后张法预应力张拉施工与计算中几个问题分析
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【摘 要】 预应力技术在现代桥梁工程中已普遍采用，施工工艺比较成熟，但是由于施工过程比较复杂，在张拉施工过程中，经常会遇到各种问题，给施工带来困扰。本文对后张法预应力施工和计算中，在张拉应力、预应力筋伸长值、施工等三个方面常见的几个问题，进行了分析，并结合施工经验，提出了预防措施和解决办法。
【关键词】 后张法 张拉力 伸长值 滑丝
在现代桥梁工程中，预应力技术已被普遍采用，司空见惯的就是预应力混凝土结构。预应力混凝土结构的张拉方式分为先张法和后张法两种。在张拉施工过程中，经常遇到各种问题，给施工带来困扰。下面以施工中普遍使用的OVM型锚固体系、YCW型系列穿心式千斤顶为例，对后张法预应力张拉施工与计算中常见的几个问题进行分析，提出预防措施和解决办法。
根据《公路桥涵施工技术规范》的要求，预应力筋采用应力控制方法张拉时，应以伸长值进行校核，这就是预应力张拉施工中常说的“双控”。因此，无论是设计要求还是施工措施，在预应力张拉方面都是围绕张拉应力与预应力筋的伸长值来进行控制的。预应力张拉施工中常见问题也就可以分为以下三类：（1）张拉应力方面的问题（2）预应力筋伸长值方面的问题（3）其他施工方面的问题。
1 张拉应力方面的问题
1.1 对设计张拉控制应力的认识
一般设计文件都规定，张拉控制应力δcon=0.75fpk，在施工过程中，经常把该值误认为就是千斤顶油泵上油压表的读数。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中明确规定，预应力筋的张拉控制应力值对于后张法构件为梁体内锚下应力。《公路桥涵施工技术规范》中更是明确说明，张拉时的控制应力δcon包括预应力损失值。因此，在预应力张拉施工过程中，实际张拉控制应力（千斤顶油泵上油压表显示的值）应在设计规定的张拉控制应力基础上再加上锚圈口摩阻损失。锚圈口摩阻损失可由试验得出，或按经验取设计张拉控制应力的2%～3%，但最大张拉控制应力不应超过0.8fpk。
1.2 预应力管道摩阻损失修正
根据预应力筋张拉端的张拉力计算公式可知，预应力管道摩阻损失与曲线孔道部分切线的夹角θ、预应力筋与孔道壁的摩擦系数μ以及孔道局部偏差对摩擦的影响系数k有关，因此，在安装预应力管道时，应严格控制管道坐标，确保曲线管道圆顺，减少预应力管道摩阻损失。预应力张拉施工前，应对摩阻损失进行测试，确定管道实际的k值与μ值。预应力张拉施工时，可利用测试得出的k值与μ值对设计张拉控制应力进行修正。但最大张拉控制应力不应超过0.8fpk。
1.3 持荷时间的意义
《公路桥涵施工技术规范》对预应力筋的张拉程序作出了明确规定，使用夹片式等具有自锚性能的锚具在钢绞线、钢丝束预应力张拉锚固时，应持荷5min。在张拉施工时可以发现，锚固前油泵停止加压后油压表读数都会有一定程度的下降，说明停止加压这一瞬时或短时内预应力筋所受拉力尚未均匀传递，张拉力只是在张拉端局部预应力筋上得到了保证。因此，在预应力张拉锚固前，应对张拉力及时进行补压，确实保证“持荷”5min。
1.4 超张拉控制
预应力张拉施工中，有一种错误的观念，认为张拉力超出设计规定值对构件的受力总是有利的，故而在施工中随意进行超张拉。殊不知，张拉如超过设计规定的最大张拉控制应力，则预应力筋的安全储备为0，对结构是非常不利的。
即使为减少预应力松弛损失而对预应力筋进行短时超张拉时，超张拉值也不得超过0.8fpk。
2 理论伸长值计算方面的问题
预应力筋的理论伸长值的计算公式为：
（2-1）
式中：PP──预应力筋的平均张拉力（N），直线筋取张拉端的拉力，两端张拉的曲线筋，计算方法见公式（2-2）；L──预应力筋的长度（mm）；AP──预应力筋的截面面积（mm2）；EP──预应力筋的弹性模量（N/mm2）。
其中 （2-2）
式中：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）；θ──从张拉端至计算截面曲线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；μ──预应力筋与孔道壁的摩擦系数。
2.1 对设计提供的伸长值进行复核
在设计文件中，一般都提供了预应力筋的理论伸长值，但这仅供参考，施工时应根据使用材料、张拉设备等情况重新进行计算。施工时，有人认为计算得出的伸长值与设计提供的伸长值相差不了多少，没有必要重新计算，但这对于计算伸长值偏差是不够精确的，尤其对于短束伸长值偏差的计算误差较大。
2.2 曲线筋分段计算
在计算预应力筋的理论伸长值时，对由直线段与曲线段或由多曲线段组成的预应力筋，应分段计算，然后叠加。分段计算过程可参照下表所示的步骤进行。
表中，平均张拉力PP有以下两种计算方法，其计算结果相差不大，均可采用：
（1）简化计算： （2）精确计算：
2.3 计算参数采用材料的实测值
