反拉法錨下有效預應力檢測方法研究

夏靜，袁建偉

（長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004）

反拉法錨下有效預應力檢測方法研究

夏靜，袁建偉

（長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004）

以反拉法作為預應力檢測方法，闡明了反拉法檢測鋼絞線錨下預應力的工作機理，通過單根鋼絞線的張拉荷載與鋼絞線伸長量的力-位移曲線的拐點獲得錨下預應力值，并運用錨下預應力檢測系統實現對張拉過程中數據的采集，繪制力-位移曲線，分析了現場實測曲線與理想曲線差異的產生原因；提出利用最小二乘法將實測曲線中第二、第四階段曲線進行線性回歸，取這兩階段直線的交點作為拐點的分析方法，現場試驗結果表明，運用該方法分析出拐點來判斷鋼絞線的錨下預應力，檢測誤差在4%以內，滿足工程檢測誤差要求，可運用于實際工程中。

橋梁；預應力；錨下預應力檢測；反拉法；最小二乘法

預應力鋼絞線張拉質量是橋梁安全運營的重要保障，如錨下預應力過大，將導致梁體過大變形；如錨下預應力過小，易導致梁體下撓、垮塌，危及工程安全。大量在役橋梁調查和檢測結果表明，相當部分的橋梁質量隱患來源于預應力張拉施工的質量控制不力。因此，對預應力構件進行錨下預應力檢測非常必要。

鑒于反拉法原理簡單可靠，且相對于別的檢測方法容易實施，目前工程中大多采用反拉法實現錨下有效預應力檢測。該文以反拉法作為檢測方法，以單根鋼絞線的實測力-位移曲線的第二、第四階段曲線的交點作為拐點進行錨下預應力檢測。

1 錨下預應力檢測原理

1.1 反拉法檢測原理及理想曲線分析

反拉法又稱拉脫法，主要是通過對未進行管道灌漿的預應力鋼絞線進行二次張拉來確定鋼絞線的錨下有效預應力值。檢測過程中，鋼絞線可視為彈性體。在受力拉伸過程中，可通過分析施加的反拉荷載與鋼絞線拉伸量的關系（即力-位移曲線）判斷錨下有效預應力值。

鋼絞線張拉后，夾片夾持鋼絞線，取夾片與鋼絞線的一段進行受力分析（如圖1所示）。

圖1 鋼絞線在夾片處的受力示意圖

如圖1所示，夾片夾持鋼絞線，錨具固定夾片，夾片承受錨具傳遞的水平方向的力F2，夾片與鋼絞線的受力平衡關系式為：

式中：F0為鋼絞線的錨下有效預應力；F1為千斤頂施加的反向張拉力；F2為錨具對夾片的水平反力。

如圖2所示，理想狀態下，反拉法檢測錨下有效預應力的曲線分為2個階段。

圖2 理想的力-位移曲線

第一階段：施加反拉力時，鋼絞線外露段受力拉伸，鋼絞線視為彈性體，其材料應力應變特性滿足：

式中：ΔL 為外露段L 對應的伸長量；L 為外露段鋼絞線工具錨與千斤頂工作錨之間的長度；E為鋼絞線的彈性模量；A為鋼絞線的截面面積。

式（2）、式（3）中，E、A、L恒定不變，故F1／ΔL可視為恒定值，其值為力-位移曲線中OA段的斜率，在反拉力F1持續增加時，F2不斷減小。

第二階段：當反向拉力F1持續增加至與鋼絞線的錨下預應力F0相等時，夾片被拉脫，內外鋼絞線同時受力。此時，由式（3）可知F1／ΔL的值變小，但還是恒定值，故力-位移曲線的斜率發生突變，如圖

