先張法預制預應力混凝土方樁張拉工藝改進

辛軍，張乃超，滿偉

（1.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456；2.天津市交通運輸工程質量安全監督總站，天津 300384）

1 研究背景

目前高樁碼頭樁基多采用預制預應力混凝土方樁為基礎，其成本相對較低，且施工效率高，施工速度快。預制預應力混凝土方樁斷面通常為600 mm×600 mm、650 mm×650 mm、700 mm×700 mm，方樁預應力鋼筋為16根，鋼筋直徑在20～28 mm之間，斷面、主筋直徑及主筋保護層因設計不同而不同。預制過程中，采用先張法張拉預應力鋼筋，張拉應力及張拉伸長量雙控[1]，張拉應力控制為主，張拉伸長量輔助校核。

本文以黃驊散貨碼頭所用700 mm預制預應力混凝土方樁為例，主筋為16根HRB400 28 mm螺紋鋼，主筋保護層為70 mm，主筋在四周均布。張拉示意見圖1。

圖1 鋼筋骨架張拉示意圖Fig.1 Diagram of reinforcement framework tension

2 研究目的和意義

方樁主筋采用預應力形式，結構受力性能好[2]，但在鋼筋預應力施加過程中，受鋼筋自重、鋼筋骨架綁扎鉛絲扣約束、張拉施工工藝等的影響，張拉力或多或少會受到折損，且方樁預應力筋較多，張拉過程中，鋼筋之間也會相互影響，形成一個較為復雜的應力影響系統。

本文通過預應力鋼筋連接傳感器，檢測在不同工況下，預應力鋼筋應力值的大小，分析先張法鋼筋張拉過程中應力值的影響因素及影響大小，從主要影響因素入手，改進張拉工藝，提高先張法鋼筋張拉質量水平。

3 工藝原理

3.1 先張法張拉流程

先張法預制混凝土方樁鋼筋張拉工藝[3]見圖2。

圖2 先張法鋼筋張拉流程Fig.2 Tensioning process of pre-tensioned steel bar

3.2 張拉過程

張拉前，根據千斤頂及壓力表率定報告及設計預應力張拉參數，計算設計壓力表讀數值及設計伸長量，根據計算數值控制張拉過程。

張拉臺座兩端分別作為張拉端及放松端，張拉端布置千斤頂進行多預應力鋼筋整體張拉[4]，放松端作為初應力端，布置砂箱，進行單根預應力鋼筋初應力施加操作及預制混凝土方樁預應力放松出槽使用。

放松端砂箱內填充干燥的中粗砂，砂箱端部擋板保證垂直，砂子填充密實飽滿，防止因為受力不均導致鋼筋偏斜，甚至發生傾覆事故。采用中空小型千斤頂從砂箱端牽引鋼筋，施加初應力，16根預應力鋼筋逐根上下、左右對稱反復施加，單根單次伸長量控制在10 cm以內，防止箍筋偏斜，初應力張拉到10%δcon（δcon為設計控制應力值，一般取450 MPa）。

預制方樁臺座張拉端配備2臺320 t以上油壓千斤頂，每臺千斤頂配置1個壓力表，壓力表與千斤頂經率定后配套使用，2臺千斤頂布置于臺座張拉端張拉小車之上，通過油泵控制千斤頂進出油量[5]，保證2個千斤頂行程同步牽引張拉梁，將16根預應力鋼筋整體同步從10%δcon張拉到103%δcon，壓力表達到計算值時，將卡具及螺母緊固，完成張拉作業。

3.3 試驗內容及結果分析

本次試驗將預制預應力混凝土方樁預應力鋼筋張拉分為不同的工況，在不同工況下，分別進行預應力鋼筋張拉，過程中使用應力傳感器檢測實際的張拉應力值[6]，對比不同工況下應力值的變化情況，分析張拉應力值的影響因素及影響大小。

試驗用儀器設備：24 t中空千斤頂及配套壓力表，6個50 t應力傳感器及傳感器連接件見圖3，應力數顯表（精度0.1 kN，相當于0.01 t），2個320 t油壓千斤頂及配套抗震壓力表。

