孫金更

(1．中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計量研究所，北京100081;2．國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京100081)

后張梁預(yù)應(yīng)力損失的研究

孫金更1，2

(1．中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計量研究所，北京100081;2．國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京100081)

系統(tǒng)地總結(jié)作者從事預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡支梁10余年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，歸納20余年來橋梁生產(chǎn)許可證審查發(fā)現(xiàn)的后張梁預(yù)應(yīng)力損失問題，從16個方面剖析了預(yù)應(yīng)力混凝土后張梁生產(chǎn)過程中常見預(yù)應(yīng)力損失產(chǎn)生的根源及其危害。本文內(nèi)容涵蓋了設(shè)計規(guī)范、橋梁標(biāo)準(zhǔn)、工藝技術(shù)、生產(chǎn)許可證細(xì)則等對后張梁的預(yù)應(yīng)力要求，歸納提煉出預(yù)制后張梁生產(chǎn)的核心技術(shù)——預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)要訣及預(yù)應(yīng)力損失的控制措施，對確保后張梁質(zhì)量有指導(dǎo)意義。

鐵路 橋梁 后張梁 預(yù)應(yīng)力 損失

中國鐵路新線建設(shè)中大量采用預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁，而高速鐵路正線均為后張箱梁，占線路全長約80%。后張箱梁預(yù)應(yīng)力的正確建立與損失控制能力是高鐵安全運(yùn)營的重要保證。橋梁的抗裂性能主要是依靠實(shí)存有效預(yù)應(yīng)力，而實(shí)存有效預(yù)應(yīng)力是由建立的預(yù)應(yīng)力減掉預(yù)應(yīng)力損失而得，“建立”只要按設(shè)計圖紙、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)即可，而“損失”在實(shí)際生產(chǎn)中不僅僅局限于設(shè)計規(guī)范考慮的6項。

預(yù)應(yīng)力是預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡支梁抗裂的第一要素和基本保障。橋梁生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)是預(yù)應(yīng)力損失控制。本文結(jié)合《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.3—2005)對預(yù)應(yīng)力損失的6項規(guī)定，將目前各預(yù)制梁場在生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)的各種預(yù)應(yīng)力損失的主要問題歸納為16個方面。

1 管道摩阻

1.1 力筋與管道之間的摩阻(管道摩阻)引起的應(yīng)力損失σL1

①σL1含力筋起彎端管道摩擦和管道位置偏移兩部分;②膠管成孔時設(shè)計取管道摩擦系數(shù)μ=0.55，設(shè)計位置偏差系數(shù)k=0.001 5;③兩端同時張拉時，簡化計算張拉端至計算截面的管道長度x≈L/2，L為預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效長度。

1.2 預(yù)埋膠管不平順

膠管不平順將直接造成預(yù)應(yīng)力損失，是靜載試驗(yàn)時梁體開裂的一大原因?，F(xiàn)存主要問題:①定位網(wǎng)片缺乏焊接工裝及驗(yàn)收大樣，制作不合格;②定位網(wǎng)片安裝不到位，致使某個截面所有膠管整體上凸;③膠管綁扎定位不準(zhǔn)確。因制作、安裝不規(guī)范，上下、左右定位不準(zhǔn)而偏離設(shè)計位置，造成膠管不平順，實(shí)際生產(chǎn)時的管道摩阻超出《管道摩阻測試報告》中的數(shù)據(jù)范圍，可能導(dǎo)致管道摩阻加大，減小實(shí)存有效預(yù)應(yīng)力。故應(yīng)制定平順合格標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)不合格須返工;嚴(yán)格把控定位網(wǎng)片的制作、安裝、簽驗(yàn)。

1.3 管道摩阻超出測試值及調(diào)整范圍

2014年15個制梁場的管道摩阻實(shí)測值匯總?cè)绫??？梢?k比設(shè)計值增大－53%～+273.3%，μ比設(shè)計值增大－48.1%～+14.5%。各系統(tǒng)、各工程局、各制梁場管道摩阻控制水平相差懸殊。

如生產(chǎn)初期上調(diào)預(yù)應(yīng)力張拉力，后期管道逐漸趨于平順，則摩阻減小、實(shí)存有效預(yù)應(yīng)力加大，對于無砟軌道箱梁上拱度、高鐵運(yùn)營平順性危害極大。武廣線高速鐵路橋梁生產(chǎn)時嚴(yán)格控制管道摩阻，管道摩阻測試超出限值的須重新測試，嚴(yán)禁上調(diào)張拉力。反之，摩阻比測試值增大，并超出設(shè)計值，則加大預(yù)應(yīng)力損失，危及梁體抗裂性。

1.4 測試狀態(tài)與實(shí)際生產(chǎn)不一致

①管道摩阻測試梁為精心特制，則所測試的管道摩阻小于實(shí)際生產(chǎn)的梁，獲證批量生產(chǎn)后再無人檢查把控。造成的后果是成品梁的管道摩阻損失偏大，實(shí)存有效預(yù)應(yīng)力偏小，對梁體抗裂性不利。②疏于定位網(wǎng)片的制作、安裝檢查、驗(yàn)收，管道彎曲且偏離設(shè)計位置，造成實(shí)際測試的管道摩阻大于設(shè)計規(guī)范限值，且經(jīng)設(shè)計單位上調(diào)張拉力。而后期生產(chǎn)管道不斷趨于平順，則實(shí)際超張拉造成梁體上拱度超標(biāo)，列車運(yùn)行不平順，尤其是高鐵無砟軌道梁受到的影響更大。③較普遍存有未執(zhí)行橋梁標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的每100榀梁重新測試一次管道摩阻。在獲取生產(chǎn)許可證之后就不再測試管道摩阻，測試狀態(tài)與實(shí)際生產(chǎn)不一致?？赡艹霈F(xiàn)欠張拉或超張拉，導(dǎo)致梁體開裂或上拱度超標(biāo)。

