彭闵敏，王洪杰，刁 宇，宋发达

(水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

预应力技术经过多年的发展，已普遍应用于建筑结构、桥梁工程、索塔和楼盖结构等土木工程中。特别是在桥梁工程中，预应力结构以其刚度高、坚固耐用、抗裂性好等优点得到了越来越广泛的应用。随着施工技术的不断发展，桥体跨度不断增大，预应力构件的长度要求也越高，超长张拉技术会面临着预应力折损问题。预应力损失过多，预制构件达不到有效应力设计值，可能给构件甚至结构带来严重的危害。所以在预应力构件制作过程中，不能忽视预应力折损带来的不良影响，需要通过计算来明确影响量来保证足够的安全储备。

有效预应力的影响因素有混凝土的收缩徐变、钢绞线的张拉顺序、锚圈口摩阻损失以及温度变化等。学者们采用试验和数值仿真手段开展了系列研究，例如徐学斌等[1]采用数值模拟的方法，分析研究了同步张拉顺序和预应力批次改变对连续刚构桥预应力损失的影响。对于超长预应力张拉时预应力筋内力的研究，李正军等[2]研究了超长预应力钢绞线预应力在温度变化作用下的影响，研究表明温度变化作用影响明显，温差为11.7 ℃时预应力变化率为11.8%。陈成文等[3]通过实验对超长预应力束的初应力、锚圈口摩阻损失、锚固回缩损失、有效预应力、持荷时间及超张拉荷载进行了测试，并与理论公式计算结果对比，得到了准确的有效预应力。彭元诚等[4]通过数值模拟方法，分析了通常布索方式与交叉锚固布索方式对预应力的不同影响，研究表明，新型布索方式可以明显地控制结构挠度、结构拉应力及预应力损失，有效防止混凝土的开裂。方志等[5]基于某大跨预应力混凝土连续箱梁桥腹板竖向预应力的现场长期测试结果，对箱梁竖向预应力的各种损失进行了分析，结果表明，实测竖向预应力总损失可达其初始张拉应力的45%，锚具变形、钢筋回缩及接缝压缩等引起的损失占其总损失的53%。魏永兵等[6]对某桥竖向预应力损失进行测试，结果表明，采用了二次张拉工艺之后，有效预应力提高7.6%，锚固损失率仅为1.56%和1.28%。但在张拉方式对比研究上，还鲜见报道，仅见许大垒等[7]通过理论公式，分别计算了一端和两端张拉的不同张拉方式下钢束的有效应力减小和伸长量，通过对比分析，发现一端张拉的应力损失大于两端张拉，且伸长量小于两端张拉。但目前对超长梁预应力筋张拉方式和张拉次序造成的预应力损失影响还鲜有报道，因此结合成都市火车北站扩能改造配套市政工程主线桥项目，对其超长预应力单端张拉过程中的预应力张拉技术及质量控制开展研究。

1 预应力损失影响因素

1)混凝土收缩徐变。

混凝土的收缩是在初凝时体积变小，主要由于混凝土体内所含水分的变化、水泥活性以及外界环境等物理化学因素引起。混凝土徐变是由于荷载随时间变化而引起的变形，主要由骨料结合面的裂缝持续发展、混凝土在重力作用下的变形及外部环境等因素引起。

2)钢绞线自身影响。

不同的钢绞线力学特性存在差异，因此在预应力施加过程中出现的预应力损失也不同。钢束在被拉长过程中，施加的力越大，应力损失反而越多。另外，预应力损失也受荷载持续时间的影响，持荷时间越长钢绞线的塑性变形越小，预应力折损减小。

3)施工过程的影响。

在施工过程中，施工单位往往将锚下的控制张拉力作为施工控制张拉力，而不考虑锚环口处的摩擦损失，导致预应力较低。同时，张拉后锚固过程引起的损失，施工张拉预应力张拉控制精度、张拉力与伸长量双控协调等方面也均会引起预应力损失。

