基于“等效質量”原理的鋼絞線有效張力測試結果分析

（安徽省水利水電勘測設計院 合肥 230088）

預應力鋼筋混凝土錨下破壞是交通、市政、水利行業較為常見的一種質量缺陷，其原因大致可歸結于預制混凝土齡期未到進行張拉、預制構件內局部抗壓鋼筋網片設置不足、金屬錨墊板質量良莠不齊、張拉應力加載不當等原因。遭遇局部錨下破壞即對預制構件作廢件處理必然導致工程投資損失，顯然不夠科學；但不予理會直接當作正常構件架設承載難免會為工程運行帶來安全隱患。基于“等效質量”原理的有效張力測試法，有效解決了該技術問題，在預制構件錨下破壞后，即便已進行波紋管孔道壓漿和端頭封錨的近成品構件，仍可采用該手段對鋼絞線有效張力進行無損檢測，為工程建設各方決策缺陷構件能否正常使用提供依據，可供類似工程借鑒。

1 工程概況

1.1 原工程概況

安徽省淠史杭灌區是全國三座特大型灌區之一，實際灌溉面積位居全國第二，本文所述新建渡槽（下稱新渡槽）即為淠史杭灌區一座跨天然河道輸水建筑物，控制灌溉面積86.6萬畝，原設計流量50.5m3/s，老渡槽建成于1968年9月，至今已運行45年。2013年5月19日，安徽省水利廳主持召開鑒定會，鑒定該渡槽為四類建筑物，擬進行拆除重建。

1.2 新渡槽結構布置

新建渡槽采用原規模移址重建。新渡槽上部荷載主要由梁底縱梁承擔，槽身側墻和底板主要起擋水作用。由11跨渡槽和2跨交通孔組成，標準跨30m，交通孔凈寬5m，渡槽總長342.4m。渡槽下部多縱梁由5根預應力T型混凝土梁組成，縱梁高2.5m，間距2.1m，橫隔梁間距5m，上部槽身凈寬9.0m，高3.6m，槽身底板厚0.25m，側墻底部厚0.4m，頂部厚0.25m，槽頂設置內外懸1.9m寬的人行道，進、出口側現澆人行棧橋連通渡槽兩側人行道，板厚0.3m。多縱梁渡槽槽墩采用墩柱式結構，設3根直徑1.4m的墩柱，柱頂蓋梁尺寸為1.8m×1.2m（寬×高），基礎采用鋼筋混

預制T梁、現澆橫隔梁鋼筋混凝土強度等級采用C50。壓應力區N1、N2采用5根預應力鋼絞線，拉應力區七束采用7根預應力鋼絞線；鋼束采用標準GB/T 5224-2003s15.2mm高強低松弛鋼絞線，其抗拉標準強度fpk=1860MPa，張拉控制應力σcon=0.75fpk=1395MPa。預應力鋼筋：彈性模量Ep=1.95×105MPa，松弛率ρ=0.035，松弛系數ζ=0.3；錨具：錨具變形、鋼筋回縮按6mm（一端）計算，金屬波紋管摩阻系數μ=0.25，偏差系數κ=0.0015。預制梁混凝土立方體強度達到混凝土強度設計等級的90%且齡期不少于14d，方可張拉預應力鋼束。

張拉順序：100%N3→100%N4→50%N8→50%N7→50%N9凝土擴大基礎，基礎尺寸9.8 m×3.2 m（長×高）。進水側槽臺由交通孔連接，出水側槽臺采用重力式U型混凝土結構。新渡槽橫截面見圖1。

1.3 預制構件鋼絞線布置

圖1 新渡槽橫截面圖

→50%N1→50%N2→100%N5→100%N6→100%N1→100%N2→100%N8→100%N7→100%N9。鋼束張拉時采用無頂壓夾片式錨具兩端對稱、均勻張拉，采用張拉力和張拉量雙控。

工程實施第一片T梁預應力張拉過程中，在底部邊束N9張拉至大約90%設計張拉力時，發生了錨下錨墊板爆裂、混凝土邊墻劈裂現象，錨具直接頂在了梁端鋼筋網片上。次日，施工單位自行補張至設計張拉力，并進行壓漿充填。收悉上述情況后，設計人員立即赴現場進行查看，在無其他補救措施的條件下，提出對該梁實際錨下有效張力進行檢測，為后期判斷該梁能否繼續使用提供數據依據。

2 有效張力測試

2.1 原理介紹

對于已經張拉且進行壓漿充填后的預應力鋼絞線，埋入錨索與空懸錨索的邊界條件有很大的不同，埋入式錨索無法對內部錨索激發自由振動，只能通過對錨頭或露出錨索激振。因此，單純依靠頻率的測試方法有非常大的缺陷，嚴重影響了測試范圍和測試精度。

