预应力混凝土施工技术控制与张拉伸长值计算分析

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摘 要：预应力混凝土施工是一种比较成熟的施工技术，《公路桥涵施工技术规范》虽然对预应力混凝土施工的过程有比较明确的要求，但对如何达到设计和规范的要求却提及很少，对施工过程中容易出现的问题也没有给出解决措施。作为一名高级工程技术管理人员，绝不能局限于对施工规范的理解和掌握，本文根据自身以往的工作经历，参考老一辈工程技术人员的经验，从工程技术管理的角度，对施工规范要求以外却容易忽视的设计图纸复核、张拉设备和原材料管理、混凝土浇筑、预应力筋张拉、伸长值测量等方面的施工技术控制要点进行了总结，同时对张拉伸长值计算进行了系统的分析，并对其中部分项目进行了定量计算和分析对比。

关键词：预应力混凝土；施工技术控制；伸长值；计算分析

1 施工技术控制

1.1 复核设计图纸

施工单位拿到设计图纸后，首先应从以下几个方面对设计图纸中的预应力混凝土部分进行复核。

1.1.1 工程数量

复核工程数量一是为采购部门提供准确的采购数量，二是避免施工过程中再发现设计图纸错误而影响工期。给采购部门提供的工程数量应考虑试验所需的材料和施工过程中必要的损耗，其中，钢绞线应考虑张拉两端的工作长度以及每卷废弃的长度，波纹管应考虑接头搭接长度。

1.1.2 结构尺寸

应对设计图纸中的结构尺寸进行复核，对感觉有疑问的地方需及时与设计人员沟通，确保图纸无误。需要特别注意的是，应根据张拉设备复核张拉端空间是否足够，比如纵向普通钢筋主筋是否影响千斤顶就位，施工中我曾遇到在端头断开的纵向普通钢筋主筋影响千斤顶就位，而断开的主筋直径一般较大，不容易弯曲，且弯曲是容易破坏四周混凝土，给施工带来了很大的困难。

1.1.3 波纹管直径

为确保波纹管直径满足需要，作为一个工程技术人员应该核实设计图纸中给定的波纹管直径是否满足施工要求。波纹管直径过大对结构受力不利，并影响普通钢筋的施工，同时可能导致预应力筋保护层变小；而波纹管直径过小会给预应力筋穿束以及压浆带来很大的困难，一般来说，波纹管断面面积为预应力筋截面面积的2～3倍。

1.2 张拉设备与原材料控制

1.2.1 张拉设备

首先，应选择合适的千斤顶和压力表的型号。张拉控制力应位于1/3至2/3的千斤顶吨位之间，压力表的最大读数也应位于1/3至2/3之间的压力表量程范围内。

其次，张拉设备除应按施工规范要求进行定期维护和检验。下表为实际施工过程中本人绘制的一个张拉控制表，表中有标定公式、张拉控制应力、张拉设备编号和压力表控制度数，为施工操作人员和技术人员提供了便利，如表1-1所示。

表1-1 张拉设备标定系统和应力控制表

标定公式：y=0.0131x+0.7894，张拉控制应力：1450.8MPa，张拉控制力：3437.34KN

钢束编号 千斤顶编号 油泵编号 压力表编号 百分率 张拉力（KN） 压力表读数

F1 2029 1 1536 10% 243.73 4.0

20% 487.47 7.2

50% 1218.67 16.8

100% 2437.34 32.7

1.2.2 原材料

原材料应符合设计和规范的要求，并严格按照规范要求进行试验检测。

1.3 混凝土浇筑前的控制

预应力管道一般采用金属波纹管或塑料波纹管制作，管道的位置要按设计图纸的要求布设准确布设，并采用每隔50cm一道的定位钢筋进行固定，接头要平顺，外用胶布缠牢，在管道的高点设置排气孔。

锚垫板安装前，检查锚垫板的几何尺寸是否符合设计要求，锚垫板要牢固的安装在模板上。垫板与孔道要严格对中，并与孔道端部垂直，不能错位。锚下螺旋筋及加强钢筋要严格按设计图纸设置，喇叭口与波纹管要连接平顺、密封。对锚垫板上的压浆孔要妥善封堵，防止浇筑混凝土时漏浆堵孔。

1.4 混凝土浇筑的控制

预应力混凝土浇筑时除应严格按照施工规范要求进行施工外，还应特别注意预应力设施周边混凝土的振捣。

1.5 施工张拉控制应力的确定

施工张拉控制应力的确定是预应力张拉的关键步骤，在实际施工过程中，没有经验的施工技术人员很容易将设计张拉控制应力直接作为施工张拉控制力来进行预应力张拉，这是错误的。

