預(yù)應(yīng)力鋼絞線施工時(shí),采用張拉應(yīng)力和伸長(zhǎng)值雙控,實(shí)際伸長(zhǎng)值與理論伸長(zhǎng)值誤差不得超過(guò)6%,后張預(yù)應(yīng)力技術(shù)一般用于預(yù)制大跨徑簡(jiǎn)支連續(xù)梁、簡(jiǎn)支板結(jié)構(gòu),各種現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)或塊體拼裝結(jié)構(gòu)。
預(yù)應(yīng)力施工是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作,預(yù)應(yīng)力筋張拉是預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工序,施工質(zhì)量關(guān)系到橋梁的安全和人身安全,因此必須慎重對(duì)待。
一般現(xiàn)行常接觸到的預(yù)應(yīng)力鋼材主要:有預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線、PC光面鋼絲、刻痕鋼絲、冷拔低碳鋼絲、精軋螺紋鋼等材料。
對(duì)于后張法預(yù)應(yīng)力施工時(shí)孔道成型方法主要有:金屬螺旋管、膠管抽芯、鋼管抽芯、充氣充水膠管抽芯等方法。比較多的是混凝土預(yù)應(yīng)力鋼絞線(PCstrand、1×7公稱直徑15,24mm,fpk =1860Mpa,270級(jí)高強(qiáng)底松弛),成孔方法多采用金屬螺旋管成孔,本文就以此兩項(xiàng)先決條件進(jìn)行論述。
1 施工準(zhǔn)備:
1.1 、熟悉圖紙:拿到施工圖紙應(yīng)先查閱施工說(shuō)明中關(guān)于預(yù)應(yīng)力鋼絞線的規(guī)格,一般預(yù)應(yīng)力鋼束采用ASTMA416-270級(jí)低松弛鋼絞線,其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為fpk=1860Mpa,1×7公稱直徑15,24mm,錨下控制力為Δk=0.75 fpk Mpa。
1.2 、根據(jù)施工方法確定計(jì)算參數(shù):
預(yù)應(yīng)力管道成孔方法采用金屬螺旋管成孔,查下表確定K、μ取值:
表1
注:摘自《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041-2000)附錄G-8
根據(jù)鋼絞線試驗(yàn)結(jié)果取得鋼絞線實(shí)際彈性模量Ep(一般為1.9~2.04×105Mpa)
1.3 、材料檢測(cè):
金屬螺旋管根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041-2000)附錄G-7之要求檢測(cè);
錨具根據(jù)《公路橋梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線用YM錨具、連接器規(guī)格系列》(JT/T 329.1-1997)及《公路橋梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線用錨具、連接器試驗(yàn)方法及檢驗(yàn)規(guī)則》(JT/T 329.2-1997)之要求檢測(cè);
鋼絞線根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》GB/T5224-2003之要求檢測(cè)
2: 理論伸長(zhǎng)量計(jì)算:
后張法預(yù)應(yīng)力鋼絞線在張拉過(guò)程中,主要受到以下兩方面的因素影響:一是管道彎曲影響引起的摩擦力,二是管道偏差影響引起的摩擦力;兩項(xiàng)因素導(dǎo)致鋼絞線張拉時(shí),錨下控制應(yīng)力沿著管壁向跨中逐漸減小,因而每一段的鋼絞線的伸長(zhǎng)值也是不相同的。
2.1 、計(jì)算公式:
《公路橋梁施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041-2000)中關(guān)于預(yù)應(yīng)筋伸長(zhǎng)值ΔL的計(jì)算按照以下公式(1):