1.5 振搗棒捅彎膠管

①混凝土澆筑時，振搗棒上未作插棒深度標(biāo)記線，致使振搗棒捅彎膠管，導(dǎo)致管道摩阻加大，嚴(yán)重者抽拔膠管時拔斷膠管，壓漿時腹板處噴漿。②除了使用定位網(wǎng)片及在膠管中穿入鋼絞線或鋼筋以加強(qiáng)剛度的現(xiàn)行技術(shù)措施外，建議對頂層膠管附加由兩根高強(qiáng)鋼絲組成的軌道筋，既可以加強(qiáng)膠管剛度，防止膠管被捅彎，又能夠提高平順度。③標(biāo)注振搗棒深度警戒線，用紅、黃、藍(lán)標(biāo)明不同的澆筑區(qū)段。應(yīng)在模板不同區(qū)段標(biāo)注同樣三色并與振搗棒上的顏色相對應(yīng);在澆筑前，插棒到達(dá)膠管頂面再上抬50 mm為深度警戒線。箱梁振搗以插棒為主，嚴(yán)控插入深度，防止捅彎預(yù)埋膠管。④頂層膠管附加軌道筋加強(qiáng)，與定位網(wǎng)片相結(jié)合，與深度警戒線形成雙控，確保管道準(zhǔn)確平順。

表1 2014年15個制梁場的管道摩阻實(shí)測值匯總

2 鋼絞線回縮、錨具刮牙

2.1 力筋回縮、錨具變形、錨墊板壓實(shí)引起的應(yīng)力損失σL2

①夾片錨鋼筋回縮量設(shè)計值ΔL=6 mm;②當(dāng)計算錨具變形、鋼絞線回縮引起的應(yīng)力損失時，可考慮與張拉鋼絞線時管道摩擦方向相反的摩阻作用。跨中截面可按端部錨具變形、力筋回縮量的1/2計算;③預(yù)應(yīng)力筋回縮時的反向摩阻計算，摩擦系數(shù)、偏離系數(shù)可按正向摩阻計算取值。

2.2 張拉限位擋板槽深與線徑不匹配

①審查管道摩阻測試報告發(fā)現(xiàn)鋼絞線(夾片)回縮量超標(biāo)達(dá)7～8 mm。在生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)鋼絞線的鋼絲上常被刮出刨花。②因鋼絞線線徑測量不準(zhǔn)確(缺少數(shù)顯游標(biāo)卡尺或測量方法錯誤)，導(dǎo)致所選用的張拉限位擋板規(guī)格不正確。若限位擋板槽深偏小，則張拉時刮牙(嚴(yán)重者刮出刨花)，直接造成錨下預(yù)應(yīng)力嚴(yán)重?fù)p失，而錨外張拉力的油表卻顯現(xiàn)不出來;若限位擋板槽深偏大，則張拉錨固時空放行程超過6 mm，直接造成預(yù)應(yīng)力損失。③錨具生產(chǎn)廠家的角度設(shè)計或制造有問題，圓錐孔與夾片的角度不匹配，或槽深允計差值(±0.05 mm)超差，不能真正實(shí)現(xiàn)鋼絞線線徑每增加0.1 mm則槽深增加0.4 mm。這是刮牙或空放的原因之一。④制梁場應(yīng)按照錨具生產(chǎn)廠家提供的《線徑與槽深、喇叭口與管徑、回縮量與外露量的對照表》嚴(yán)格進(jìn)行槽深、線徑進(jìn)場檢驗(yàn)驗(yàn)證，并根據(jù)本批鋼絞線直徑配套發(fā)放對應(yīng)的張拉限位擋板。槽深必須與本批實(shí)測鋼絞線直徑相對應(yīng)。

3 溫差應(yīng)力損失

3.1 由于溫差應(yīng)力引起的預(yù)應(yīng)力損失σL3

①對于后張梁而言，當(dāng)冬期施工混凝土壓漿后蒸汽養(yǎng)護(hù)時，梁體混凝土與預(yù)應(yīng)力筋存在著較小的溫差，又由于鋼筋的線膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃，與混凝土平均線膨脹系數(shù)1.25×10-5/℃(混凝土線膨脹系數(shù)為(1.0～1.5)×10-5/℃)非常接近，故后張梁施工中此項溫差損失忽略不計。②對于先張梁而言，張拉后澆筑梁體混凝土再進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，則溫差應(yīng)力不可忽視。如對長線法或超長線法臺座，早上張拉時環(huán)境溫度5℃，中午澆筑時25℃，溫差20℃，σL3=2×(25-5)=40 MPa。若采用蒸汽養(yǎng)護(hù)則混凝土由于自身水化熱其內(nèi)部溫度可達(dá)60～65℃，溫差應(yīng)力引起的預(yù)應(yīng)力損失σL3=2×(65-5)=120 MPa。

3.2 溫差應(yīng)力分為2種類型

①力筋與混凝土之間的溫差將直接造成預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力損失。這適用于先張梁，本文不予論述。②混凝土外表與內(nèi)部的溫差將造成混凝土內(nèi)外應(yīng)力不均勻，致使內(nèi)部或外表層拉裂。這適用于大體積混凝土、蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土。

3.3 由于混凝土早期開裂而導(dǎo)致靜載試驗(yàn)時開裂

TB 10002.3—2005規(guī)定:對于不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，按彈性階段檢算截面抗裂性，但在運(yùn)營階段正截面抗裂檢算中，應(yīng)計入混凝土受拉塑性變形的影響。Kf≤λ+γfct/σ表明抗裂安全系數(shù)Kf與預(yù)應(yīng)力度λ、混凝土塑性系數(shù)γ、混凝土抗拉極限強(qiáng)度fct有關(guān)。

當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差超過15℃時其內(nèi)部溫差應(yīng)力將使混凝土早期外表或內(nèi)部開裂而喪失了混凝土抗拉強(qiáng)度(fct=0)，靜載試驗(yàn)在1.00級荷載時，預(yù)應(yīng)力筋基本消壓(λ=1)，梁體將會早期開裂(Kf=λ)。