2中AB段。此時，拐點A所對應的反拉荷載即為鋼絞線的錨下有效預應力值。

1.2 實測曲線分析

在實際情況下，由于張拉過程中錨具會發生變形，使夾片楔卡在錨具中，錨具與夾片往往存在作用力Ff。此時，取夾片處的鋼絞線進行力的平衡分析（如圖3所示）。

圖3 實際情況下鋼絞線在夾片處的受力示意圖

對外露段鋼絞線施加反拉力，當反拉力F1與鋼絞線的錨下預應力F0相等時，夾片并不會被拉脫，還需繼續施加反拉力。如圖3所示，當反拉力F1= F0+Ff時夾片才會被拉脫，力-位移曲線大致分為4個階段（如圖4所示）。

圖4 實際情況下力-位移曲線

第一階段：各儀器設備間存在空隙，空隙被壓實緊密的過程中反拉力較小，但伸長量有較大變化，此時曲線圖中表現的伸長量并非鋼絞線的實際伸長量，其中包含被壓緊的設備間的空隙。該過程中曲線斜率較小，且逐漸變大，即圖4中OA段。

第二階段：隨著反拉的進行，設備間的空隙被壓實，外露段鋼絞線受力并發生彈性伸長，力-位移曲線的斜率為F1／ΔL=EA／L，其值不變。因此，圖4中AB段表現為穩定不變。

第三階段：隨著反拉力持續增加，當F1=F0+ Ff時夾片與錨具脫空，夾片與錨具間的作用力Ff瞬間消失，鋼絞線內力重新調整，即圖4中BC段。

第四階段：鋼絞線內力重新調整完成后，鋼絞線外露段與自由段共同受力。此時，力-位移曲線的斜率F1／ΔL=EA／L1（L1為鋼絞線外露段與自由段的總長度），曲線的斜率發生突變，即圖4中CD段。

1.3 理想曲線與實際曲線對比分析

實際情況與理想狀態下的力-位移曲線存在一定差異，主要是因為實際情況下考慮了錨具法向變形后錨具與夾片之間的作用力。在施加反拉力的過程中，反拉力必須克服錨具與夾片間的作用力才能將夾片拉脫。因此，實際情況下力-位移曲線會出現圖4所示BC段曲線。而在理想狀態下，從力-位移曲線可知錨下有效預應力的值為曲線中的拐點，即兩階段直線的交點。

2 錨下預應力檢測系統現場試驗與分析

根據理想與實際情況下力-位移曲線產生差異的原因，擬按理想狀態下的取值方法來分析實際情況下的力-位移曲線，即取實測力-位移曲線中第二、第四階段直線的交點作為實際情況下鋼絞線錨下有效預應力值。下面通過對從莞（從化—東莞）高速公路某預制梁場預制梁的現場試驗檢驗該方法的準確性。考慮到實際檢測過程中數據采集會受到現場環境、儀器設備等因素的影響，實測力-位移曲線中第二、第四階段曲線上所有的點往往不在一條直線上，利用最小二乘法將這兩階段曲線進行線性回歸，取兩直線的交點作為鋼絞線錨下有效預應力值。

2.1 試驗模型

試驗對象為預制小箱梁，小箱梁采用C50砼一次澆筑，長25 m，已經過28 d標準養護。預應力鋼絞線未進行張拉，預應力孔道未壓漿。預應力鋼絞線的標準抗拉強度為1 860 MPa，直徑為15.2 mm，公稱面積為140 mm2，彈性模量為1.95×105MPa，共7股。小箱梁如圖5所示。

圖5 試驗小箱梁示意圖

2.2 試驗過程

在進行反拉測試前，如圖6所示，先將被檢鋼絞線的一端錨固，將穿心式壓力傳感器置于工作錨與工具錨之間，在鋼絞線的另外一端進行反向張拉，將鋼絞線張拉到一定值，待壓力傳感器的讀數穩定后，記錄此時穿心式壓力傳感器的讀數，之后千斤頂對鋼絞線進行二次張拉。反拉過程結束后，利用最小二乘法線性回歸實測力-位移曲線的第二、第四階

