箱梁顶板负弯矩预应力筋的张拉数值计算

摘要：预应力筋的张拉数值计算和测量是预应力结构施工质量控制的关键和重点，张拉数值计算是基础、是重中之重。张拉数值计算准确与否对预应力构件的质量和使用寿命起着决定性的作用。张拉数值计算涉及内容多、步骤复杂、难度大。以某高速公路A2标预应力钢筋混凝土箱梁顶板负弯矩预应力筋（低松弛钢绞线）的张拉数值计算为例，介绍了桥梁工程中箱梁顶板负弯矩预应力筋的张拉数值计算内容、计算方法、计算步骤、要点和注意事项。

Abstract： Numerical calculation and measurement of prestressed tendon is the key point of construction quality control of prestressed structure， and tension numerical calculation is the foundation and the most important. Whether the tension numerical calculation is accurate or not plays a decisive role in the quality and service life of the prestressed component. Tensioning numerical calculation involves the content， more complicated and difficult steps. Taking the tension numerical calculation of negative prestressed tendons （low relaxation strand） of prestressed reinforced concrete box beam on A2 highway as an example， this paper introduces the numerical calculation， calculation method， calculation steps， main points and points of attention of the tension moment of negative bending moment prestressed reinforcement of box beam roof in bridge engineering.

關键词：箱梁；顶板；负弯矩；预应力筋；张拉；数值

Key words： box beam；roof；negative bending moment；prestressing tendons；tension；numerical

中图分类号：U445.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）14-0089-03

0 引言

预应力混凝土构件广泛应用在各种建筑工程中。预应力筋的张拉是预应力混凝土构件施工中的核心技术，对预应力混凝土构件的质量起着决定性的作用。预应力筋的布设位置、形式多样，施工难度各不相同，但施工精度要求高、注意事项多，尤其是负弯矩预应力筋的施工更有许多不同的特别要注意之处[1]。先简支后连续箱梁被广泛应用到大中型桥梁中，它是一种介于简支结构和传统连续结构之间的桥梁上部结构形式[2]，但桥梁结构中负弯矩张拉不被大家重视，影响了桥梁的安全和使用寿命[3]。预应力筋的张拉数值计算是预应力筋张拉质量控制的关键和重点。准确计算负弯矩预应力筋理论伸长量是控制张拉施工质量的基础[4]。本文以某高速公路A2标预应力钢筋混凝土箱梁顶板负弯矩预应力筋（低松弛钢绞线）的张拉数值计算为例，介绍了桥梁工程中箱梁顶板负弯矩预应力筋的张拉数值计算内容、计算方法、计算步骤、要点和注意事项。

1 工程概况

某高速公路A2标段主线全长7.000公里（起讫桩号为K210+000～K217+000），共有大桥949.6米/5座，大桥上部结构选用标准跨径为25米、30米的先简支后连续装配式预应力混凝土连续箱梁。

箱梁顶板负弯矩预应力筋设计采用低松弛高强度钢绞线，采用BM15-5、BM15-4扁锚体系。预应力筋孔道采用金属波纹扁管。负弯矩束布设及材料技术参数详见表1。

2 计算准备工作

计算准备工作是为负弯矩束相关数值计算收集必须的数据和依据。主要包括对预应力筋（钢绞线）取样检测、张拉设备检定、测定影响预应力筋计算长度的结构尺寸等。

2.1 预应力筋取样检测

预应力筋取样检测主要是通过对购入施工现场的钢绞线按规定方法和频率制取试样。送有资质单位检测，对材料的质量进行验证、复核，对比产品出厂合格证的数值；同时为预应力筋张拉相关数据计算提供钢绞线准确的必须数据（如面积AP、弹性模量Ep等）。

2.2 张拉设备标定校验

负弯矩预应力筋张拉采用电动高压油泵（含压力表）、穿心式单根千斤顶各2台。压力表表面最大读数为张拉力的1.5～2.0倍，标定精度应不低于1.0级[5]。

在张拉前张拉机具应在有相应资质的检验计量单位进行仪器仪表的标定，为张拉提供依据[6]。千斤顶与压力表必须配套校验，以确定张拉力与压力表之间的关系曲线。根据大量的试验数据分析研究，张拉力与压力表读数之间具有一元线性方程关系，可以用一元线性回归方程表示如下：