3.3.1 溫差超限是混凝土早期開裂的根源

依規(guī)定:①混凝土芯部與箱梁外表面溫差不得超過15℃;②混凝土芯部與箱梁內(nèi)表面溫差不得超過15℃;③箱梁外表面與氣候環(huán)境溫差不得超過15℃;④箱梁內(nèi)表面與箱內(nèi)環(huán)境溫差不得超過15℃。在上述4項溫差之中，蒸養(yǎng)拆模最容易造成箱梁外表面與氣候環(huán)境溫差超過15℃，水化熱造成芯部與箱梁外表面溫差超過15℃次之。嚴(yán)格控制“4種溫差”不超過15℃極為重要。

當(dāng)采用蒸汽養(yǎng)護(hù)時，降溫后箱內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于箱外溫度，箱內(nèi)溫度因不流動而遲遲降不下來，易造成腹板內(nèi)側(cè)熱、外側(cè)涼。

3.3.2 溫差應(yīng)力裂縫或裂紋的表征

1)裂縫可見。裂縫寬度通常在0.05～0.10 mm;張拉后裂縫閉合。

2)裂紋通常不可見。裂縫寬度通常在0.01～0.05 mm，不使用足夠倍率的放大鏡認(rèn)真觀測很難發(fā)現(xiàn)。張拉后裂紋完全閉合。

3)潛在裂紋不能被發(fā)現(xiàn)，但是混凝土抗拉強(qiáng)度已基本失去。

3.3.3 溫差應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開裂的后果

橋梁設(shè)計規(guī)范規(guī)定Kf≤λ+γfct/σ=σc/σ+(2× W0/S0)(fct/σ)。其中，換算截面重心軸以下的面積對重心軸的面積矩S0和對所檢算的拉應(yīng)力邊緣的換算截面抵抗矩W0由設(shè)計截面確定，計算荷截在截面受拉邊緣混凝土中產(chǎn)生的正應(yīng)力σ和扣除相應(yīng)階段預(yù)應(yīng)力損失后混凝土的預(yù)壓應(yīng)力σc由張拉情況決定，fct不僅是由設(shè)計強(qiáng)度等級及施工企業(yè)配合比、澆筑質(zhì)量決定，更重要的是由混凝土養(yǎng)護(hù)決定。

全預(yù)應(yīng)力梁在試驗(yàn)荷載1.00級時，預(yù)應(yīng)力基本消壓，而在1.00級荷載之后的抗裂性依賴于混凝土的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)混凝土早期已經(jīng)被溫差內(nèi)應(yīng)力拉裂而喪失了抗拉強(qiáng)度，則Kf=λ=1.065(具不完全統(tǒng)計現(xiàn)行設(shè)計圖紙上的均值)，必將在消壓后靜載試驗(yàn)時引起梁體開裂。故剛過1.00級荷載即開裂的梁多數(shù)是由于蒸養(yǎng)拆模時梁體表面與環(huán)境、芯部與表面溫差超標(biāo)及未執(zhí)行降溫速度(10℃/h)與芯表溫差(15℃)雙控所致，根源在于降溫時間短且未實(shí)行跟蹤養(yǎng)護(hù)，急于趕工期。這一關(guān)鍵點(diǎn)至今尚未引起橋梁界的高度重視。

自2011年至今發(fā)證檢驗(yàn)的統(tǒng)計結(jié)果為:箱梁(Kf約為1.42)靜載試驗(yàn)的開裂數(shù)量(19榀)大于T梁(Kf約為1.25，14榀)。由此可見，相對于T梁而言，箱梁屬于薄壁結(jié)構(gòu)且大體積混凝土的水化熱更強(qiáng)，對溫差應(yīng)力更加敏感，這是箱梁開裂多于T梁的一個主要原因。

4 混凝土彈性壓縮

對混凝土彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失σL4，應(yīng)根據(jù)計算和試驗(yàn)結(jié)果修正張拉力。根據(jù)不同梁型的試驗(yàn)結(jié)果，對先行張拉的鋼絞線束，張拉力略超，計為正偏差，并依次減小正偏差量，以克服后張拉的鋼絞線對先張拉的混凝土連帶壓縮造成的預(yù)應(yīng)力損失。如:第1束張拉完，其錨下混凝土壓應(yīng)力為σc1，其后張拉第2，3，4束…，則第1束錨下的混凝土壓應(yīng)力增加為σc1+ Δσc2+Δσc3+Δσc4+…，梁體不斷變短，導(dǎo)致第1束鋼絞線的應(yīng)力損失。多年統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，一般32 m T梁張拉縱向壓縮量約為32 mm(預(yù)留壓縮量主體部分)，約占梁長的0.1%。

5 力筋應(yīng)力松弛

對預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力松弛引起的應(yīng)力損失σL5的確定，須注意松弛率試驗(yàn)。橋梁標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)使用低松弛鋼絞線，在選定購貨廠家時，需做一次100 h松弛率試驗(yàn)，推算1 000 h合格后方可使用;通常在70%的初始荷載下的松弛率≤2.5%。若100 h松弛率試驗(yàn)推算不合格，應(yīng)改做1 000 h試驗(yàn)。

6 混凝土收縮、徐變

6.1 混凝土收縮、徐變引起的應(yīng)力損失σL6

力筋應(yīng)力松弛引起的應(yīng)力損失σL5和混凝土收縮、徐變引起的應(yīng)力損失σL6由設(shè)計給定(體現(xiàn)在設(shè)計圖紙中)。σL5和σL6的中間值與終極值的比值見表2，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)根據(jù)建立預(yù)應(yīng)力后的時間按表2內(nèi)插確定其中間值。

表2 σL5和σL6中間值與終極值的比值

6.2 收縮徐變對上拱度、跨度的影響

1)若張拉后半年甚至一年而不能如期架設(shè)橋梁，即不能鋪設(shè)二期恒載，且制梁場在存梁臺座上的兩端懸臂狀態(tài)下未在跨中橋面板上按二期恒載折算的重力加設(shè)重物如水箱、鋼筋等，則收縮徐變不但造成梁體預(yù)應(yīng)力損失，而且會使梁體上拱度加大甚至超標(biāo)，跨度減小甚至超標(biāo)。