对此，我特意咨询过多个项目中的设计人员，设计张拉控制应力一般是指锚下张拉控制应力，也就是扣除预应力损失后的张拉控制应力，而施工规范虽然在“后张法预应力筋张拉程序表”中明确了对于低松弛预应力筋无需超张拉，但在此表的注中明确说明了张拉控制应力包含预应力损失，由此来看，施工过程中不能以设计图中的张拉控制力来作为施工张拉控制力，施工规范是要求我们计算出预应力损失，并含到施工张拉控制力中去的。

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范》中列出了六种因素引起的预应力损失，分别是预应力筋与管道壁之间的摩擦，锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩，预应力筋与台座之间的温差、混凝土的弹性压缩，预应力筋的应力松弛，混凝土的收缩和徐变。其中预应力筋与管道壁之间的摩擦引起的预应力损失由设计人员进行考虑，而施工规范对由此引起的张拉伸长值变化有具体的计算方法（公式2-1和2-2）；而由于温差、弹性压缩、应力松弛、收缩和徐变引起的预应力损失定量计算复杂，但作为施工技术人员，应考虑施工规范中规定的锚具变形、预应力筋回缩和接缝压缩容许值引起的预应力损失。

目前，一般的锚具生产厂家对夹片式锚具产生的回缩定义在3～6mm，接缝压缩一般考虑1mm，也就是在施工前应计算出将预应力筋多拉长4～7mm需要增加多大的施工张拉控制力，通过公式2-1和2-2可以反算出多拉长4～7mm需要的张拉控制力，这个张拉控制力即为施工张拉控制力，施工张拉控制力超出锚下设计张拉控制力的部分就是超张拉。

以湖南醴茶高速二标现浇箱梁中跨F1为例，梁长20m（实际张拉长度按21m计算），钢绞线竖弯半径均为15m，转角为6.94°，采用两端张拉，每端均需增加4～7mm的拉伸量，计算结果如下：

表1-2 设计伸长值计算表

钢束 张拉长度

（m） 转角

（°） 张拉应力

（MPa） 平均应力

（MPa） 单端伸长值

（mm）

F1 10.5 6.94 1395 1367 72

表1-3 增加伸长值需要的张拉应力计算表

钢束 张拉长度（m） 转角（°） 单端伸长值（mm） 平均应力（MPa） 张拉应力（MPa） 超张拉（%）

F1 10.5 6.94 76 1442 1471 5.4

79 1499 1529 9.6

从上表可以看出，对一束20m长的预应力筋来说，采取两张张拉的方式进行张拉，每端需增加4（7）mm的伸长值，需超张拉5.4（9.6）%才能满足设计的要求，而施工规范要求超张拉额不得超过设计张拉控制应力的5%，这已严重超出施工规范的要求。考虑到张拉过程中会完成一部分回缩，我觉得首先应选用回缩小的锚具，另外对于短束预应力筋可适当增大超张拉额（4-5%），对于长束预应力筋，由于回缩量对伸长值的影响较小，可适当减少超张拉额（2-3%）。

1.6 预应力筋张拉的控制

预应力筋张拉时除严格按照设计和施工规范要求进行施工外，还应着重注意以下两个方面的控制。

1.6.1 混凝土强度

构件的混凝土性能应符合设计要求，设计未规定时，不低于设计强度等级值的75%，其目的是确保构件强度能够承受足够的张拉压应力，同时减少混凝土的徐变和混凝土弹性压缩带来的预应力损失。需要注意的是必须在现场存留足够的同条件养护混凝土试块，不能以标准养护室的试块强度作为张拉强度的衡量值。

1.6.2 张拉顺序

应严格按照设计和施工规范的要求，采取纵向两端、横向对称张拉，不能因为千斤顶数量或人员不够就采用单端张拉，也不能因为移动张拉设备麻烦而不对称张拉，这种不正确的张拉方法带来的预应力损失和伸长值变化会在下一章节中详细分析。

1.7 实际伸长量的测量

钢绞线实际伸长量的测量方法有多种多样，目前使用较多的是直接测量张拉端千斤顶活塞伸出量的方法，这种测量方法操作比较简便，但存在一定的误差，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，在张拉到初始应力时因钢绞线受力，夹片会向内滑动，张拉到更大的应力时，夹片又会继续向内滑动，这样通过测量千斤顶的伸长量比钢绞线的实际伸长值长，两侧同时张拉时影响更大，因此用测量千斤活塞的方法一般测出来的值都是偏大的。

