后張法單、雙端張拉預應力的比較與探討

高 青 松, 李 有 發, 楊 瑞 英

(中國水利水電第十工程局有限公司 ，四川 成都 610072)

1 概 述

眾所周知：造成鋼絞線預應力損失的主要原因有以下幾方面：(1)預應力回縮引起的預應力損失；(2)預應力鋼筋與孔道壁之間摩擦引起的預應力損失；(3)鋼筋應力松弛引起的預應力損失；(4)混凝土的收縮徐變引起的預應力損失；(5)張拉工藝引起的預應力損失等。采用單、雙端張拉的方式在上述原因中只有第二項區別較大。筆者以渝廣高速繞城互通A匝道橋加寬橋為例研究了該項原因所引起的預應力損失，分析了單、雙端張拉對預應力的影響[1]。

渝廣高速繞城互通A匝道橋加寬橋為一期工程A匝道橋外側加寬橋(一期工程A匝道橋按等寬橋設計)，采用(3×25)m+(4×25)m預應力混凝土連續箱梁，橋寬從4 m變化至10.12 m。梁體采用單箱單室截面。A匝道加寬橋起于既有繞城互通，跨越已規劃的四縱線后接入B匝道橋。由于A匝道加寬橋6號墩、7號墩與繞城互通既有A匝道墩柱分別形成37.2°、8.5°的交角，A匝道7號墩蓋梁的一端靠近既有匝道蓋梁的距離不足1 m，現場不具備雙端張拉的操作條件(圖1)。

圖1 繞出互通A匝道加寬橋平面布置圖

該橋6、7號墩的蓋梁預應力筋采用高強度、低松弛φs15.2鋼絞線，fpk=1 860 MPa，采用M15-9錨具，N1、N2各4束，長度分別為1 278.5 cm(N1)和1 269.5 cm(N2)。

2 鋼絞線有效長度的計算

設計鋼絞線大樣圖見圖2，筆者以N2為研究對象，鋼絞線的分段原則是將整根鋼絞線根據設計線形分成曲線連續段及直線連續段，而不能將直線段與曲線段分在同一段內。按照鋼絞線分段原則，將N2鋼絞線分為5段，其中直線段為AB、CD、EF，曲線段為BC、DE。各段長度分別為：AB=307.14 cm, BC=145.27 cm, CD=364.6 cm, DE=145.27 cm, EF=307.14 cm。張拉時使用的千斤頂包含的鋼絞線亦有一定的長度。為了計算的相對準確，將工作錨具和工具錨具中間的鋼絞線長度納入了計算長度，現場實測為58 cm。

圖2 N1、N2鋼束大樣圖

3 預應力損失及理論伸長量計算

3.1 單端張拉

3.1.1 孔道摩阻力引起的損失

孔道摩阻力引起的損失產生的主要原因：(1)孔道偏差影響。(2)彎道影響。

兩項因素導致鋼絞線在張拉時錨下的應力沿著管壁向跨中逐漸減小，因而每一段鋼絞線的伸長值亦不相同。

3.1.2 計算公式

《公路橋梁施工技術規范》JTJ 041-2000中關于預應筋伸長值ΔL的計算按照以下公式進行。

ΔL=Pp×L/Ap×Ep

(1)

式中 ΔL為各分段預應力筋的理論伸長值，mm;Pp為各分段預應力筋的平均張拉力，N；L為預應力筋的分段長度，mm；Ap為預應力筋的截面積，mm2；Ep為預應力的彈性模量，MPa;

《公路橋梁施工技術規范》(JTJ 041-2000)附錄G-8中規定了Pp的計算公式：

Pp=P×(1-e-(kx+μθ))/(kx+μθ)

(2)

式中P為預應力筋張拉端的張拉力，將鋼絞線分段計算后，每分段的起點張拉力即為前段的終點張拉力，N；θ為從張拉端至計算截面曲線孔道部分切線的夾角之和，分段后為每分段中每段曲線段的切線夾角，rad;x為從經拉端至計算截面的孔道長度，分段后為每個分段長度或為公式(1)中的L值；k為孔道每束局部編差對摩擦的影響系數(1/m)，管道內的全長均應考慮該影響；μ為預應力筋與孔道壁之間的摩擦系數，只在管道彎曲部分考慮該系數的影響。

每一段的終點力即為下一段的起點力，每段的終點力與起點力的關系見下式：

Pz=Pq×e-(KX+uθ)[2]

(3)

已知蓋梁預應力筋采用高強度、低松弛Φs15.2鋼絞線，fpk=1 860 MPa，錨下控制應力△k=0.75fpk=1 395 MPa，Ep=1.95×105MPa，μ取0.25，k取0.001 5，采用分段理論計算預應力損失及理論伸長值，其分段計算結果見表1。

表1 單端張拉預應力損失及理論伸長值計算表

當控制應力從張拉端AB端傳至錨固端EF時，單束預應力只剩下190 342 N，此時單束鋼絞線應力損失為35 MPa，預應力損失為9×35=315(MPa)。理論伸長值為97.77 mm。