2)收縮、徐變對上拱度會造成影響。上拱度對跨度的影響舉例說明如下:

包頭制梁場約200片T梁制造完成后存放近2年而未能架設(shè)，放在存梁臺座上而未加設(shè)二期恒載導(dǎo)致徐變上拱度約150 mm，跨度減少50 mm。梁上拱如圖1所示，梁全長與上拱度的關(guān)系按拋物線長度公式計算，梁全長L=l+(8×h2)/(3l)。其中:l為拋物線的水平投影長度(梁內(nèi)縮后的全長)，h為拋物線的矢高(梁上拱度)。當(dāng)已知梁體上拱度、梁長時，其投影長度l計算式為

圖1 梁上拱示意

6.3 減小混凝土收縮

混凝土配合比在保證生產(chǎn)周期(不利溫度下箱梁10 d、T梁14 d終張拉)的前提下應(yīng)盡量減少水泥用量，選用高性能聚羧酸減水劑，減水率不應(yīng)小于35%，減小水灰比以減小混凝土收縮造成的應(yīng)力損失。

6.4 控制混凝土徐變

高速低應(yīng)力是指高鐵箱梁應(yīng)采用較低應(yīng)力狀態(tài)以防止無砟軌道箱梁徐變上拱度過大。高速鐵路無砟軌道箱梁一般預(yù)應(yīng)力可按σcon=0.70fpk估計，fpk為預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，對T梁按σcon=0.785fpk估計。這樣可減小后期徐變上拱度對線路平順的影響及預(yù)應(yīng)力損失。

7 錨板與鋼絞線不同心

7.1 喇叭口進(jìn)漿，鋼絞線與錨具不同心

因采用了買膠管配送的橡膠護(hù)套，而未根據(jù)實(shí)用膠管外徑和喇叭口內(nèi)徑予以特別設(shè)計、制作同心橡膠護(hù)套，且安裝不到位，致使錨墊板喇叭口進(jìn)漿，管道中心因進(jìn)漿偏心(約15～25 mm)，而錨板的中心已經(jīng)被錨墊板上的限位槽口(約2 mm)限定，則必然造成鋼絞線與錨具不同心，產(chǎn)生折角(在約50 mm范圍內(nèi)上抬25 mm)，致使錨口、喇叭口摩阻劇增，直接造成預(yù)應(yīng)力損失。

7.2 同心護(hù)套的制作與安裝

1)同心護(hù)套制作。買膠管配送的橡膠護(hù)套通常不能使用，因膠管制作廠家不知道制梁場所購錨墊板的喇叭口內(nèi)徑。制梁場應(yīng)在購買膠管時根據(jù)預(yù)購膠管外徑、錨墊板的喇叭口內(nèi)徑及喇叭口長度特別設(shè)計同心護(hù)套圖紙，交由膠管廠制作。

2)同心護(hù)套安裝。①常見問題:護(hù)套安裝不到位，只安進(jìn)去1/3～1/2，漿體進(jìn)入喇叭口，流淌堆積在端模上，造成管道偏心。②正確安裝:應(yīng)使同心護(hù)套的尾部凸臺(俗稱“豬鼻子”)頂?shù)侥０迳?，這時護(hù)套最前端應(yīng)比喇叭口的小口長出大約10 mm。其目的是使膠管與喇叭口之間的空隙，讓橡膠護(hù)套全部占領(lǐng)，不給灰漿留有余地。

3)同心護(hù)套標(biāo)志。生產(chǎn)現(xiàn)場常發(fā)生因φ70，φ80，φ90三種護(hù)套工人難以區(qū)分而出現(xiàn)護(hù)套不配套、隨意混用的情況。為此，有必要對三種規(guī)格的護(hù)套用標(biāo)志加以區(qū)分，即在同心護(hù)套尾部端面涂刷油漆:φ70用紅色、φ80用黃色、φ90用藍(lán)色。相同顏色即相同規(guī)格，按“副”使用。

7.3 同心護(hù)套的作用

特別設(shè)計、制作同心護(hù)套并配對安裝到位，不僅是為了堵漏漿，外觀密實(shí)、好看，其主要作用是防止喇叭口進(jìn)漿，確保錨具與鋼絞線同心，避免因折角產(chǎn)生錨口、喇叭口摩阻進(jìn)而造成預(yù)應(yīng)力損失。

8 張拉千斤頂與鋼絞線不同心

模板進(jìn)場必須嚴(yán)格檢驗(yàn)錨穴端面水平角、豎直角。這不是產(chǎn)品外形尺寸問題，而是錨板垂直于鋼絞線的基本要求。否則鋼絞線與張拉千斤頂將在錨墊板圓臺頂面處產(chǎn)生折角，折角處摩阻直接造成預(yù)應(yīng)力損失。

出現(xiàn)問題的原因是模板制造企業(yè)對錨穴角度的重要性認(rèn)識不足，且工裝胎卡具不到位，使得錨穴角度偏差超標(biāo)。在端模進(jìn)場檢驗(yàn)錨穴角度時，缺少專用胎卡具，使用常規(guī)的萬能角度尺、直角尺、鋼直尺等測量。錨穴豎直角、水平角制造不準(zhǔn)確，測量工具不科學(xué)而無法判定合格與否。若錨墊板端面(即錨板平面)不垂直于鋼絞線，會導(dǎo)致鋼絞線與張拉千斤頂不同心，造成張拉千斤頂與鋼絞線產(chǎn)生折角，因折角摩阻致使預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重。