為此，將錨頭、墊板等簡化為如下的模型。即將錨頭與墊板、墊板與后面的混凝土或巖體的接觸面模型化成的彈簧支撐體系。

該彈簧體系的剛性K與張力（有效預應力）有關，當然張力越大，K也越大。另一方面，在錨頭激振誘發的系統基礎自振頻率 可以簡化表示為：

在式（1）中，如果M為一常值，那么根據測試的基頻f即可較容易地測出張力。然而，通過實驗發現，埋入式錨索在錨頭激振時，其誘發的振動體系并非固定不變，而是會隨著錨固力的變化而變化。錨固力越大，參與自由振動的質量也就越大。在此基礎上，提出了基于“等效質量”原理的有效張力測試理論和測試方法。利用激振錘（力錘）敲擊錨頭，并通過粘貼在錨頭上的傳感器拾取錨頭的振動響應，從而能夠快速、簡單地測試錨索（桿）的現有張力。

2.2 有效張力判定標準

《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T F50-2011）中第7.12.2條中規定：張拉錨固后，預應力筋在錨下的有效預應力應符合設計張拉控制應力，兩者的相對偏差應不超過±5%，且同一斷面中的預應力束其有效預應力的不均勻度應不超過 ±2%。

設計張拉的錨下有效預應力值按以下方法進行推算：錨下有效預應力標準值≈設計張拉控制應力值-錨口摩擦損失應力值-預應力筋回縮損失應力值。

（1）錨具的錨口摩擦損失應力值取2.5%（取國家建筑工程質量監督檢驗中心測試OVM.M15-12錨具錨口摩阻損失為1.7%～2.5%的上限）。

（2）預應力筋回縮損失（即限位板預留自由空間張拉后回縮損失）應力值取4.94%（取國家建筑工程質量監督檢驗中心測試OVM.M15-12錨具回縮量為5.1～5.3mm 的上限 5.3mm）。

因此，對于長度30mT型預應力梁，7束鋼絞線計張拉的錨下有效預應力經驗值為1246kN。

2.3 有效張力測試結果

2016年1月4日，四川升拓檢測技術股份有限公司派員赴工程施工現場對該梁進行了錨下應力檢測，測試結果見表1。

3 分析計算

3.1 對比分析計算

后張法應力損失主要包括：張拉端錨具變形和預應力鋼筋內縮引起的預應力損失值sl1，預應力筋與孔道壁摩擦引起的預應力損失sl2，應力松弛引起的預應力損失sl4，收縮和徐變引起的預應力損失sl5，螺旋式預應力筋擠壓混凝土引起的預應力損失sl6。

鑒于理正結構計算軟件無法對單束或單排設計張拉控制力進行調整，故無法通過結構計算復核經檢測的實際應力能否滿足承載要求。但結構計算過程中已經對各排鋼絞線應力損失加以計算，據此推算張拉后各排鋼絞線參與承載的理論應力值，見表2。

通過上述計算可以得出結論，N7、N8、N9位于第三排，實際錨下應力達到上表計算的1149.72kN即可滿足構件承載要求，實測N7、N8、N9三束鋼絞線錨下應力如表2所示分別為1146kN、1218kN和1179kN；均值為1188kN，基本可以滿足承載要求。

但《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T F50-2011）中第7.12.2條中規定：張拉錨固后，預應力筋在錨下的有效預應力應符合設計張拉控制應力，兩者的相對偏差應不超過±5%，且同一斷面中的預應力束其有效預應力的不均勻度應不超過 ±2%。故該梁不能滿足規范要求。

表1 錨下預應力檢測結果一覽表

表2 結構計算階段理論錨下應力計算表

3.2 該梁處理意見

根據有效張力測試和對比分析計算成果，設計單位提出該梁處理的結論和建議如下：

（1）對比結構計算階段應力損失值，接受檢測的T梁底部三束預應力鋼絞線平均實測應力能夠滿足后期承載要求，但不滿足規范對同一斷面鋼絞線有效應力均勻度的要求。

（2）建議將該片T梁納入靜載試驗范疇，將根據其實際承載能力再確定后期使用情況。

4 結語

該工程通過基于“等效質量”原理的有效張力測試方法對錨下破壞的預制T梁預應力鋼絞線有效張力進行了無損檢測，通過對比檢測成果和結構計算階段理論有效張力成果，得出了錨下破壞的鋼絞線有效張力基本能滿足承載要求，為該片梁保留使用提供了數據依據。但值得指出，《公路橋涵施工技術規范》規定的同一斷面中的預應力束有效預應力的不均勻度要求不容忽視，故該工程繼續提出了對該缺陷梁進行靜載試驗驗證其承載能力。

對于同一斷面中的預應力束有效預應力的不均勻度滿足規范要求的工程實例，基于“等效質量”原理的有效張力測試成果即可直觀明了地反應預制構件承載能力，值得類似工程借鑒