段曲線，以兩線交點作為拐點判斷鋼絞線的錨下預應力，并將該分析結果與壓力傳感器的讀數進行對比，分析上述錨下有效預應力檢測方法的準確性。

圖6 試驗裝置安裝簡圖

2.3 試驗結果及分析

在進行反拉檢測試驗過程中，千斤頂支撐在工具錨上，反力由梁體提供，由于砼彈性模量較大，試驗過程中不考慮砼回彈引起的誤差。反拉檢測過程中系統所測伸長量即為外露段鋼絞線的伸長量。

進行數據采集前，對外露段鋼絞線進行預拉，將設備間的空隙壓緊，這樣試驗采集的位移量就是外露段鋼絞線的實際伸長量。對單根鋼絞線進行試驗的實測力-位移曲線如圖7所示。

圖7 試驗實測曲線

圖7 中除第一階段表現不明顯外，其他階段與圖4中的情況基本一致。另外，在進行現場試驗時，夾片被拉脫后，由于有管道摩阻，自由段共同受力的有效鋼絞線長度并不是自由段鋼絞線的全部長度，而是在逐漸克服管道摩阻過程中自由段受力的有效鋼絞線長度慢慢轉換成內外全部鋼絞線共同受力。因此，在圖7中夾片被拉脫后的曲線斜率逐漸減小，當內外全部鋼絞線共同受力時，曲線斜率才穩定不變。在運用最小二乘法對圖7中第四階段曲線進行線性回歸時，要從B點之后所采集到的點進行線性回歸，這樣才能保證現場試驗結果的準確性。

限于篇幅，僅列出5組數據（驗證試驗時，預應力管道為每孔5束）進行比較，結果如表1所示。從中可見，兩者之間的誤差在4%以內，滿足工程檢測誤差要求，說明上述檢測方法可行。

3 結論

（1）對于張拉完畢并未進行預應力孔道灌漿的預應力鋼絞線，可采用反拉檢測法測得鋼絞線的力-位移曲線來判斷鋼絞線的有效預應力值。

表1 現場驗證試驗結果

（2）在現場進行驗證試驗時，由于有管道摩阻，實測力-位移曲線中第四階段的曲線斜率會先逐漸變小，然后趨于穩定，在運用最小二乘法對該階段曲線進行線性回歸時，應從穩定后的曲線開始分析，這樣才能保證驗證結果的準確性。

（3）通過最小二乘法線性回歸實測力-位移曲線的第二、第四階段曲線，取兩線交點作為鋼絞線錨下有效預應力值的方法的檢測結果與實測結果之間的誤差在4%以內，滿足工程檢測誤差要求，可運用于實際工程。

［1］ 高建軍.基于有效預應力檢測的預應力混凝土橋梁評價方法［D］.西安：長安大學，2007.

［2］ 孫愛芳.基于有效預應力檢測的橋梁安全性評價方法［D］.西安：長安大學，2010.

［3］ 喻國強.預應力混凝土橋有效預應力測試技術應用［D］.西安：長安大學，2010.

［4］ 王繼成，向富中.橋梁預應力及索力張拉技術［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［5］ 李周沛，歐陽娜.錨下預應力智能反拉系統檢測研究［J］.公路與汽運，2015（5）.

［6］ 付丹.預應力錨索工作應力的檢測方法研究［D］.北京：清華大學，2010.

［7］ 陸學村，廖建春.橋梁有效預應力檢測及施工工藝控制分析［J］.山西建筑，2012，38（35）.

［8］ 付丹，郭紅仙，程曉輝，等.預應力錨索工作應力的檢測方法：拉脫法的檢測機制和試驗研究［J］.巖土力學，2012，33（8）.

［9］ 成劍波，姚晨，張峰，等.反拉法檢測預應力鋼絞線工作應力的模型試驗研究［J］.公路與汽運，2015（3）.

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