針對現(xiàn)有角度檢測工具不能滿足錨穴水平角、豎直角的檢測要求，作者與中水八局專門研制了錨穴角度測試儀(圖2)，有效地解決了這一難題。

圖2 新型錨穴角度檢測儀

9 端?？孜徊粶?zhǔn)確

9.1 端模板管道中心位置偏差

端模板管道中心位置加工不準(zhǔn)確，管道中心偏離設(shè)計位置大者約5～10 mm，且進(jìn)場驗(yàn)收把關(guān)不嚴(yán)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力管道中心上抬。因改變了合力中心，即使張拉力準(zhǔn)確，但因其作用點(diǎn)偏向中性軸，梁體抗彎截面矩也會劇減。

9.2 端模板安裝高度偏差

端模板的安裝缺少基準(zhǔn)標(biāo)高測控(國外采用固定測量臺)，安裝位置偏高(尤其是T梁采用側(cè)包底立模法安裝)，使得預(yù)應(yīng)力筋合力重心上移，抗彎截面矩減小，降低了梁體抗裂安全系數(shù)。

10 兩端張拉不同步

主要問題:①張拉時梁體兩端未每1 MPa一呼一應(yīng)(油表即時讀數(shù))，而是每5 MPa一等齊，或各行其是，快慢相差懸殊，相當(dāng)于依次單端張拉，加大了管道摩阻。尤其是對起彎管道，測試與計算折合到跨中的管道摩阻(兩端同時張拉時，簡化計算張拉端至計算截面的管道長度x≈L/2)，若兩端依次張拉則加大了管道摩阻，造成預(yù)應(yīng)力損失。②4臺油泵缺乏統(tǒng)一號令，造成兩端不同步率超出規(guī)定。③4臺油泵非同型號、同規(guī)格的，泵量不同，難以同步。

解決措施:①箱梁4個油泵集中在梁體同一側(cè)的兩端，合4為2，同端司泵并肩互視油表，由張拉主管工程師統(tǒng)一號令，從20%σcon起，指揮端與其對面每1 MPa呼應(yīng)一次，主司泵緩緩穩(wěn)步、勻速上升，中間不停，一直至終極。②以油壓表讀數(shù)為主、以鋼絞線的伸長量作校核。若伸長量超標(biāo)須使用整體退錨套筒退錨，查明原因后重新張拉。③嚴(yán)格按圖紙要求順序?qū)ΨQ張拉，尤其是箱梁兩側(cè)對應(yīng)孔道須同時張拉。

11 同榀梁使用兩批鋼絞線

11.1 將不同級彈性模量的鋼絞線穿入同一孔道

當(dāng)同一束鋼絞線內(nèi)鋼筋彈性模量差別較大(超過3 GPa)，不同彈性模量的鋼絞線同時張拉時，伸長量相同，但每根鋼絞線應(yīng)力不同。問題根源是未逐捆檢驗(yàn)彈性模量，或未按檢驗(yàn)數(shù)據(jù)每3 GPa分級標(biāo)識、使用。小型鋼絞線廠的同批鋼絞線未必是同批母材生產(chǎn)的，可能鋼筋彈性模量差異很大。

11.2 同束鋼絞線彈性模量差超限

1)同束鋼絞線彈性模量差限值為3 GPa?，F(xiàn)場審核曾發(fā)現(xiàn)一批鋼絞線抽3根試驗(yàn)，彈性模量差竟然高達(dá)17 GPa。若穿入同束，張拉伸長量相同，應(yīng)力差過大。應(yīng)力與彈性模量成正比、與伸長率成正比。反之，在應(yīng)力不變的條件下，伸長率與彈性模量成反比。舉例說明:12根一束，其中有11根彈性模量為185 GPa，1根為205 GPa(均符合彈性模量(195±10)GPa的要求)，相差20 GPa(約占10%)，則張拉應(yīng)力約差10%。彈性模量205 GPa的鋼絞線應(yīng)力可能會超過限值σcon=0.80×1 860=1 488 MPa，甚至超過屈服強(qiáng)度σs= 1 636 MPa。由此可見，同束鋼絞線彈性模量差嚴(yán)重超限，不僅可能造成鋼絞線應(yīng)力超限，而且伸長率也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超限(±6%)。

2)鋼絞線彈性模量差控制。①選擇正規(guī)生產(chǎn)廠家采購鋼絞線，質(zhì)量穩(wěn)定合格才可用;②GB/T 5224—2014第7.2.5條“鋼絞線彈性模量為(195±10)GPa，可不作為交貨條件。當(dāng)需方要求時，應(yīng)滿足該范圍值?！辫F路橋梁標(biāo)準(zhǔn)擬將彈性模量改為(195±5)GPa從而降低允許差值;③同批鋼絞線進(jìn)場驗(yàn)收時，執(zhí)行橋梁許可證的規(guī)定:“各捆鋼絞線彈性模量相差不得超過5 GPa”;④下料制束時，嚴(yán)格執(zhí)行橋梁許可證的規(guī)定:“同束鋼絞線彈性模量差不得超過3 GPa”;⑤進(jìn)場檢驗(yàn)后按彈性模量試驗(yàn)值分級使用;⑥對不夠組成一束的(同束彈性模量差≤3 GPa)鋼絞線，單獨(dú)標(biāo)識、存放，等待下批湊成一束。

11.3不同級線徑使用同一限位擋板

當(dāng)同一束鋼絞線線徑差別較大(超過0.1 mm)，不同鋼絞線線徑卻使用同一規(guī)格(槽深)的張拉限位擋板，必然刮絲或空放，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失。

問題根源:①鋼絞線線徑測量方法錯誤，未轉(zhuǎn)動游標(biāo)卡尺找最大值(直徑);②缺少測量鋼絞線直徑用的數(shù)顯游標(biāo)卡尺;③未將線徑檢測數(shù)據(jù)按每0.1 mm一級分級作標(biāo)志;④未按檢測線徑選用、配發(fā)與其對應(yīng)槽深的張拉限位擋板。線徑分級方法是按限位擋板的7種規(guī)格所適用范圍將鋼絞線線徑分成7個等級。

11.4 批接口三對應(yīng)