对于钢束实际伸长值的测量，可采用量测钢绞线绝对伸长值的方法，而不使用量测千斤顶活塞伸出量的方法，后者测得的伸长值须考虑工具锚处钢束回缩及夹片滑移等影响，尤其是在钢绞线较长，必须进行分级张拉时，更为繁琐，若直接通过测量千顶活塞的伸出量，则误差累计更大。具体做法是：张拉到初始应力时，用一个标尺固定在钢绞线上，不论经过几个行程，均以此来量测分级钢绞线的长度，累计的结果就是初应力与终应力之间的实测伸长值。

2 张拉伸长值的计算与分析

2.1 伸长值的计算方法

根据施工规范，预应力筋的理论伸长值ΔL可按公式2-1计算：

（公式2-1）

这个公式可以这么理解，Pp/Ap其实就是应力，应力除以Ep（弹性模量）就是应变，应变乘以L（长度）就是位移（伸长量）了。

同时，施工规范附录G-8中规定了Pp的计算公式：

（公式2-2）

从公式2-1可以看出，钢绞线的弹性模量Ep是决定计算值的重要因素，它的取值是否正确，对计算预应力筋伸长值的影响较大。所以钢绞线在使用前必须进行检测试验，弹性模量则常出现Ep’=（1.96～2.04）×105Mpa的结果，这是由于实际的钢绞线的截面积并不是绝对的140mm2，而进行试验时并未用真实的钢绞线截面积进行计算，根据公式2-1可知，若Ap有偏差，则得到了一个Ep’值，虽然Ep’并非真实值，但将其与钢绞线理论面积相乘所计算出的ΔL却是符合实际的，所以要按实测值Ep’进行计算。

公式2-2中的k和μ是后张法钢绞线伸长量计算中的两个重要的参数，其大小取决于多方面的因素：管道的成型方式、预应力筋的类型、表面特征是光滑的还是有波纹的、表面是否有锈斑、波纹管的布设是否正确、弯道位置及角度是否正确、成型管道内是否漏浆等等，各个因素在施工中的变动很大，还有很多是不可能预先确定的，因此，摩擦系数的大小很大程度上取决于施工的精确程度。在工程实施中，设计有规定时按规定执行，设计无规定时，对于直线型桥梁结构且预应力筋布置较简单时可按施工规范中的参考区间选取，而对于弯曲桥梁结果或预应力筋布置复杂时，应按施工规范附录G-9的要求对孔道磨擦系数进行测定，以确保摩擦系数的大小基本一致。

2.2 分段计算与整体计算的区别

计算预应力筋张拉伸长值时，有人发表文章说应分段计算伸长值，对此我持有不同意见。以上述20m中跨现浇箱梁为例，预应力筋立面图和F1钢束分段示意图如下：

图2-1 预应力筋布置立面图

图2-2 F1钢束分段示意图

查阅设计规范，后张法构件张拉时，预应力筋与管道壁之间的摩擦会引起预应力损失，计算公式如下：

（公式2-3）

以F1钢束为例，采取两端张拉的方式，分段计算伸长值结果如下：

表2-1 F1钢束整体计算伸长值表

L（m） θ（°） 起点应力（Mpa） 平均张拉应力（Mpa） L（mm）

10.040 13.88 1395.00 1351.62 67.9

两端伸长值合计 135.7

表2-2 F1钢束分段计算伸长值表

分段 L（m） θ（°） 起点应力（Mpa） 终点应力（Mpa） 平均应力（Mpa） L（mm）

L1 1.091 0.00 1395.00 1392.72 1393.86 7.6

L2 1.816 6.94 1392.72 1355.69 1374.12 12.5

L3 4.226 0.00 1355.69 1347.12 1351.40 28.6

L4 1.816 6.94 1347.12 1311.30 1329.13 12.1

L5 1.091 0.00 1311.30 1309.16 1310.23 7.1

两端伸长值合计 135.7

从表2-1和表2-2可以看出，采取分段或整体计算伸长值并无明显差别。究其原因，是因为施工规范规定直线筋可以采用公式2-1进行计算，但对于既有曲线也有直线的预应力筋，受力后的预应力筋必然紧贴管道，直线段管道对预应力筋也会造成预应力损失，应计算此部分预应力损失对伸长值带来的影响，而在整体计算伸长值时，是考虑所有预应力管道长度和弯曲部分造成的预应力损失带来的伸长值影响，所以计算结果基本是一致的。

2.3 张拉端预应力筋工作长度对伸长值的影响

设计图纸中给出的伸长量一般指预应力筋有效长度范围内的伸长量，而在实际施工过程中，在构件锚固点以外还有千斤顶和工作锚，此部分预应力筋在张拉过程中同样受力，也会产生伸长值，所以在计算伸长值时，需考虑此部分预应力筋工作长度对伸长值造成的影响。

