后张法预应力钢绞线伸长量的计算与智能张拉控制

杨志刚　王朋振

摘 要：预应力施工是一项技术性很强的工作，预应力筋张拉是预应力砼结构的关键工序，施工质量关系到桥梁的安全和人身安全，所以施工质量要严格要求。该文通过在南林高速公路NLTJ-2标主线跨S209省道桥后张法预制箱梁的施工，就预应力钢绞线伸长量的计算与智能张拉控制进行总结。

关键词：后张法预应力 伸长量 智能张拉

中图分类号：U44 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（a）-0088-02

南乐至林州高速公路是河南省高速路网规划中南乐—安阳—林州高速公路的重要组成部分，是南林高速公路河南省与山东省的接头段。主要技术指标为双向四车道高速公路，设计速度120 km/h，主线路基标准宽度为28 m，其中行车道宽2 m×2 m×3.75 m，左侧路缘带宽2 m×0.75 m，右侧硬路肩宽2 m×3.5 m（含右侧路缘带2 m×0.5 m），土路肩2 m×0.75 m；路面横坡为2%，土路肩横坡4%，路基边坡坡率1∶1.5，两侧设边沟。主线跨S209省道桥设计为4×35先简支后连续桥梁，桥面横坡利用盖梁来调整。全长147 m，桥面宽度13.5+18.95 m，净空5.5 m，交角135°，错幅布置，灌注桩基础，下部结构为柱式墩+肋板台，上部结构为35 m预应力砼组合箱梁。预应力钢筋采用1×7股，高强度、低松弛钢绞线，公称直径φs=15.2 mm，标准强度fpk=1860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa。预应力管道成孔方法采用金属螺旋管成孔法。

1 施工准备

1.1 会审设计图纸，熟知设计参数

首先在施工图纸施工说明中查阅关于预应力钢绞线的规格，预应力钢束采用1×7股，高强度、低松弛钢绞线，公称直径15.2 mm，标准强度为fpk=1860 MPa弹性模量Ep=1.95×105 MPa。松弛率ρ=0.035，松弛系数ζ=0.3。锚具变形、钢筋回缩按6 mm（一端）计算，管道摩阻系数μ=0.25，偏差系数k=0.0015。箱梁混凝土达到设计强度的85%后，且混凝土龄期不小于7d时，方可张拉预应力钢束，锚下控制应力为Δk=0.75 fpk=1395 MPa。

根据钢绞线试验结果取得钢绞线实际弹性模量Ep=1.95×105 MPa。

1.2 原材料检测

原材料委托有公路工程检测资质的检测单位检测。金属螺旋管根据《公路桥涵施工技术规范》要求检测；锚具根据《公路桥梁预应力钢绞线用YM锚具、连接器规格系列》及《公路桥梁预应力钢绞线用锚具、连接器试验方法及检验规则》之要求检测；钢绞线根据《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224-2003之要求检测

2 理论伸长量计算

后张法预应力钢绞线在张拉过程中，主要受到以下两方面的因素影响：一是管道弯曲影响引起的摩擦力，二是管道偏差影响引起的摩擦力；两项因素导致钢绞线张拉时，锚下控制应力沿着管壁向跨中逐渐减小，因而每一段的钢绞线的伸长值也是不相同的。

2.1 计算公式

《公路桥梁施工技术规范》中关于预应筋伸长值ΔL的计算按照以下公式：

（1）

《公路桥梁施工技术规范》附录G-8中规定了Pp的计算公式：

（2）

从公式（1）可以看出，钢绞线的弹性模量Ep是决定计算值的重要因素，它的取值是否正确，对计算预应力筋伸长值的影响较大。所以钢绞线在使用前必须进行检测试验，弹性模量一般为Ep=（1.96～2.04）×105 MPa，钢绞线的截面积取公称截面积140 mm2，弹性模量取实测值Ep=1.95×105 MPa进行计算。

公式（2）中的k和μ是后张法钢绞线伸长量计算中的两个重要的参数，其大小取决于管道的成型方式、预应力筋的类型、表面特征是否光滑、表面是否有锈斑，波纹管的布设是否正确，弯道位置及角度是否正确，成型管道内是否漏浆等等，各种因素在施工中的变动很大，还有很多是不可能预先确定的，因此，摩擦系数的大小很大程度上取决于施工的精确程度。实际计算取设计给定的参数计算，即k=0.0015和μ=0.25。