圖3 應力傳感器及傳感器連接件Fig.3 Stress sensor and sensor connector

試驗參數：臺座長度125 m，試驗用鋼筋骨架長度：59 m+62 m（黃驊散貨700 mm方樁），16根HRB400E直徑28 mm主筋，箍筋間距400 mm，設計應力值450 MPa，單根預應力鋼筋設計張拉力276 kN（相當于27.6 t）。

檢測點位：檢測2根主筋，主筋編號見圖4；每根主筋檢測3個點（張拉端、兩鋼筋骨架中間、放松端）。

圖4 主筋編號示意Fig.4 Number indication of main reinforcement

工況1：單獨張拉主筋，不穿入箍筋，主筋用鋼筋托架架立，托架沿臺座長度方向布置，間距5 m，主筋與底胎之間支墊鋼管。

試驗目的：在消除鋼筋骨架自重及沒有綁扣約束的情況下，檢測不同位置預應力鋼筋實際張拉應力值大小。

工況2：主筋用鋼筋托架架立，穿入箍筋，箍筋按照設計位置布置，不綁扎，托架沿臺座長度方向布置，間距5 m，主筋與底胎之間支墊鋼管。

試驗目的：有箍筋重力，沒有綁扣約束的情況下，檢測不同位置預應力鋼筋實際張拉應力值大小。

工況3：鋼筋骨架綁軋后用鋼筋托架架立，鋼筋骨架與底胎之間支墊鋼管，骨架綁扎時，箍筋開口位置采用交叉雙扣綁扎，之后按照張拉程序張拉，并分別檢測應力值。

試驗目的：在消除部分鋼筋骨架自重情況下，檢測綁扣對張拉應力的約束大小。

工況4：鋼筋骨架綁軋后不放置鋼筋托架，鋼筋骨架與底胎之間支墊鋼管，骨架綁扎時，箍筋開口位置采用交叉雙扣綁扎，之后按照張拉程序張拉，并分別檢測應力值。

試驗目的：鋼筋骨架自重及綁扣雙重影響因素對張拉應力的影響程度。

工況5：鋼筋骨架綁軋后用鋼筋托架架立，鋼筋骨架與底胎之間支墊鋼管，骨架綁扎時，箍筋開口位置采用單扣綁扎，之后按照張拉程序張拉，并分別檢測應力值。

試驗目的：對比工況3，減少約束后，是否可提高鋼筋應力值。

工況6：鋼筋骨架綁軋后用鋼筋托架架立，鋼筋骨架與底胎之間支墊鋼管，骨架綁扎時，箍筋開口位置采用單扣綁扎，且隔一跳一，只綁扎50%，之后按照張拉程序張拉，并分別檢測應力值。

試驗目的：對比工況3、工況5，減少約束的情況下，鋼筋應力值的變化情況。

各工況檢測數據見表1。

表1 不同工況預應力鋼筋實際張拉應力值Table 1 Actual tensile stress value of prestressed steel bar under different conditions

結合各工況實際情況及過程中的檢測數據，分析對比得出以下結論：

1） 對比工況3、5、6、1，鋼筋骨架預應力鋼筋與箍筋綁扎扣數量遞減的情況下，預應力鋼筋實際張拉應力值呈遞增趨勢，同一工況下，1號鋼筋較2號鋼筋綁扎扣多，每種工況下1號鋼筋的應力值較2號鋼筋的應力值均有所偏低。分析證明鋼筋骨架的綁扣對預應力鋼筋的應力值影響明顯；

2） 對比工況3、4，鋼筋骨架在消除部分自重影響及不消除自重的情況下，鋼筋應力值有一定偏差，證明鋼筋骨架的自重也會影響最終的預應力鋼筋應力值大小；

3）對比所有工況，同一鋼筋骨架，逐根使用中空千斤頂施加10%δcon及30%δcon時，不同鋼筋之間的應力值有明顯偏差，導致張拉端整體張拉之后，不同鋼筋之間的應力值有相同的偏差趨勢，數據證明，采用逐根預應力鋼筋單獨施加預應力時鋼筋之間相互影響，會造成不同鋼筋之間應力不均勻。