4)其他因素影响。

温度梯度应力一般会出现在多箱、多室的箱梁中，使梁体变形增大，进而引起预应力损失。通常梁中的钢绞线将设置一个曲折点，钢束有曲折部分和直线部分。钢绞线在张拉时会出现法向应力，波纹管与钢绞线之间产生摩阻力，进而使得预应力损失。因此，当采用钢绞线的伸长量作为张拉力的控制值时，有必要分段计算钢绞线与管道之间的摩擦力，减小预应力损失。若锚具质量不合格，则在预应力施加过程中会出现过大变形、滑移甚至损坏等情况，导致预应力构件中钢筋放松，从而损失预应力。因此，在选择锚具时，必须根据设计采用正规厂家生产的锚具，以保证每批构件的稳定性，从而准确控制锚具变形引起的预应力损失。

2 工程概况

成都市火车北站扩能改造配套市政工程主线桥全长277.3 m，为单向单车道。梁段为现浇箱梁，三跨跨径为28.5 m×3。箱梁预应力采用17φs15.2钢绞线进行后张法张拉，其中第三联F1钢束长度8 633.7 cm，F2钢束长度为8 609.9 cm，F3钢束长度为8 597.1 cm。桥梁采用C50混凝土进行浇筑，主梁截面采用单箱单室箱梁截面，横截面如图1所示，钢绞线平弯大样如图2所示。钢束数量见表1。

表1 钢束数量表

3 预应力损失数值分析

采取midas Civil创建30 m单跨梁数学分析模型，如图3(a)所示，对预应力折损进行分析。预应力钢绞线按实际图纸布置，分析模型如图3(b)所示，模型除各种施工阶段荷载外，还考虑了收缩徐变、系统温差对主梁的影响，本文只分析纵向预应力损失影响。

3.1 长度及张拉设置影响

预应力折损程度也受时间的影响，在预应力施加瞬间造成的折损为瞬间折损，构件制作完成后，长时间后的折损为长期折损。此外，还需关注不同张拉方式、张拉顺序造成的不同结果。首先不考虑张拉次序的影响，采用同步张拉钢束，仅考虑张拉方式的影响，分别采用双端张拉和单端张拉(张拉末端)两种情况，采用两种不同张拉方式时，钢束的内力分布如图4所示。

如图4所示，单端张拉方式的钢束有效应力与双端张拉方式的钢束几乎一样，但考虑时间长短，长时间折损后的有效应力要略小于考虑瞬间折损的有效应力。为了阐明张拉设置方式对预应力钢束内力的影响，提出张拉设置内力系数η，为单端张拉内力与双端张拉内力的比值。

(1)

其中，Ts为单端张拉内力;Td为双端张拉内力。将数据代入式(1)，内力系数计算成果如图5所示。从30 m的单 跨模型的内力系数η分布可以看出，无论是短期的预应力瞬时损失后的内力，还是考虑了长期损失后的预应力钢束内力，单端张拉和双端张拉的有效应力基本一致，内力分布系数基本保持在1.0左右，因此可知，张拉方式的变化对于30 m左右的单跨张拉的影响较小。

建立全桥85 m模型，共3跨，每跨跨长均为28.5 m，依据图纸坐标布置了12根预应力钢束，如图6所示。进一步分析下张拉设置方法对超长现浇箱梁的有效应力的影响。

钢束的有效应力如图7所示。通过与单跨梁对比，钢束的长度变长，张拉方式不同，钢束的有效应力有明显差别，且越接近固端，有效应力差别越明显，双端张拉方式的有效应力比单端大，即应力损失较小。且相对于仅考虑瞬时折损，考虑所有折损后的有效应力明显降低。