3.2 雙端張拉

當采用雙端張拉時，采用分段理論計算的預應力損失及理論伸長值結果見表2。

當采取雙端張拉時，單束預應力單端只剩下193 069 N，此時單束鋼絞線應力損失為31 MPa，預應力損失共計為9×31=279(MPa)。理論伸長值為98.6 mm。

表2 雙端張拉預應力損失及理論伸長值計算表

對表1、2進行分析得出：單端張拉單束預應力較雙端張拉多損失4 MPa，損失量基本相同，雙端張拉比單端張拉理論伸長值略大。為減少預應力損失與錨圈口摩阻損失，單端張拉采取超張拉5%，雙端張拉采取超張拉3%[3]的方式提高了1 395×(0.03～0.05)=(41.85～69.75)MPa，用以彌補預應力損失。因此，對于該工程，單端張拉更為簡潔、快速，能在保證質量的前提下提高效率和安全系數。

4 預應力現場施工試驗的統計及分析

4.1 張拉試驗的組織與策劃

繞城互通A匝道加寬橋根據現場實際情況選取了A匝道加寬橋6號墩蓋梁采用雙端張拉、7號墩蓋梁采用單端張拉的形式，以N2鋼絞線作為研究對象，主要從錨下控制力、張拉伸長值方面進行對比分析。為保證試驗的同步性、連續性和精確性，在試驗開始前，選取了同一套校核過的液壓千斤頂進行張拉試驗。考慮到錨下預應力損失均超過張拉值3%，故要求在張拉過程中必須嚴格按照規范進行操作并安排人員旁站記錄。

4.2 試驗結果分析

繞城互通A匝道6、7號墩蓋梁分別采用雙端張拉、單端張拉獲得的伸長值見表3、4。

從表3、4中可以分析出：①單端張拉的實際伸長值都要小于理論伸長值，絕大部分的伸長值都在95～97 mm區間段內，并且所有的實際伸長量與理論伸長量之間的偏差值均大于-6%,滿足設計規范要求的[-6%～6%]區間段，故其符合設計要求。②雙端張拉實際測量的伸長量都要大于理論伸長量，實測伸長量都在99～102 mm這個區間段內，并且所有的實際伸長量與理論伸長量之間的偏差值都小于6%,故其符合設計要求。

表3 單端張拉伸長值記錄表

表4 雙端張拉伸長值記錄表

在實際張拉控制過程中，在張拉并持荷完畢、千斤頂放松過程中，對于夾片式錨具而言，有一個夾片回縮自錨及錨具變形存在，單端張拉夾片式錨具回縮量為9～11 mm，雙端張拉夾片式錨具回縮量為8～11 mm。

對于錨下控制應力，項目部委托重慶市交科院錨下應力檢測單位對繞城互通A匝道加寬橋6、7號墩蓋梁錨下應力進行了錨下預應力檢測，檢測結果見表5、6。

表5 單端錨下預應力檢測記錄表

表6 雙端張拉錨下預應力檢測記錄表

從表4、5中可以看出：不論是單端張拉，還是雙端張拉錨下預應力的實際預應力檢測與設計錨下控制預應力(1 757.7 kN)都是合格的，但單端張拉錨下應力損失較雙端損失大一些。為減少預應力損失與錨圈口摩阻損失，對單端張拉采取超張拉5%，雙端張拉超張拉3%的方式用以提高1 953×(0.03～0.05)=(58.59～97.65)kN彌補預應力損失。

在實際張拉控制過程中，在張拉并持荷完畢、千斤頂放松過程中，對于夾片式錨具有一個夾片回縮自錨及錨具變形存在，使錨下控制應力有所損失，根據《公路橋涵施工技術規范》JTJ 041-2000表12.8.3規定，夾片式錨具容許回縮量不大于6 mm，筆者建議：在最后一步持荷并測量完伸長量在控制范圍內后，應再將每端鋼絞線拉長3～6 mm(補足夾片回縮量)，可使最終的錨固應力成為設計的錨下控制應力[4]。

5 結 語

(1)通過單端張拉與雙端張拉預應力損失、理論伸長值的計算得知：單端張拉預應力損失比雙端張拉預應力損失略大一些；對于理論伸長值，雙端張拉比單端張拉略大一些；通過對預應力試驗數據進行分析得知雙端張拉伸長值略大于單端張拉，但無論是單端張拉，還是雙端張拉均符合設計以及工程實際要求。兩者對預應力混凝土構件的作用效果幾乎一樣。雙端張拉的效果略好于單端張拉。

(2)在特殊條件或雙端張拉不具備條件的情況下，選取單端張拉施工工藝亦滿足設計要求。

(3)在張拉并持荷完畢、千斤頂放松過程中，對于夾片式錨具而言有一個夾片回縮自錨及錨具變形存在，使錨下控制應力有所損失。若將單端張拉、雙端張拉超張拉3%～5%，可以使截面應力提高，進而降低預應力損失[5]。

(4)為確保錨固應力達到設計要求，最后一步是通過持荷并測量完伸長量在控制范圍內后應再將每端鋼絞線拉長3～6 mm(補足夾片回縮量)。