在生產(chǎn)中經(jīng)常會發(fā)生第1批進(jìn)場的鋼絞線所剩下的不夠一榀梁的用量，需要摻入第2批進(jìn)場的鋼絞線，兩批鋼絞線使用在同一榀梁中，而這兩批鋼絞線的直徑、彈性模量不盡相同。

1)因?yàn)閮膳摻g線線徑不同，需要選用不同槽深的張拉限位擋板。若槽深與線徑不對應(yīng)，會出現(xiàn)刮牙或空放，直接造成預(yù)應(yīng)力損失。

2)因?yàn)閮膳摻g線彈性模量不同，即使相同編號的N1與N1'，其理論伸長量計算值也不盡相同。尤其是兩批鋼絞線彈性模量相差較大且又穿入同束中的情況更加有害。即不同彈性模量的鋼絞線穿入同一孔道，張拉時伸長量相同，但應(yīng)力相差甚大，雖然本束應(yīng)力總和達(dá)到設(shè)計規(guī)定值，但是實(shí)際伸長率卻根本不可能與計算伸長率一致。

3)預(yù)應(yīng)力鋼絞線批接口應(yīng)“三對應(yīng)”，即:①所選用的張拉限位擋板槽深與線徑對應(yīng);②鋼絞線理論計算伸長量與試驗(yàn)彈性模量對應(yīng);③剩余鋼絞線實(shí)際穿入的管道與技術(shù)上指定的管道對應(yīng)。

多年來，批接口“三對應(yīng)”一直未引起橋梁界的重視，它是造成預(yù)應(yīng)力損失的重要原因。同束各根鋼絞線應(yīng)力相差過大，可能導(dǎo)致某根拉到甚至超過屈服強(qiáng)度，發(fā)生“多米諾”式的破壞。

預(yù)應(yīng)力張拉以應(yīng)力控制為主、伸長量作為校核。但是現(xiàn)場總會發(fā)生應(yīng)力、應(yīng)變不對應(yīng)的情況，即張拉力達(dá)到了而伸長量卻對不上的情形，而同束不同批，理論伸長量計算值與彈性模量不對應(yīng)是其主要原因。

12 同束鋼絞線相互纏繞

12.1 嚴(yán)禁單根穿束

近期有個別生產(chǎn)廠家推銷及梁場使用單根穿束機(jī)，在鋼絞線推進(jìn)時難免受阻“拐彎”，發(fā)生鋼絞線纏繞現(xiàn)象，應(yīng)禁用單根穿束機(jī)。

12.2 錨具安裝孔眼不對應(yīng)

常用11孔、12孔錨板因不對稱(圖3)，涂黑孔眼極易穿錯。在穿鋼絞線及安裝各對應(yīng)的工作錨板、限位板、工具錨板時，圖中黑色部分孔洞的相對位置需要特別注意，必須保證各孔眼的位置一一對應(yīng)。

圖3 常用11孔與12孔錨板示意

12.3 鋼絞線纏繞的危害

鋼絞線纏繞容易造成錨板孔眼不對應(yīng)，即在梁體A端錨板的甲孔進(jìn)、B端乙孔出，造成各根應(yīng)力差并加大錨口摩阻(因鋼絞線斜向穿入錨板孔眼所致)，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失。發(fā)生纏繞的鋼絞線凈長度與其他的不同，則張拉后在同束中各根鋼絞線應(yīng)力不同，實(shí)際伸長量測量結(jié)果也會超出允許偏差(±6%)。

12.4 用梳子板防纏繞

對編好束的鋼絞線，使用梳子板過一遍，然后用扎絲每1 m捆綁一下，這是防止鋼絞線纏繞的多年傳統(tǒng)工藝，但是有些制梁場至今缺少梳子板。

13 后張梁的“單根初調(diào)、整束張拉”

13.1 拉直繃緊共同受力

先張梁的“單根初調(diào)、整體張拉”的張拉工藝，其目的在于先單根拉直繃緊，再整體張拉共同受力。后張梁張拉工藝也同樣存在著穿束后的各根鋼絞線拉緊程度的差別，甚至某些鋼絞線還處在松垮狀態(tài)，若在此狀態(tài)下打緊工具錨夾片，并開始張拉，勢必出現(xiàn)應(yīng)力不均勻問題。因此，建議使用特制的帶頂緊機(jī)構(gòu)的手槍式微型機(jī)械千斤頂，先進(jìn)行“單根初調(diào)”5 kN繃緊，隨后用設(shè)定力頂緊工具錨夾片，避免開始張拉的瞬間滑絲，然后正式開始本束的“整體張拉”。

采用手槍式微型機(jī)械千斤頂，將拉直頂緊一體化，替代現(xiàn)用鋼管打緊工具錨夾片工序，因人為打緊力大小不一，打緊力偏小的在張拉開始的一瞬間有微量滑絲，造成各根鋼絞線應(yīng)力不均勻。

先拉直，解決不均勻性的主量。因松垮者“不出力”，而總張拉力不變，則有可能導(dǎo)致某根鋼絞線受力過大，應(yīng)力超限、屈服。對于起彎的預(yù)應(yīng)力鋼筋管道而言，在φ90的管道中本身就有處于上邊的鋼絞線應(yīng)力略大于下邊的，若下邊的在松垮狀態(tài)下張拉，則上邊的鋼絞線內(nèi)應(yīng)力將會更大，有可能超限甚至屈服。為此有必要實(shí)行編束梳理綁扎與單根預(yù)拉雙控?，F(xiàn)狀是現(xiàn)場多不梳理且疏于綁扎，更顯出單根初調(diào)的必要性。

再頂緊，解決不均勻性的微量。統(tǒng)一設(shè)定頂緊力，保證均勻可靠，使鋼絞線微量滑絲后的內(nèi)縮量一致，使得每根鋼絞線應(yīng)力均勻。

13.2 拉直、頂緊一舉兩得

帶拉頂雙向功能的手槍式微型機(jī)械千斤頂，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕巧，操作快捷。手槍式微型千斤頂實(shí)現(xiàn)了后張梁的“單根初調(diào)、整束張拉”，拉直、頂緊一并完成。既可解決鋼絞線松垮造成的預(yù)應(yīng)力不均勻，又可解決工具夾片打緊力不均勻滑絲造成的預(yù)應(yīng)力不均勻問題。拉直同受力、頂緊防滑絲，拉直頂緊一舉兩得，可大大提高同束各根鋼絞線應(yīng)力均勻度。

