力传递受长度、弯曲弧度影响较大，在施工中应该采用两端张拉方式，用以减少摩擦阻力等对张拉传递力值影响，应该延长不同张拉阶段的持荷时间，尤其是在进行孔道摩阻试验时，更应加强每级荷载的持荷时间，用以获得最终可靠的稳定值。在主动端施加100%控制应力下，持荷10min后，被动端的力值基本达到稳定，随后增大持荷时间，被动端力值发生增大较少。但新规中仅规定了一般长度的预应力筋分级持荷时间，且第三级持荷时间不少于3min，显然在长束预应力筋中，3min的持荷时间是不足以使被动端达到预期的有效预应力的，通过本试验的试验结果，建议在长度达到110m后的长束预应力筋应该增大持荷时间，建议在第三行程张拉中采用10min持荷时间为最佳。

3.2.2长束预应力孔道初张拉力值确定研究

要获得可靠的伸长量需要采用合理的初应力值。长束预应力管道复杂，初应力选择过小，初应力值不足以抵消长束孔道的摩阻等力，则获得的伸长量理论值与实测值将会存在一定的误差，造成张拉施工不合格的假象。新桥规中对长束预应力筋张拉的初应力重新进行了规定：当钢束长度时，取25%控制应力为初应力，当钢束长度后，25%的上限也可能不足以抵消摩擦等力，则需根据现场试验环境进行摩阻等试验进行初应力大小的准确确定。

受到复杂管道因素的影响，一旦初应力较小，难以克服孔道摩阻力，则伸长量量测将不准确，导致实际伸长量与理论伸长量值不满足规范要求，因此需要通过现场试验获得合理的初应力值。这里同样对123.2m长预应力孔道进行单端张拉的不同初应力下的研究，主动端施加预应力至初应力，持荷10min，然后捕捉不同初应力下的被动端力值。具体的结果如见表2。

由表2可知，随着初应力的逐渐增大，被动端与主动端实测力的比值在不断的增大，尤其是在30%控制应力时，被动端的力值达到了主动端的51%，完全克服了摩阻等力，使得钢绞线在后续张拉过程中呈现线性的力-位移关系。5%控制应力值下，被动端力值几乎为0，10%控制应力下被动端为0.12倍主动端力，主动端力值过小导致被动端力值过小，传递的预应力很难克服摩阻、管道不顺畅引起的力损失，从而造成被动端力值过小，因此初应力大小完全可以影响力值的传递。为了寻求合理的初应力值，这里采集了被动端随主动端力值变化的力-位移数据，绘制曲线如下图4所示。

图4为智能张拉设备采集的被动端钢绞线力-伸长量关系图，由图可知，当应力达到30%后，力-伸长量曲线为直线，表现出了弹性关系，但在30%以下控制力时，力-伸长量表现为非线性关系，位移值较小，这部分伸长量较小的原因是力在不断的克服摩阻及锚具滑移等因素，当达到控制应力的30%后，钢绞线成功克服阻力，随着力值的增加呈现出线性关系。

由不同初应力下的被动端力值及力-位移曲线可知，123.2m长束的最佳初应力值为30%控制应力。对于长束预应力筋的初应力值可以调整到30%控制应力。

图4张拉力-伸长量关系图

3.3长孔道张拉结果

长束预应力张拉中严格按照30%的初始预应力及10min第三行程的持荷时间进行张拉。预应力现场张拉的结果主要通过张拉力和伸长量来进行对比检测。部分长束预应力钢铰线的具体的检测结果如下。

从表3和表4可知，实际施工过程中采用的智能张拉来张拉预应力能获得良好的效果，其有效预应力的值和钢束伸长量的值都能满足规范要求，且误差较小。

4.长孔道有效预应力检测

（1）反拉法检测检测仪器及工作流程

反拉法检测有效预应力系统，包括：锚索应力传感器、锚索测力自动记录仪、位移传感器、位移自动记。整个设备的安装布置如图4-5所示，反拉法检测工作流程如下；

1）安装顺序：工作锚→锚垫板3→空心千斤顶4→限位板14→锚索穿过空心应力传感器8→在应力传感器后面安装上限位板14、工具链垫板以及工具锚9→安装夹片；

2）位移传感器与应力传感器分别都接上记录仪，然后接入到计算机系统；

3）开始检测的时候，通过油泵来加压，千斤顶6伸长从而产生位移，这样装置就被压紧，进而位移传感器7产生位移，应力传感器8受压量从而测出应力，经过记录仪器可以传输至计算机系统，进行实时地采集数据及分析，与此同时显示出F-S曲线；