3 分段计算原则

整束钢绞线在进行分段计算时，首先是按设计给定的起弯点计算各分段的水平距离，按设计图纸给定的纵坐标计算起弯点的垂直距离。

3.1 工作长度：工具锚到工作锚之间的长度，工作段长度=650 mm，计算时不考虑μ、θ，计算力为张拉应力，采用公式1直接进行计算，Pp=千斤顶张拉力=1395 MPa；

3.2 波纹管内长度：计算时要考虑μ、θ，计算一段的起点和终点力。每一段的终点力就是下一段的起点力。每段的终点力与起点力的关系如下式：

（3）

各段的起终点力可以根据公式（3）从张拉端开始进行逐步的计算。

3.3 根据每一段起点力Pq代入公式（2）中求出每一段平均张拉力Pp。

3.4 根据Pp代入公式（1）计算出每一段的伸长值ΔL，相加后得出全长钢绞线伸长量。

4 伸长量计算

钢束N1、N2、N3、N4曲线段半径5000 cm，N5曲线段半径3000 cm，预应力筋采用4Φ15.2 mm的钢绞线束，fpk=1860 MPa，锚下（张拉）控制力为Δk=0.75 fpk=1395 MPa，Ep=1.95×105 MPa，孔道采用金属螺旋管。采用简化法计算理论伸长量，如表1所示。

当k=0.0015，μ=0.25总伸长量ΔL=（3.57+29.13+90.97）×2≈247 mm

设计引伸量为242 mm，取设计引伸量为伸长量控制值，即242 mm。

5 现场控制伸长量范围endprint

根据《公路桥梁施工技术规范》规定“实际伸长值与理论伸长值的差值应控制在6%以内，否则应暂停张拉，待查明原因并采取措施予以调整后，方可继续张拉”。

从上述计算中，当k=0.0015，μ=0.25时，总伸长量ΔL=247 mm，符合规范规定的控制范围。但在实际施工时由于管道成型后表面特征是否光滑、表面是否有锈斑，位置偏差大小，弯道位置及角度是否正确、成型管道内是否漏浆等因素影响，规范中提供的μ是一个变值，因此取设计引伸量242 mm作为伸长量控制。

6 预应力智能张拉

预应力智能张拉是指桥梁结构预应力利用计算机智能控制技术，通过仪器自动操作，完成钢绞线的张拉施工。本工程采用联智桥隧生产的LZ59S10型智能张拉专家。其具有以下优点：

（1）智能张拉依靠计算机运算，能精确控制施工过程中所施加的预应力值，张拉各阶段自动补张拉至规定值，能将张拉力误差范围控制在±1%。

（2）系统传感器实时自动采集钢绞线伸长量数据，反馈到计算机，自动计算伸长量，及时校核伸长量，与张拉力同步控制，实现真正“双控”。

（3）控制系统按规范要求设定加载速率、停顿点和持荷时间等张拉过程，排除人为、环境因素影响；同时可缓慢卸载，避免冲击损伤夹片，减少回缩量，且可准确测定实际回缩量。

（4）一台计算机控制两台或多台千斤顶同时、同步对称张拉，实现“多顶两端同步张拉”工艺。

（5）系统采用无线采集控制，远程监控，便于操作，模块化设计，具有较高的可靠性及可维护性；掌握梁板信息和张拉有关的技术信息，实现验收评估自动化。

7 张拉施工

智能张拉仪连接，并连接好设备电源进行调试，连接无线网络。正常后运行软件。

（1）点击主界面“修改”按钮，输入工程项目信息、包括张拉力值、混凝土强度、千斤顶编号、回归方程、张拉仪IP地址、千斤顶吨位等信息。点击“保存”按钮，保存输入内容。

（2）在主界面点击“构件种类”按钮，进入T梁或箱梁构件信息页面，再点击“构件输入”按钮，设置张拉梁板的具体参数，包括张拉梁号、张拉工艺、单根张拉控制力、孔号、钢绞线根数、理论伸长量等信息。检查无误后点击“保存”按钮。

（3）点击“启动张拉程序”按钮即可启动“预应力智能张拉系统”的控制界面。点击“开始张拉”按钮，仪器开始工作。

张拉人员此时密切注意观察电脑上显示的压力读数、位移指示的显示值与目标值的对比，并实现理论伸长量与实际伸长量的校核。

张拉过程中，如有异常情况立即点击“暂停张拉”，进行相关检查，排除异常情况后，方可继续张拉。

（4）每一孔张拉完成后，设备自动退顶，保存数据，并自动跳到下一个张拉步骤。

8 结语

理论伸长量计算中，采取的是两端张拉，钢绞线对称布置，在进行伸长量计算时是计算一半钢绞线的伸长值然后乘以二的方法。钢绞线的分段原则是将整根钢绞线根据设计线形分成曲线连续段及直线连续段，而不能将直线段及曲线段分在同一段内。 预应力筋的伸长量计算方法有多种，常用的平均力法及简化计算法在很多工程施工中也能够满足精度要求，这里我仅以简化计算法作了简单的介绍总结。