14 混凝土彈性模量不足

14.1 彈性模量不足壓縮變形超限

張拉前的三控——強(qiáng)度、彈性模量、齡期(T梁14 d，箱梁10 d)。其中混凝土彈性模量至關(guān)重要。因?yàn)閺椥阅Ａ繙笥趶?qiáng)度，只要彈性模量達(dá)到了規(guī)定要求強(qiáng)度也必定達(dá)到。彈性模量不足會直接造成混凝土壓縮變形過大，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失。

在生產(chǎn)實(shí)踐中時常發(fā)生彈性模量儀使用方法錯誤:150 mm標(biāo)距的頂針的固定螺栓孔粗牙間隙大，頂針桿晃動，造成栓、母間隙“吃掉”變形，彈性模量試驗(yàn)值虛高，并以假象數(shù)據(jù)指令10 d終張拉。因混凝土彈性模量不足、壓縮變形超限而引起應(yīng)力損失，而且加劇了混凝土彈性壓縮引起的應(yīng)力損失σL4。

14.2 嚴(yán)格控制母巖強(qiáng)度確?；炷翉椥阅Ａ?/p>

彈性模量主要決定于母巖強(qiáng)度(≥2倍設(shè)計強(qiáng)度等級)。橋梁生產(chǎn)許可證實(shí)施細(xì)則規(guī)定:終張拉強(qiáng)度值=設(shè)計強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值+3.5 MPa。

水泥用量決定了早期強(qiáng)度。水泥用量宜360～380 kg/m3。T梁較箱梁略有增加。若水泥用量過低，則早期強(qiáng)度偏低，不能保證10 d/14 d終張拉強(qiáng)度，彈性模量不滿足設(shè)計要求。張拉前的三控依靠配合比保證。配合比必須保證生產(chǎn)期間可能發(fā)生的最不利溫度下10 d/14 d的彈性模量，以保證臺座、模板數(shù)量，生產(chǎn)周期滿足施組及架梁要求。因此，不但要選用適宜的配合比，而且要嚴(yán)格控制母巖強(qiáng)度、緊密孔隙率、含泥量等，確?；炷翉椥阅Ａ?。

15 錨口、喇叭口摩阻

錨口摩阻損失是指力筋與錨板口之間的摩擦引起的應(yīng)力損失。喇叭口摩阻損失是指力筋在錨墊板喇叭口處彎折摩擦引起的應(yīng)力損失。錨口、喇叭口摩阻占比一般應(yīng)≤6%。因各廠錨具不同，應(yīng)由各制梁場根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

16 其他影響預(yù)應(yīng)力損失的問題

16.1 鋼筋滑斷絲與割絲雙控

1)鋼筋滑斷絲與保護(hù)層厚度常見問題:①滑斷絲標(biāo)記線每根鋼絞線(7絲)僅標(biāo)記了最外側(cè)的1～2絲，若其余絲滑進(jìn)不能被察覺。預(yù)應(yīng)力筋滑斷絲合格指標(biāo)為24 h后滑斷絲率≤0.5%，且不在同側(cè)、同束。②鋼絞線割絲外露長度約10～15 mm，不滿足預(yù)防滑絲外露長度30 mm的要求。③鋼絞線切割使用砂輪機(jī)沿梁端面橫掃，保護(hù)層厚度最小2～3 mm，不滿足預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土保護(hù)層厚度≥40 mm的要求。若封錨混凝土產(chǎn)生新老混凝土之間收縮裂縫，造成錨具及鋼絞線銹蝕，會減少橋梁壽命，危及運(yùn)營安全。

2)割絲雙控。①為預(yù)防滑絲鋼絞線割絲時外露長度應(yīng)為30 mm;②預(yù)應(yīng)力筋保護(hù)層厚度(鋼絞線端頭距梁端面)≥40 mm。無論何種圖紙設(shè)計不同的錨穴深度，都必須保證預(yù)應(yīng)力筋端頭保護(hù)層厚度不小于35 mm。

16.2 錨具不合格

1)預(yù)應(yīng)力錨固質(zhì)量依賴錨具質(zhì)量，若錨具質(zhì)量不合格將造成預(yù)應(yīng)力損失。

2)一副2片夾片使用鋼絲圈套聯(lián)屬嚴(yán)重違規(guī)。因經(jīng)常發(fā)生鋼絲跳出溝槽，伸向錐孔內(nèi)，其表象是夾片外露量偏大，約達(dá)到5 mm，更嚴(yán)重的是阻礙夾片跟進(jìn)錨固，造成僅被卡鋼絲下的個別牙吃力，易造成夾片倒牙或刻斷鋼絞線。

3)錨墊板常見問題:①錨墊板喇叭口長度不足、角度偏差過大，承壓板面積過小。②喇叭口的小口直徑大于規(guī)定值，多數(shù)不合格。如配套φ90型膠管，直徑達(dá)105 mm(允許值95 mm);喇叭口長度不足，致使鋼絞線4°折角無法保證，且應(yīng)力傳遞長度不足。③錨墊板的承壓板面積過小，造成梁端部壓應(yīng)力過大，端塊應(yīng)力超限。T梁梁端側(cè)面錨下沿管道縱向開裂，箱梁張拉時或張拉后錨墊板塌陷進(jìn)去。