根据经监理工程师批准的施工方案和张拉设备，确定工作长度，并重新确定用来控制张拉的伸长值。对此，我在施工过程中做过定量的分析。

1m长钢绞线在直线状态下的伸长量为：

ΔL1=1395×1/2×100000=7.0mm

20m长的预应力筋直线状态下的伸长量为：

ΔL20=1395×20/2×100000=139.5mm

影响比例：

（7.0/139.5）×100%=5%

由此可见，一段1m长的工作长度对一个20m长的预应力筋伸长量来说，将造成5%的影响，而我们在施工过程中，施工规范允许的伸长值偏差才6%，所以说，对于不是很长的预应力筋张拉来说，预应力筋张拉工作长度对伸长量来说是很重要的。

2.4 采取不同的张拉方式对伸长值的影响

2.4.1 两端张拉与一端张拉的应力应变比较

单端张拉需要将钢绞线长度和转角总和从张拉端一直计算至锚固端，而两端张拉只需将钢绞线长度和转角总和从张拉端计算至跨中，以上述现浇箱梁中跨为例，采取同两种不同的方法计算平均张拉应力与理论伸长值结果如下。

表2-3 两端张拉伸长值计算表

钢束编号 L（m） θ 张拉应力（MPa） 平均应力（MPa） L（mm）

1 10.54 6.94 1395.00 1367.44 144.1

2 10.51 3.64 1395.00 1375.33 144.6

3 10.50 0.00 1395.00 1384.07 145.3

表2-4 单端张拉伸长值计算表

钢束编号 L（m） θ 张拉应力（MPa） 平均应力（MPa） Lmm

1 20.58 13.88 1395.00 1341.11 138.0

2 20.52 7.28 1395.00 1356.53 139.2

3 20.50 0.00 1395.00 1373.77 140.8

由表2-3和2-4可以看出，F1钢束单端张拉时计算出来的钢绞线平均应力为1341.11MPa，两端张拉时计算出来的钢绞线平均应力为1367.44MPa，单端张拉比两端张拉的钢筋线平均应力时小2%，说明损失了2%的预应力效果，如果在设计时没有足够的安全系数，此部分预应力损失容易造成钢筋混凝土梁在受拉区开裂。

2.4.2 非对称张拉与对称张拉的比较

对于箱梁，有时受条件所限，在两端张拉且在腹板上对称张拉，需要4套张拉设备和人员，而对于多箱室的箱梁，则需要更多。在湖南省醴茶高速第二合同段跨省道313的分离式立交的施工过程中，只有两套张拉设备和人员，首先应保证两端张拉，在无法做到同时对称张拉的情况下，我绘制了下列张拉顺序图，遵循了先下后上、先中间后两边的原则，尽可能的在断面上保证了对称张拉，使梁体受力更均匀。

图2-3 钢束张拉顺序图

2.5 伸长值不正常情况分析

施工规范中注明张拉钢绞线时，应先调整至初应力，而初应力宜为张拉控制应力的10%～15%，在计算式伸长值时，推算初应力的伸长值。

在实际施工过程中，经常遇到从开始张拉至初应力伸长值特别不正常的情况，分析原因如下。

2.5.1 初始伸长值偏大

一般是由于锚具、夹具，千斤顶等安装不到位，空隙过大，加载初应力后，压缩了此部分空隙，导致初始伸长值偏大，对此情况，一般不需采取额外的措施，只需在下次安装千斤顶、锚具、夹具时安装到位就行，一般不会对预应力张拉产生不好的影响。

2.5.2 初始伸长值偏小

施工过程中，出现初始伸长值偏小的原因一般有两种，一是钢绞线在管道中有交叉，影响了钢绞线的自由伸缩，而加载的初应力还不足以使交叉在一起的钢绞线分开，导致初始伸长值偏小，而在初应力后的张拉过程中会将交叉在一起的钢绞线分开，从而导致初始伸长值后的伸长值偏大；二是管道中有少量漏浆，对钢绞线产生一定的约束，导致的结果与前一种类似，需要一个比初应力大的张拉力将钢绞线和约束分离，张拉过程中有时会听见嘣的声音。以上原因导致从预先设置的初始张拉控制力到更高的张拉控制力之间，还存在预应力钢束未按正常情况伸长的情况，这时我们需要排除此种干扰，找出准确的伸长规律，才能正确判断张拉的准确性。

解决办法：多分几个阶段进行张拉读数，计算出各阶段的伸长值，分析伸长值数据，剔除不正常阶段的伸长值数据，根据正常阶段的伸长值推算剔除阶段的伸长值，并计算总伸长值。

参考文献

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