ΔL—各分段預(yù)應(yīng)力筋的理論伸長(zhǎng)值(mm);
Pp—各分段預(yù)應(yīng)力筋的平均張拉力(N);
L—預(yù)應(yīng)力筋的分段長(zhǎng)度(mm);
Ap—預(yù)應(yīng)力筋的截面面積(mm2);
Ep—預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量(Mpa);
《公路橋梁施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041-2000)附錄G-8中規(guī)定了Pp的計(jì)算公式(2):
P—預(yù)應(yīng)力筋張拉端的張拉力,將鋼絞線分段計(jì)算后,為每分段的起點(diǎn)張拉力,即為前段的終點(diǎn)張拉力(N);
θ—從張拉端至計(jì)算截面曲線孔道部分切線的夾角之和,分段后為每分段中每段曲線段的切線夾角(rad);
x—從張拉端至計(jì)算截面的孔道長(zhǎng)度,分段后為每個(gè)分段長(zhǎng)度或?yàn)楣?中L值;
k—孔道每束局部偏差對(duì)摩擦的影響系數(shù)(1/m),管道內(nèi)全長(zhǎng)均應(yīng)考慮該影響;
μ—預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁之間的磨擦系數(shù),只在管道彎曲部分考慮該系數(shù)的影響。
從公式(1)可以看出,鋼絞線的彈性模量Ep是決定計(jì)算值的重要因素,它的取值是否正確,對(duì)計(jì)算預(yù)應(yīng)力筋伸長(zhǎng)值的影響較大。
所以鋼絞線在使用前必須進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn),彈性模量則常出現(xiàn)Ep’=(1.96~2.04)×105Mpa的結(jié)果,這是由于實(shí)際的鋼絞線的截面積并不是絕對(duì)的140mm2,而進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)并未用真實(shí)的鋼絞線截面積進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)公式(1)可知,若Ap有偏差,則得到了一個(gè)Ep’值,雖然Ep’并非真實(shí)值,但將其與鋼絞線理論面積相乘所計(jì)算出的ΔL卻是符合實(shí)際的,所以要按實(shí)測(cè)值Ep’進(jìn)行計(jì)算。
公式2中的k和μ是后張法鋼絞線伸長(zhǎng)量計(jì)算中的兩個(gè)重要的參數(shù),其大小取決于多方面的因素:管道的成型方式、預(yù)應(yīng)力筋的類型、表面特征是光滑的還是有波紋的、表面是否有銹斑,波紋管的布設(shè)是否正確,彎道位置及角度是否正確,成型管道內(nèi)是否漏漿等等,各個(gè)因素在施工中的變動(dòng)很大,還有很多是不可能預(yù)先確定的,因此,摩擦系數(shù)的大小很大程度上取決于施工的精確程度。在工程實(shí)施中,最好對(duì)孔道磨擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)定,并對(duì)施工中影響磨擦系數(shù)的方面進(jìn)行認(rèn)真的檢查,如波紋管的三維位置是否正確等等,以確保摩擦系數(shù)的大小基本一致。實(shí)際計(jì)算可根據(jù)表1選取參數(shù)。
3劃分計(jì)算分段:整束鋼絞線在進(jìn)行分段計(jì)算時(shí),首先是分段(見(jiàn)圖1):
3.1 、工作長(zhǎng)度:工具錨到工作錨之間的長(zhǎng)度,圖1中工作段AB長(zhǎng)度=L,計(jì)算時(shí)不考慮μ、θ,計(jì)算力為A點(diǎn)力,采用公式1直接進(jìn)行計(jì)算,Pp=千斤頂張拉力;
3.2 、波紋管內(nèi)長(zhǎng)度:計(jì)算時(shí)要考慮μ、θ,計(jì)算一段的起點(diǎn)和終點(diǎn)力。每一段的終點(diǎn)力就是下一段的起點(diǎn)力,例如靠近張拉端第一段BC的終點(diǎn)C點(diǎn)力即為第二段CD的起點(diǎn)力,每段的終點(diǎn)力與起點(diǎn)力的關(guān)系如下式:
各段的起終點(diǎn)力可以根據(jù)公式3從張拉端開(kāi)始進(jìn)行逐步的計(jì)算。
圖1
3.3、根據(jù)每一段起點(diǎn)力Pq代入公式2中求出每一段平均張拉力Pp。
3.4、根據(jù)Pp代入公式1計(jì)算出每一段的伸長(zhǎng)值ΔL,相加后得出全長(zhǎng)鋼絞線伸長(zhǎng)量。
4 算例:
已知構(gòu)件鋼束布置如圖1所示,曲線段鋼束半徑600cm,預(yù)應(yīng)力筋采用Φ15.24的鋼絞線束,fpk =1860Mpa,錨下控制力為Δk=0.75 fpk =1395Mpa,Ep=1.95×105 Mpa,孔道采用金屬螺旋管。采用分段計(jì)算理論伸長(zhǎng)量。
解:根據(jù)圖1所示共分為:AB、BC、CD、DE、EF、GF共6段進(jìn)行計(jì)算。
曲線段CD的θ:arc tg(19.46/151.58)=0.1277rad
曲線段EF的θ:arc tg(19.46/151.58)=0.1277rad
表2
根據(jù)錨下(張拉)控制力為Δk=0.75 fpk =1395Mpa及錨圈口摩阻損失(一般規(guī)定不大于3%,也可根據(jù)《公路橋梁施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041-2000)附錄G-9測(cè)得,這里計(jì)算取3%)計(jì)算千斤頂張拉力P=1395×140×(1+3%)=201159N(每根);
根據(jù)公式1計(jì)算工作長(zhǎng)度(AB)段的伸長(zhǎng)量:
根據(jù)表2中參數(shù)計(jì)算當(dāng)k=0.0015,μ=0.2各段伸長(zhǎng)量:
表3
當(dāng)k=0.0015,μ=0.2總伸長(zhǎng)量ΔL=4.42+1.4+10.8+0.7+10.5+6.7≈35mm
根據(jù)表2中參數(shù)計(jì)算當(dāng)k=0.0015,μ=0.25各段伸長(zhǎng)量:
表4
當(dāng)k=0.0015,μ=0.25總伸長(zhǎng)量ΔL=4.42+1.4+10.8+0.7+10.5+6.6≈34mm
5 計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)控制伸長(zhǎng)量范圍:
根據(jù)《公路橋梁施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041-2000)12.8.3條規(guī)定“實(shí)際伸長(zhǎng)值與理論伸長(zhǎng)值的差值應(yīng)控制在6%以內(nèi),否則應(yīng)暫停張拉,待查明原因并采取措置予以調(diào)整后,方可繼續(xù)張拉”。
從上述例題中不難看出,其它參數(shù)正確的情況下,當(dāng)μ=0.2時(shí)ΔL=35mm,符合規(guī)范規(guī)定的控制范圍是32.9~37.1mm,當(dāng)μ=0.25時(shí)ΔL=34mm,符合規(guī)范規(guī)定的控制范圍是32~36mm。但在實(shí)際施工時(shí)由于管道成型后表面特征是否光滑、表面是否有銹斑,位置偏差大小,彎道位置及角度是否正確、成型管道內(nèi)是否漏漿等因素影響,規(guī)范中提供的μ是一個(gè)變值,根據(jù)表1中提供,變化范圍為0.2~0.25,所以上述例題計(jì)算出的伸長(zhǎng)量的實(shí)際控制范圍應(yīng)是32~37mm。
6 張拉時(shí)鋼絞線實(shí)際伸長(zhǎng)量的測(cè)量方法