16.3 使用電焊切割鋼絞線

預(yù)應(yīng)力張拉24 h后割絲，嚴(yán)禁使用電焊切割鋼絞線，以免電弧刺傷已經(jīng)錨固完的預(yù)應(yīng)力筋。

16.4 潛在空洞

張拉前未使用列檢錘敲擊梁體跨中區(qū)段，檢查有無潛在空洞。如某橋梁廠曾發(fā)生張拉時跨中拉斷情況，某制梁場在終張拉后吊移梁時才發(fā)現(xiàn)跨中區(qū)段底板約4 m長的蜂窩、空洞，直接修補(bǔ)后靜載試驗(yàn)不合格。因此，張拉前需檢查確認(rèn)跨中區(qū)段無明顯可見及潛在空洞，規(guī)避潛在空洞造成的預(yù)應(yīng)力損失。

16.5同孔張拉時間差

因張拉班組數(shù)量與日產(chǎn)量不匹配或因張拉設(shè)備、儀表故障等原因，致使同孔4片T梁的終張拉時間差超過橋梁標(biāo)準(zhǔn)同孔梁澆筑、張拉時間差(6 d)及設(shè)計圖紙的規(guī)定(5 d)。當(dāng)設(shè)計、施工、驗(yàn)收規(guī)范及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與橋梁產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計圖紙的規(guī)定相互矛盾時，應(yīng)采取就近、就高、就新的原則。

17 歸納總結(jié)

17.1 實(shí)際生產(chǎn)中的控制預(yù)應(yīng)力損失的技術(shù)要訣

1)張拉前的三控——強(qiáng)度、彈性模量、齡期;

2)張拉中的三控——應(yīng)力、應(yīng)變、(持荷)時間;

3)批接口三對應(yīng)——伸長量與彈性模量，槽深與線徑，實(shí)際與指定;

4)三同心——力筋、錨具、千斤頂;

5)三個角度——鋼絞線水平角、豎直角、折角(4°角);

6)三個摩阻——管道、錨口、喇叭口;

7)三個綜合“5”——滑斷絲5‰、同孔梁5 d、彈性模量允差±5 GPa;

8)夾片三量——回縮量(6 mm/端)、外露量(一般2 mm)、錯牙量(1 mm);

9)兩同步——兩端、兩側(cè)(箱梁);

10)張拉二率——伸長率(±6%)、不同步率(5%);

11)割絲雙控——鋼絞線外露量(≥30 mm)、保護(hù)層厚度(≥40 mm);

12)兩個系數(shù)——偏離(k≤0.001 5)、摩阻(μ≤0.55)。

17.2 預(yù)應(yīng)力張拉的“四項基本原則”

1)三同心——鋼絞線(預(yù)留孔道)、錨具、千斤頂三者同心;

2)兩同步——兩端(兩側(cè))同步張拉，同時達(dá)到同一荷載值。不同步率=(大-小)/(大+小)≤5%;

3)張拉前的三控——強(qiáng)度、彈性模量、齡期(T梁14d/箱梁10d);

4)張拉中的三控——應(yīng)力(±1%)、應(yīng)變(± 6%)、時間(3 min)?？刂埔c(diǎn):①應(yīng)力。按管道摩阻實(shí)測并調(diào)整的錨外應(yīng)力，考慮千斤頂校正系數(shù)造成的損失，由線性回歸方程按千斤頂面積計算出的油表讀數(shù)來控制張拉應(yīng)力。②應(yīng)變。兩端總伸長量之和與按進(jìn)場檢驗(yàn)的實(shí)際彈性模量計算的伸長量相差不大于±6%;兩端伸長量相差即不同步率=(大-小)/(大+小)≤5%。③時間。在本場調(diào)整后的σcon作用下持荷3 min，應(yīng)隨時補(bǔ)油。

要正確理解并執(zhí)行“以張拉力為主、伸長量校核”的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系。宜采用滿足《自動張拉系統(tǒng)技術(shù)條件》的自動張拉設(shè)備。

17.3 預(yù)應(yīng)力八大損失

1)端?？孜徊粶?zhǔn)確——制作安裝超差使得孔位上抬，改變了合力中心，抗彎截面矩劇減;

2)端模錨穴角度不準(zhǔn)確——水平角、豎直角超差使千斤頂與鋼絞線不同心，產(chǎn)生折角摩阻;

3)預(yù)埋膠管不平順——管道位置偏離及管道摩阻系數(shù)超出初期測試值及張拉力調(diào)整范圍;

4)喇叭口進(jìn)漿不同心——鋼絞線與錨具不同心、折角產(chǎn)生錨口、喇叭口摩阻;

5)張拉限位擋板槽深不匹配——不同鋼絞線線徑使用同一張拉限位擋板，必刮絲或空放;

6)兩端張拉不同步——近似單端張拉，加大了管道摩阻;

7)鋼絞線彈性模量相差大——同束鋼絞線彈性模量差別較大，同時張拉則伸長量相同，應(yīng)力不同;

8)鋼絞線纏繞穿錯孔眼——鋼絞線纏繞從錨板A孔進(jìn)B孔出，凈長度不同，則應(yīng)力不同。

18 結(jié)語

上述各項預(yù)應(yīng)力損失的累積，大大減低了梁體設(shè)計抗裂安全系數(shù)，其中喇叭口進(jìn)漿、錨穴角度偏差產(chǎn)生的折角摩阻及張拉刮牙、纏繞穿錯孔眼所造成的預(yù)應(yīng)力損失不可低估。各項損失的疊加是生產(chǎn)許可證審查時靜載試驗(yàn)開裂屢有發(fā)生的重要原因。

預(yù)應(yīng)力損失控制這一橋梁生產(chǎn)技術(shù)核心應(yīng)被予以高度重視，確保實(shí)存有效預(yù)應(yīng)力在可控范圍，來滿足高鐵后張梁抗裂性要求，保障高速鐵路運(yùn)營安全。

［1］趙少強(qiáng)，別大華，劉建偉.客運(yùn)專線32 m簡支箱梁預(yù)應(yīng)力孔道摩阻試驗(yàn)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2008(2):62-64.

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(責(zé)任審編李付軍)

U448.35

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．05．06

1003-1995(2015)05-0018-08

2015-02-10;

2015-03-20

孫金更(1956—)，男，河北東光人，高級工程師，碩士。