将图7中的不同拉伸方式的有效预应力分布代入到式(1)中计算，得到全桥预应力钢束的内力系数分布，如图8所示。与30 m模型相比，预应力钢束内力分布随着张拉方式不同，表现出明确的区别。从中点处区分，中点-张拉端，双端张拉与单端张拉的内力仍保持较好的一致性。但固定端-中点出现明显的分歧，越接近固定端，区别越明显，瞬时损失的对比三组预应力钢束，F3的η为0.89，F2的η为0.83，F1的η为0.77；在长期预应力损失条件下，对比F1,F2和F3的内力系数，F3的η为0.90，F2的η为0.85，F1的η为0.80，因此F1组预应力钢束瞬时损失的差别最大，其原因在于F1组预应力钢束平弯转角更大，预应力损失也就越多。

3.2 张拉次序影响

一般情况下，钢筋束的张拉顺序是根据以下因素计算确定的：

1)张拉时避免构件截面出现过大的偏心应力状态，以免在混凝土边缘产生拉应力。

2)尽量减小梁体产生过大的上拱度，防止梁体开裂或变形严重。

3)尽量控制预应力损失。因此要考虑不同的张拉次序，考察钢绞线内力分布情况，张拉次序工况如表2所示。

表2 张拉次序工况

将预应力钢束的沿径向分布的内力绘制成图9，从图9可以看出，两种工况下，F1和F2预应力钢束的有效预应力基本一致，F3略有区别，以中心点为分界点，固定端-中点段，工况一中F3预应力钢束有效预应力中略大。中心点-张拉端段，工况二中F3预应力钢束有效预应力中略大。然而，与各工况下的有效预应力值相比，F1仍然具有最大的预应力损失和最小的有效预应力。

4 预应力张拉控制技术

4.1 施工现场实际状态数据测试

对于长度较大的且张拉方式为一端张拉钢束的预应力施工，保证预应力达到要求的关键在于有先进的施工工艺和严谨的施工组织与管理。在施工过程中，通过采取质量控制方法，开展项目现场实测及数据分析工作，进而提高预应力工程质量。

4.2 智能张拉控制

采用智能自动张拉设备以应力为调控指标，将伸长量偏差作为校准参数，精准地控制张拉力和加载速率，同时生成数据与现场实际测量数据进行对比，提高施工质量并降低控制难度，明确理论依据并使控制数据能够更好地与智能控制设备相结合。

采用的主要仪器为智能张拉设备，相较于传统张拉设备，主要优势有：

1)张拉力，分级百分比等数据系统录入，避免现场反复校对中出现错误。

2)压力上升均为智能程序匀速完成，避免人工手动升压、降压速度过快，造成张拉力陡增或双端张拉升压节奏不一致。

3)稳压期间张拉力损失，由系统自动补偿拉力，补偿精准。

4)自动采集伸长数据，计算实际伸长值，精确可靠，避免人工现场计算误差。

5)智能自动张拉设备相比传统手动式张拉设备，稳定性更强，张拉值更接近理论值，并保证数据的准确性。

6)二次张拉低缩短钢绞线垂直预应力锚固体系能显著削减一次张拉放张造成的预应力丧失。

7)摩阻系数测定，准确的摩阻系数有效地减小伸长值计算与实际之间差异，避免钢绞线超张拉等情况的发生。

5 结论

1)研究结果说明，预应力构件及预应力钢束长度越长，一端张拉与双端张拉的预应力折损差异越明显。当模型长度为30 m时，单端张拉和双端张拉两种施工方式导致的预应力损失差别不大，有效预应力基本保持一致。当模型长度大于80 m时，单端张拉的预应力损失大于双端张拉，最小内力系数达到0.77；因此，在实际张拉过程中，应对较长梁段单端张拉预应力的张拉控制应力进行适当调整，以确保结构有效预应力达到设计值。

2)在预应力施加过程中，钢束的有效应力会随着张拉次序的不同而改变。因此，为了避免过多的应力损失，需进行分析计算得到合理的张拉次序。