Y=a×X+b （1）

式中：Y：压力表读数（MPa）；X：张拉控制力（kN）；a为系数（无单位）；b：修正值（MPa）。a、b的值因压力表、千斤顶及组合不同而不同。

通过式（1）可以计算负弯矩预应力筋张拉表见值，进行分级测量、计算预应力筋伸长值。

2.3 测定影响预应力筋计算长度的结构尺寸

张拉预应力筋必须安装锚具和千斤顶，锚具、千斤顶占用一定的预应力筋长度，其中千斤顶工具夹片到锚垫板之间的预应力筋也被张拉、伸长，对预应力筋的伸长值计算和测量直接产生影响，故必须测量这部分预应力筋的长度，也即工作锚具的厚度B、千斤顶顶压器外端与工具夹片内端之间距离D（如图1）的和。

3 张拉力计算

3.1 预应力筋张拉控制应力（бcon）

根据设计规定，钢绞线张拉锚下控制应力为бcon =0.75fpk=0.75×1860=1395MPa。由于施工工艺、获取质量控制数据等的需要，张拉必须分行程进行，бcon是唯一的依据，如张拉需要行程为10%бcon、20%бcon、100%бcon，相应的锚下应力为139.5MPa、279.0MPa、1395MPa。据此，可进行预应力筋张拉端的张拉力P、预应力筋张拉理论伸长量植的计算。

3.2 预应力筋张拉端的张拉力（P）

预应力筋张拉端的张拉力P（N）可由下式计算求出：

P=бcon×Aρ×n×c （2）

式中：бcon：预应力筋张拉控制应力（Mpa）；Aρ：预应力筋的截面面积（mm2）；n：同时张拉预应力筋的根数，此处n=1.0；c：超张拉系数，不超张拉时为1.0。

预应力筋张拉端的张拉力P不是固定数值，张拉力P随每批钢绞线实际送检测得或钢绞线生产厂家提供的截面面积Aρ值不同而不同。如某批钢绞线检测得Aρ=140mm2则计算P得：P=1395×140×1×1.0=195300（N）。

各个阶段的张拉控制力依据设计给定锚下张拉控制应力带入式（2）可分别求得（见表2）。

3.3 张拉压力表读数计算

张拉压力表读数是进行张拉施工控制的依据。压力表读数用各阶段张拉控制力数值带入式（1）求得。必须注意每个压力表读数都必须由张拉力带入式（1）求得，不得以某次计算得到的压力表读数再按张拉行程按比例计算其他行程压力表读数。因为关系方程中的相关系数和修正值是关键所在。尽管两者计算结果相差有时非常小。这是经常被忽视的一个问题。现以一次实际标定得关系方程来计算压力表读数并作比较以更直观地说明此问题，计算及比较结果详见表3所示。

4 预应力筋计算长度（L）

预应力筋计算长度（L）既不是设计图纸中包含工作长度的束长，也不是锚固端之间的束长。是张拉受力时参与伸长的分段预应力筋长度之和，对于两端张拉的预应力筋来说等于两张拉端千斤顶工具夹片内端之间预应力筋的长度。包括锚固端之间的束长（T）、工作锚具厚度（B）、千斤顶顶压器外端与工具夹片内端之间距离（D），也即预应力筋计算长度L=T+2B+2D。此处预应力筋为直线且两端张拉，可以以预应力筋的中点作为计算截面，即以（T+2B+2D）/2长度值带入相关公式计算每端理论伸长值，然后合计求和取得整束预应力筋的理论伸长值。