鋼絞線實(shí)際伸長(zhǎng)量的測(cè)量方法有多種多樣,目前使用較多的是直接測(cè)量張拉端千斤頂活塞伸出量的方法,我認(rèn)為這樣的測(cè)量方法存在一定的誤差,這是因?yàn)楣ぞ咤^端夾片張拉前經(jīng)張拉操作人員用鋼管敲緊后,在張拉到10%σk時(shí)因鋼絞線受力,夾片會(huì)向內(nèi)滑動(dòng),張拉到20%σk時(shí),夾片又會(huì)繼續(xù)向內(nèi)滑動(dòng),這樣通過(guò)測(cè)量千斤頂?shù)纳扉L(zhǎng)量而得到的10%~20%σk的伸長(zhǎng)量比鋼絞線的實(shí)際伸長(zhǎng)值長(zhǎng)1~2mm,若以10%~20%σk的伸長(zhǎng)量作為0%~10%σk的伸長(zhǎng)量,哪么在0%~20%σk的張拉控制段內(nèi),鋼絞線的伸長(zhǎng)量就有2~3mm的誤差。從20%σk張拉到100%σk時(shí),鋼絞線的夾片又會(huì)向內(nèi)滑動(dòng)一點(diǎn),按最小值滑動(dòng)量計(jì)算單端鋼絞線的伸長(zhǎng)量就有3~4mm的誤差,兩側(cè)同時(shí)張拉時(shí)共計(jì)有約6~8mm的誤差,但是張拉力是達(dá)到的。因此用測(cè)量千斤活塞的方法一般測(cè)出來(lái)的值都是偏大的。
對(duì)于鋼束實(shí)際伸長(zhǎng)值的測(cè)量,建議采用量測(cè)鋼絞線絕對(duì)伸長(zhǎng)值的方法,而不使用量測(cè)千斤頂活塞伸出量的方法,后者測(cè)得的伸長(zhǎng)值須考慮工具錨處鋼束回縮及夾片滑移等影響,尤其是在鋼絞線較長(zhǎng),必須進(jìn)行分級(jí)張拉時(shí),更為繁瑣,若直接通過(guò)測(cè)量千頂活塞的伸出量,則誤差累計(jì)更大。
推存的測(cè)量方法如圖2所示,使用一個(gè)標(biāo)尺固定在鋼絞線上,不論經(jīng)過(guò)幾個(gè)行程,均以此來(lái)量測(cè)分級(jí)鋼絞線的長(zhǎng)度,累計(jì)的結(jié)果就是初應(yīng)力與終應(yīng)力之間的實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值。
圖2
7 夾片回縮量補(bǔ)充張拉
在實(shí)際張拉控制過(guò)程中,在張拉并持荷完畢后千斤頂放松過(guò)程中對(duì)于夾片式錨具有一個(gè)夾片回縮自錨及錨具變形,使錨下控制應(yīng)力有所損失,根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041-2000)表12.8.3規(guī)定夾片式錨具容許回縮量不大于6mm,但是各個(gè)廠家設(shè)計(jì)是不一樣的,基本在3~6mm之間,所以在錨具使用前應(yīng)詳細(xì)查閱產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū),明確夾片的回縮量,具體市公共過(guò)程中建議在最后一步持荷并測(cè)量完伸長(zhǎng)量在控制范圍內(nèi)后應(yīng)再把每端鋼絞線拉長(zhǎng)3~6mm(補(bǔ)足夾片回縮量),這樣最終的錨固應(yīng)力才是設(shè)計(jì)的錨下控制應(yīng)力。
8 結(jié)束語(yǔ)
理論伸長(zhǎng)值計(jì)算中,如果采取的是兩端張拉,鋼絞線對(duì)稱布置,在進(jìn)行伸長(zhǎng)量計(jì)算時(shí)是計(jì)算一半鋼絞線的伸長(zhǎng)值然后乘以二的方法;如果是一端錨固一端張拉,計(jì)算時(shí)應(yīng)從張拉端計(jì)算至錨固端;而對(duì)于非對(duì)稱結(jié)構(gòu),鋼絞線不對(duì)稱布置,在計(jì)算鋼絞線的伸長(zhǎng)值時(shí),計(jì)算原則是從兩側(cè)向中間分段計(jì)算,至某一點(diǎn)時(shí)鋼絞線的受力基本相等即可,而不是簡(jiǎn)單的分中計(jì)算。
鋼絞線的分段原則是將整根鋼絞線根據(jù)設(shè)計(jì)線形分成曲線連續(xù)段及直線連續(xù)段,而不能將直線段及曲線段分在同一段內(nèi)。
預(yù)應(yīng)力筋的伸長(zhǎng)量計(jì)算方法有多種,常用的平均力法及簡(jiǎn)化計(jì)算法在很多工程施工中也能夠滿足精度要求,本文僅是將現(xiàn)行規(guī)范中精確計(jì)算法及施工中誤差較小的一種測(cè)量方法作了簡(jiǎn)單的介紹,對(duì)于錨下控制應(yīng)力的補(bǔ)張,應(yīng)和設(shè)計(jì)單位和監(jiān)理工程師溝通明確,是否需要補(bǔ)足夾片的回縮應(yīng)力損失。