在计算理论伸长值时应该注意，预应力筋的弹性模量EP和截面面积AP应采用材料检测实测值，特别是弹性模量EP的实测值与理论值的偏差往往较大，对伸长值的计算结果影响也较大，如Φj15.2预应力钢绞线弹性模量理论值为1.95×105MPa，而实际检测值经常为2.02×105MPa。
2.4 预应力筋长度包含工作长度
在计算过程中还应该特别注意，预应力筋的长度L应包含工作长度，因为实测伸长值量测时也包含了工作长度段的伸长量，计算预应力筋伸长值偏差（）时方有可比性。
工作长度应根据施工实际情况进行量测，一般可采用张拉端混凝土面至工具锚中心的长度，如图3-1所示。工作长度段的伸长值应单独计算。
3 实测伸长值的量测与计算方面的问题
《公路桥涵施工技术规范》中规定，预应力筋张拉的实际伸长值（mm），可按式（3-1）计算：
（3-1）
式中：l──从初应力至最大张拉应力间的实测伸长值（mm）；
2——初应力以下的推算伸长值（mm），可采用相邻级的伸长值。
在后张法施工中，千斤顶的张拉力是依靠工具锚夹片锁紧钢绞线而作用于预应力筋上的，从理论上来说，钢绞线的伸长值就是张拉端工具锚夹片与锚固端锚固处（两端张拉时即为两端工具锚夹片）之间钢绞线长度在张拉前与张拉后的变化。因梁体弹性压缩量可以忽略不计，因此在实际量测钢绞线伸长值时，可以将梁端作为工具锚夹片相对位移量的参照物，但是由于工作段的钢绞线被千斤顶、锚具等包裹，钢绞线伸长值不易直接准确量测，必须寻找其他间接方法进行量测和计算。
在施工中，实测伸长值的量测和计算方法常见的有两种：（1）直接量取张拉过程中千斤顶活塞的行程作为预应力筋的实测伸长值，（2）量取张拉过程中千斤顶活塞的行程后扣减锚固回缩量。其实这两种量测和计算方法都是不正确的，第（1）种方法是没有将张拉过程中工具锚夹片的回缩量考虑在内，第（2）种情况是不应将锚固时工作锚夹片的回缩量扣除。实测伸长值的量测和计算可以采取千斤顶活塞的行程扣除工具锚夹片回缩量的方法。
3.1 工具锚夹片引起的回缩量
预应力张拉过程中，在量测千斤顶活塞行程的同时，应量测工具锚夹片回缩量，其量测方法如下：①张拉至初应力时，精确量取工具锚锚杯外露端面至钢绞线外露段端部（也可以在钢绞线上打上固定标记的位置）的距离；②张拉至设计张拉应力时，再次量取工具锚锚杯外露端面至钢绞线外露段端部（或固定标记的位置）的距离；③工具锚夹片回缩量。
3.2 工作锚夹片回缩引起的回缩量
钢绞线的回缩量主要体现在工作锚自锚过程中的回缩，这部分回缩值会引起预应力损失，在《公路桥涵施工技术规范》中对预应力筋的内缩量明确提出了控制要求，所以，在预应力张拉施工过程中，必须对回缩量进行量测、检查和控制。但是，回缩量是否参与实测伸长值的计算呢？其实不应参与，道理很简单，因为在计算理论伸长值时采用的是张拉时的应力（非锚固时的应力），所以实测伸长值也应在达到设计张拉力时量测（非锚固后产生回缩应力损失时量测）。
工作锚锚固钢绞线的瞬间过程是这样的：在千斤顶与工作锚之间设有一块限位板，钢绞线在张拉时工作锚夹片随钢绞线的拉伸向后位移至限位板凹槽底部，对钢绞线失去约束，在千斤顶回油放松钢绞线的瞬间，钢绞线弹性收缩，工作锚夹片跟随钢绞线向锚环孔内位移，随即将钢绞线锚固（如图3-2）。由此可以看出，钢绞线回缩量就是千斤顶回油过程中工作锚夹片在限位板凹槽内的位移量，量测方法如下：张拉前量测限位板凹槽深度，张拉完毕卸下千斤顶后量测工作锚夹片在锚杯处的外露长度，二者之差即为钢绞线回缩量。
（3-2）
在实际施工中，对回缩量的量测常采用的方法是，在张拉至设计张拉力时，量测钢绞线外露尾端（或钢绞线标记位置）至千斤顶缸体尾端的距离，千斤顶回油锚固后再次进行量测，两次量测数据的差值即为钢绞线回缩值。其实这种量测方法是不正确的，因为千斤顶回油锚固过程中除了钢绞线锚固回缩外，还包括了夹片滑丝的位移量，可以统称为内缩量。
（3-3）
4 张拉施工方面的问题
4.1 滑丝
在《公路桥涵施工技术规范》中，对预应力筋滑丝的控制仅提出了数量的要求，对预应力筋的滑移量及量测方法没有具体指标和要求，因此，预应力张拉施工中对滑丝很多时候都没有充分重视，甚至没有进行量测与检查。
滑丝主要是因为工作锚夹片在自锚过程中没有对钢绞线瞬时锚固，钢绞线在弹性回缩时出现了滑移。滑移量的量测可以先量测钢绞线的内缩量，再量测钢绞线的回缩值，二者之差即为钢绞线的滑丝量，如（4-1）式。
（4-1）
目前，《公路桥涵施工技术规范》对预应力张拉施工中的滑丝量控制标准没有统一明确，但是施工中有些设计文件中已经提出了控制指标，比如江苏某航道桥梁项目设计说明中明确了千斤顶滑丝的质量标准和检查方法，“查看（δ2、δ3分别为张拉至设计张拉力和千斤顶回油后量测的预应力筋伸长值）是否大于8mm，如大于8mm则表明出现滑丝”，“检查钢绞线尾端标记是否仍为一个平面，如平面出现了变化，说明有个别钢绞线出现了滑丝现象，必须采取措施及时处理”。当然，该设计文件中所讲的“滑丝”实际上是指钢绞线的内缩量，包含了工作锚夹片的回缩量和钢绞线的滑丝量，其质量标准和检查方法值得推荐使用。
4.2 工具锚夹片脱落