预应力智能张拉施工是《高速公路施工标准化技术指南》的要求，智能张拉采用多种创新性设计，精确控制张拉力值大小，精确测量预应力筋伸长量，实现自动补张，自动采集预应力筋伸长量，及时校核伸长量误差，能真正实现“双控”操作。

参考文献

[1] 公路桥涵施工技术规范（JTJ 041-2000[S].北京人民交通出版社.

[2] 周水兴.路桥施工计算手册[M].北京人民交通出版社.

[3] 高速公路施工标准化技术指南：第四分册（桥梁工程）[M].人民交通出版社.endprint

根据《公路桥梁施工技术规范》规定“实际伸长值与理论伸长值的差值应控制在6%以内，否则应暂停张拉，待查明原因并采取措施予以调整后，方可继续张拉”。

从上述计算中，当k=0.0015，μ=0.25时，总伸长量ΔL=247 mm，符合规范规定的控制范围。但在实际施工时由于管道成型后表面特征是否光滑、表面是否有锈斑，位置偏差大小，弯道位置及角度是否正确、成型管道内是否漏浆等因素影响，规范中提供的μ是一个变值，因此取设计引伸量242 mm作为伸长量控制。

6 预应力智能张拉

预应力智能张拉是指桥梁结构预应力利用计算机智能控制技术，通过仪器自动操作，完成钢绞线的张拉施工。本工程采用联智桥隧生产的LZ59S10型智能张拉专家。其具有以下优点：

（1）智能张拉依靠计算机运算，能精确控制施工过程中所施加的预应力值，张拉各阶段自动补张拉至规定值，能将张拉力误差范围控制在±1%。

（2）系统传感器实时自动采集钢绞线伸长量数据，反馈到计算机，自动计算伸长量，及时校核伸长量，与张拉力同步控制，实现真正“双控”。

（3）控制系统按规范要求设定加载速率、停顿点和持荷时间等张拉过程，排除人为、环境因素影响；同时可缓慢卸载，避免冲击损伤夹片，减少回缩量，且可准确测定实际回缩量。

（4）一台计算机控制两台或多台千斤顶同时、同步对称张拉，实现“多顶两端同步张拉”工艺。

（5）系统采用无线采集控制，远程监控，便于操作，模块化设计，具有较高的可靠性及可维护性；掌握梁板信息和张拉有关的技术信息，实现验收评估自动化。

7 张拉施工

智能张拉仪连接，并连接好设备电源进行调试，连接无线网络。正常后运行软件。

（1）点击主界面“修改”按钮，输入工程项目信息、包括张拉力值、混凝土强度、千斤顶编号、回归方程、张拉仪IP地址、千斤顶吨位等信息。点击“保存”按钮，保存输入内容。

（2）在主界面点击“构件种类”按钮，进入T梁或箱梁构件信息页面，再点击“构件输入”按钮，设置张拉梁板的具体参数，包括张拉梁号、张拉工艺、单根张拉控制力、孔号、钢绞线根数、理论伸长量等信息。检查无误后点击“保存”按钮。

（3）点击“启动张拉程序”按钮即可启动“预应力智能张拉系统”的控制界面。点击“开始张拉”按钮，仪器开始工作。

张拉人员此时密切注意观察电脑上显示的压力读数、位移指示的显示值与目标值的对比，并实现理论伸长量与实际伸长量的校核。

张拉过程中，如有异常情况立即点击“暂停张拉”，进行相关检查，排除异常情况后，方可继续张拉。

（4）每一孔张拉完成后，设备自动退顶，保存数据，并自动跳到下一个张拉步骤。

8 结语

理论伸长量计算中，采取的是两端张拉，钢绞线对称布置，在进行伸长量计算时是计算一半钢绞线的伸长值然后乘以二的方法。钢绞线的分段原则是将整根钢绞线根据设计线形分成曲线连续段及直线连续段，而不能将直线段及曲线段分在同一段内。 预应力筋的伸长量计算方法有多种，常用的平均力法及简化计算法在很多工程施工中也能够满足精度要求，这里我仅以简化计算法作了简单的介绍总结。

预应力智能张拉施工是《高速公路施工标准化技术指南》的要求，智能张拉采用多种创新性设计，精确控制张拉力值大小，精确测量预应力筋伸长量，实现自动补张，自动采集预应力筋伸长量，及时校核伸长量误差，能真正实现“双控”操作。

参考文献

[1] 公路桥涵施工技术规范（JTJ 041-2000[S].北京人民交通出版社.