5）当反拉力到达预应力的大小时，曲线出现拐点，斜率明显变化，系统自动捕捉此时应力传感器8数值，即为预应力筋的锚下预应力。

图5锚下预应力检测安装示意图

图中：1一锚挚板；2一工作锚；3一垫板；4一半斤顶；5一磁性表座支架；6一千斤顶缸；7一位移传感器；8一应力传感器；9一工具锚；10一锚索；11一记录仪；12一计算机；13一油管；14一应力传感器限位板；

（2）检测结果

现场实测的F1、F2张拉力如表5所示。

5后张预应力筋对先张预应力筋影响

本箱梁预应力施工中先张拉F1束，再进行F2束张，F1、F2束预应力筋位置较为接近。为了研究相邻位置处，后张预应力筋对先张预应力筋影响程度，在本现浇箱梁张拉施工前选取了一孔F1束预应力筋、一孔F2束预应力筋，张拉顺序为F1→F2→N3（长度为108.3m），在F1、F2上分别沿程布设5个光纤光栅传感器（预应力筋两端分别布设一个光纤光栅传感器，其余3个传感器等距离布设。光纤光栅传感器编号由钢绞线一端向另一端分别为1#、2#、3#、4#、5#）F1张拉后将光纤光栅传感器读数计0，F2张拉后记录F1钢束上传感器数据，F2张拉完后将F2钢束上光纤光栅传感器读数清零，N3张拉完后记录F1、F2钢束上传感器读数差值。试验中获得的主要试验结果整理如下表6、7。

由上表6及表7可知，后张预应力钢束影响了先张预应力钢束的预应力，由于后张拉钢束继续对梁体进行压缩，表现出的后张对先张预应力的影响应变为负值。1#、5#传感器的应变绝对值最大，主要原因是预应力筋端头位置隔得最近，同时张拉力受孔道摩阻损失影响也造成了钢绞线中间位置处的应变大小较端头的变化小。尽管后张对先张的预应力筋应变有所减弱，但相对于初始应变来说，影响的应变值很小，因此可以认为在长束预应力筋张拉过程中，后张对先张的应变影响较小，可以忽略不计。但设计时规定了预应力筋的张拉顺序，主要原因是考虑张拉顺序对混凝土结构的整体受力影响均匀性而定的，长束预应力筋张拉过程中应该严格按照顺序张拉，避免张拉不均匀带来的混凝土受力不均匀的影响。

6.小结

本文主要结论有：

（1）建议在长度达到110m后的长束预应力筋应该增大持荷时间，建议在第三行程张拉中采用10min持荷时间为最佳。

（2）当对初应力以下的伸长量进行推定时就必须使得初应力传递力值能够完全克服摩阻力，因此在选择初应力大小时要考虑能够抵消摩阻等影响。123.2m长束的最佳初应力值为30%控制应力。对于长束预应力筋的初应力值可以调整到30%控制应力。

（3）后张钢束对先张钢束预应力值影响为负值，表现为后张钢束使梁体继续压缩，从而减少了光纤光栅的应变值。本箱梁中后张钢束对先张钢束整体预应力影响不大，可忽略后张刚塑对先张钢束预应力大小的损失影响。

参考文献

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[2]白山云,付克俭,李宗长.超长预应力束初张力及持荷时间试验研究[J].桥梁建设,2009,03,37-39.

[3]陈成文,喻成亮,王永兴.超长预应力束有效预应力测试与研究[J].公路,2013,01,144-148.

[4]王小波.桥梁预应力张拉精细化施工监控系统研究[D].长安大学,2015