5 理论伸长值（ΔL）计算

5.1 计算依据

按文献[5]，预应力筋的理论伸长值ΔL按下式分段计算叠加。

5.2 伸长值计算

由上述式（2）、（3）及设计图纸相关数据，分别计算得30m、25m箱梁顶板负弯矩束张拉理论伸长值。现列出30米箱梁顶板负弯矩束张拉理论伸长值如表5所示。

5.3 伸长值控制范围

根据文献[5]规定张拉采取“双控制”，预应力筋采用应力控制方法张拉，以伸长值进行校核，若理论伸长值和实际伸长值之间的差超过±6%时应立即停止张拉，找到原因并解决后，方可继续张拉[7]。预应力筋伸长值的控制范围为：

6 张拉实际伸长值计算

根据文献[5]张拉程序为0→初应力（量伸长量初读数L1）→бcon持荷5分钟（量伸长量终读数L3）→锚固。实际施工时，在施加应力前，钢绞线处于松曲状态，此时不能作为钢绞线伸长值的起点，而钢绞线恰好被作用至绷紧状态的应力较小且不易掌握。为了准确测算预应力筋实际发生的所有伸长值，文献[5]提出钢绞线在初应力作用下的非弹性伸长值可以用公式求出或采用相邻阶段推算法获得。根据工程实践检验，大都采用相邻阶段推算法。此法具有简便易行、数据准确可靠等优点。具体的操作方法如下：

按0→10%бcon→20%бcon→100%бcon三个阶段，共量出三个伸长值，即：

第一阶段0→10%бcon，量伸长量初读数L1；

第二阶段10%con→20%бcon，量伸长值为L2；

第三阶段20%con→100%бcon，量伸长量终读数为L3。

由第一、二阶段可以推算出钢绞线非弹性伸长值ΔL''=L2-L1。张拉实际伸长值为：

ΔLs=（L3-L1）+ΔL''=（L3-L1）+（L2-L1）=L3+L2-2L1。

实际伸长值理论上还应考虑锚环的压缩量，由于此值很小而一般予以忽略不计[8]。

7 结论

影响预应力筋张拉数值和施工质量的因素很多，如孔道平顺、位置正确等，负弯矩管道精确定位可有效保障后续施工顺利进行和工程质量[9]。

张拉力、压力表读数、钢绞线理论伸长值等的计算必须认真、准确、严谨，要有专人计算、另外有人复核。张拉有专人记录、测量伸长值，现场实测值与理论值进行比较，对张拉应力进行校核[7]。张拉应力及压力表读数计算错误可能导至断丝、伸长率超出控制范围等事故。检查张拉应力及压力表读数是否计算错误直至重新送检钢绞线。

必须在预应力筋的张拉设备标定及原材料检验、张拉理论伸长值计算与伸长值范围确定、以及现场张拉控制与记录等各个环节加强全面质量意识，认真做好自检、互检、验收。务必做到计算测量精确、操作方法正确和施工工艺控制严格。

箱梁顶板负弯矩预应力筋的张拉数值计算内容、计算方法、计算步骤、要点和注意事项等同样适用于其他形式梁板顶板负弯矩预应力筋、以及正弯矩预应力筋，只是预应力筋数量、张拉设备型号不同相关参数须做相应调整。

参考文献：

[1]刘小力，叶松，熊明祥，等.箱梁顶板负弯矩预应力筋扁形施工[J].安徽建筑，2010，17（3）：56-57.

[2]田耀娟.调整张拉槽口确保箱梁负弯矩钢束准确定位施工[J].山西建筑，2014（28）：176-177.

[3]陳春星.箱梁负弯矩预应力筋的张拉施工控制[J].中国公路，2013（10）：124-125.

[4]刘瑞定.桥梁负弯矩预应力筋理论伸长量及油表读数计算的研讨[J].四川水泥，2015（4）：213.

[5]中交第一公路工程局有限公司.JTG/TF50-2011公路桥涵施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[6]张月明.探讨桥梁预应力T梁的施工技术与质量控制[J].黑龙江交通科技，2014，4（242）：86，88.

[7]熊明祥.龙潭湾大桥施工项目管理[D].西安：长安大学，2014.

[8]郭继红，熊军.某大桥T梁预应力筋施工技术和质量控制[J].商品与质量：科教与法，2014.

[9]崔广永，熊明祥，俞里.先简支后连续箱梁预制施工质量控制要点[J].价值工程，2014，33（354）：131-132.