[2] 周水兴.路桥施工计算手册[M].北京人民交通出版社.

[3] 高速公路施工标准化技术指南：第四分册（桥梁工程）[M].人民交通出版社.endprint

根据《公路桥梁施工技术规范》规定“实际伸长值与理论伸长值的差值应控制在6%以内，否则应暂停张拉，待查明原因并采取措施予以调整后，方可继续张拉”。

从上述计算中，当k=0.0015，μ=0.25时，总伸长量ΔL=247 mm，符合规范规定的控制范围。但在实际施工时由于管道成型后表面特征是否光滑、表面是否有锈斑，位置偏差大小，弯道位置及角度是否正确、成型管道内是否漏浆等因素影响，规范中提供的μ是一个变值，因此取设计引伸量242 mm作为伸长量控制。

6 预应力智能张拉

预应力智能张拉是指桥梁结构预应力利用计算机智能控制技术，通过仪器自动操作，完成钢绞线的张拉施工。本工程采用联智桥隧生产的LZ59S10型智能张拉专家。其具有以下优点：

（1）智能张拉依靠计算机运算，能精确控制施工过程中所施加的预应力值，张拉各阶段自动补张拉至规定值，能将张拉力误差范围控制在±1%。

（2）系统传感器实时自动采集钢绞线伸长量数据，反馈到计算机，自动计算伸长量，及时校核伸长量，与张拉力同步控制，实现真正“双控”。

（3）控制系统按规范要求设定加载速率、停顿点和持荷时间等张拉过程，排除人为、环境因素影响；同时可缓慢卸载，避免冲击损伤夹片，减少回缩量，且可准确测定实际回缩量。

（4）一台计算机控制两台或多台千斤顶同时、同步对称张拉，实现“多顶两端同步张拉”工艺。

（5）系统采用无线采集控制，远程监控，便于操作，模块化设计，具有较高的可靠性及可维护性；掌握梁板信息和张拉有关的技术信息，实现验收评估自动化。

7 张拉施工

智能张拉仪连接，并连接好设备电源进行调试，连接无线网络。正常后运行软件。

（1）点击主界面“修改”按钮，输入工程项目信息、包括张拉力值、混凝土强度、千斤顶编号、回归方程、张拉仪IP地址、千斤顶吨位等信息。点击“保存”按钮，保存输入内容。

（2）在主界面点击“构件种类”按钮，进入T梁或箱梁构件信息页面，再点击“构件输入”按钮，设置张拉梁板的具体参数，包括张拉梁号、张拉工艺、单根张拉控制力、孔号、钢绞线根数、理论伸长量等信息。检查无误后点击“保存”按钮。

（3）点击“启动张拉程序”按钮即可启动“预应力智能张拉系统”的控制界面。点击“开始张拉”按钮，仪器开始工作。

张拉人员此时密切注意观察电脑上显示的压力读数、位移指示的显示值与目标值的对比，并实现理论伸长量与实际伸长量的校核。

张拉过程中，如有异常情况立即点击“暂停张拉”，进行相关检查，排除异常情况后，方可继续张拉。

（4）每一孔张拉完成后，设备自动退顶，保存数据，并自动跳到下一个张拉步骤。

8 结语

理论伸长量计算中，采取的是两端张拉，钢绞线对称布置，在进行伸长量计算时是计算一半钢绞线的伸长值然后乘以二的方法。钢绞线的分段原则是将整根钢绞线根据设计线形分成曲线连续段及直线连续段，而不能将直线段及曲线段分在同一段内。 预应力筋的伸长量计算方法有多种，常用的平均力法及简化计算法在很多工程施工中也能够满足精度要求，这里我仅以简化计算法作了简单的介绍总结。

预应力智能张拉施工是《高速公路施工标准化技术指南》的要求，智能张拉采用多种创新性设计，精确控制张拉力值大小，精确测量预应力筋伸长量，实现自动补张，自动采集预应力筋伸长量，及时校核伸长量误差，能真正实现“双控”操作。

参考文献

[1] 公路桥涵施工技术规范（JTJ 041-2000[S].北京人民交通出版社.

[2] 周水兴.路桥施工计算手册[M].北京人民交通出版社.

[3] 高速公路施工标准化技术指南：第四分册（桥梁工程）[M].人民交通出版社.endprint