3.4 工藝改進

1）DGS-16通道預應力張拉電液伺服[7]控制系統的應用

DGS-16通道預應力張拉電液伺服控制系統采用16路全數字測量控制系統結合高精度力傳感器，通過16路電液比例伺服閥分別控制相應的伺服液壓缸實現單獨加、卸及保載等過程，見圖5。

圖5 DGS-16通道預應力張拉電液伺服控制系統Fig.5 DGS-16 channel prestressed tension electrohydraulic servo control system

該系統采用先進計算機技術，具有好的人機界面，使用方便可靠，能夠自動精確地測量、控制每根鋼筋實現初應力的張拉加荷、卸荷、保載等初應力張拉全過程，實現16根預應力鋼筋的均勻鎖緊，各種張拉參數由計算機進行測量、顯示、處理并打印，集成度高。多主筋初應力張拉過程中，每根鋼筋同步單獨張拉，根據力傳感器的精準反饋，獨立補償，解決了單根預應力鋼筋張拉時對其余預應力筋應力的影響，實現了多主筋初應力值一致，保證所有張拉鋼筋從同一應力值開始終張拉，最終達到多主筋張拉后應力值均勻一致的目的。

①技術參數

a.采用力傳感器實現對鋼筋張拉力的無慣性測量；

b.張拉力量程：0～300 kN；

c.張拉力測量誤差：≤±1%；

d.張拉控制精度：設計載荷值±1%。

②主要功能

a.自動測量、控制、數據采集、處理、繪制曲線及打印曲線報告。打印主要內容：張拉條件、原始參數、張拉結果；

b.測量系統具有自動調零、自動標定、連續全程測量不分檔；

c.張拉結果：使每根鋼筋同時均勻張拉至450 MPa的10%自動保持張拉力、完成鎖緊螺母的工作，還可實現任意根數的張拉；

d.可自行設置控制參數，實現程序自動運行。

2）制作滾動式可拆卸鋼筋托架，鋼筋骨架入臺座后，每隔5 m支墊1個托架，通過托架的支撐，抵消部分鋼架骨架自重，減少張拉過程中鋼筋骨架自重對預應力鋼筋張拉應力值的影響。滾動式可減少支架與鋼筋的摩擦，減小摩阻力。支架見圖6。

圖6 滾動式可拆卸托架Fig.6 Rolling removable bracket

3）減少綁扎扣對預應力鋼筋張拉的約束

預制方樁鋼筋骨架需綁扎后，吊入臺座再進行預應力張拉施工，為了減小綁扎扣對張拉鋼筋的約束，在保證鋼筋骨架能夠起吊的情況下，盡量減少鋼筋骨架綁扎扣數量，待鋼筋張拉后，再進行補綁扎，降低綁扎對張拉鋼筋應力值的影響。

工藝改進后，采用相同的試驗參數及檢驗部位，進行鋼筋張拉應力檢測試驗，檢測實際鋼筋應力值見表2。

表2 工藝改進后預應力鋼筋實際張拉應力值表Table 2 Actual tensile stress of prestressed steel bar after technological improvement

試驗結果顯示：先張法張拉工藝改進后，不同預應力鋼筋之間及同一根鋼筋的不同部位應力值更加接近設計值，且張拉應力更加均勻。

4 結語

通過一系列鋼筋張拉應力檢測試驗，掌握了原有先張法鋼筋張拉施工的影響因素及影響大小，經過試驗數據的對比分析[8]顯示，初應力時，多預應力鋼筋之間相互影響較大，鋼筋骨架自重及鋼筋骨架綁扎扣的約束均會影響預應力鋼筋的應力值。通過使用DGS-16通道預應力張拉電液伺服控制系統，多預應力鋼筋的張拉應力更加均勻，減少綁扣、鋼筋托架的使用，降低了工藝本身在先張法鋼筋張拉過程中的應力損失。

后續采用改進后的施工工藝，混凝土方樁斷樁率明顯下降，方樁抗錘擊數可提高到4 500錘以上，方樁預應力張拉的整體質量大幅度提升。