预应力施工工艺优化初探

　　摘要：预应力钢筋混凝土结构能改善性能、扩大功能，还能够节约钢材、木材、水泥，延长寿命，并具有耐火、耐高压、耐腐蚀、抗疲劳与抗震等优点，是当代工程建设中一种重要的结构材料，也是土建工程的一种高新结构技术。本文对预应力施工工艺的优化进行了探讨。
　　关键词：预应力钢筋混凝土；张拉机；施工
　　前言
　　在预应力施工过程中，材料及各工序必须严格按照设计要求和相关标准、规范、规程操作，以保证完工后板梁的尺寸、变形、性能等达到设计要求，确保施工质量。下面对板梁施工工艺流程中的若干影响预应力质量的工序进行分析。
　　1现行预应力施工机具
　　空心板梁采用后张有粘结预应力施工方法，在经过钢筋制作及钢筋网铺设、预应力筋制作穿束及波纹管铺设、安装模板、浇筑混凝土等工序，硷强度达到设计强度后，即可进行预应力钢绞线的张拉，并按要求采用两端分级张拉。预应力施工机具有预应力张拉设备、穿束设备、灌浆机械及其他辅助设备等。
　　张拉设备是制作预应力混凝土构件时，对预应力筋施加张拉力的专用设备。目前使用的有各类液压拉伸机(由高压电动油泵、液压千斤顶、连接油管三部分组成)、电动或手动机械张拉机和电热式预应力张拉机等，其中最普遍使用的是液压拉伸机。但是随着预应力技术的发展，液压拉伸机的发展显得滞后很多。
　　2现行预应力施工工艺的分析
　　预应力筋张拉施工是预应力混凝土结构施工的关键工序，张拉施工的质量直接关系到构件的质量和安全。张拉施工前应精心组织、策划，做好各项施工准备工作，以保证张拉施工顺利进行。
　　这种张拉方法及双控法是现在普遍采用的方法，但它存在不少缺点，首先，设计要求的张拉顺序，即各预应力筋施加应力的先后已考虑到了在预应力施加过程中对梁体的变形影响及其对各束锁定后锚下应力的影响，但对应力施加过程中梁体变形的发展及最终梁体线型、变形量及其对锚下有效预应力大小的影响无法确定;其次，双控法通过油泵油压表读数及钢绞线伸长值来控制张拉力，但由于油泵油压表自身稳定性和精度、油泵到油管再到千斤顶的摩阻和少量泄漏及压力沿程损失、压力油表和预应力筋伸长量的测量读数误差、预应力筋初张拉伸长量测量的影响、各处摩擦力的不确定性，以及预应力筋松弛、混凝土收缩徐变、锚具变形、各受压部件及构件弹性压缩等对油压和伸长值关系的影响等原因，实际上油泵油压与预应力筋伸长值之间的关系不简单地就是线性弹性变形关系。因此，双控法无法有效控制张拉应力及放张后锚下有效预应力，只能作为一个粗略的校验方法，不能单纯将它就作为预应力施工中确保张拉控制应力的方法:最后，双控法受张拉机具的精度、人为因素影响较大，如张拉机具的标定精度、油压表的精度和稳定性、油泵的性能和阀体的控制精度等都影响张拉控制应力的精度，另外人为控制张拉及测量也影响到张拉质量。
　　3预应力施工工艺优化
　　3.1新型张拉机具简介
　　该仪器在现有传统张拉机具的基础上，根据虚拟仪器原理(将计算机技术与测量技术结合，充分利用计算机的资源实现普通测量仪器不能实现的容量大、复杂处理分析、数据管理、通讯及显示直观、易于升级的能力)，采用计算机自动控制，对油泵进行了自动化设计，对千斤顶进行了适用性改进，并进行了自动控制系统软硬件开发和系统集成及优化。它由液压泵站系统、千斤顶系统、计算机控制系统组成，该仪器的系统组成如图1所示。

预应力张拉锚固自动控制综合测试仪器示意图
　　预应力张拉锚固自动控制综合测试仪是一利，新型张拉及检测仪器，能精确控制张拉力，精度达到1%,(控制精度和重复精度)。由于它是单根张拉，故适应性极广，可对各种不同根数的锚束进行张拉，以单顶代替多顶或大顶，大大减轻了施工张拉设各的规格品种。另外作为有效预应力检测设备，能准确测出单根和整束绞线的锚下有效预应力，精度达到1%。
　　3.2研究中拟采取的几种预应力张拉工艺初步分析
　　施加预应力的方式很多，主要涉及预应力筋的张拉顺序和张拉程序。对于预应力筋的张拉顺序(即各预应力筋施加预应力的先后)，应使构件及结构受力均匀、同步，不产生扭转、侧弯，不应使混凝土产生超应力，不应使其他构件产生过大的附加内力及变形等。因此，无论对结构整体，还是对单个构件而言，都应遵循同步、对称张拉的原则。此外，安排张拉顺序还应考虑到尽量减少张拉设备的移动次数;对于张拉程序(即所施加的预应力是采用一步还是分级、分批、分期、分段张拉到设计张拉控制应力)，应保证混凝土获得必要的预压应力，使预应力损失值不超过允许值，便于控制最终张拉控制应力及使各索受力尽量均匀，使混凝土构件的应力及变形符合设计要求，各预应力筋(束)工作在规定应力范围内，以发挥材料的最大强度。
　　在空心板梁的预应力施工工艺对变形影响的分析研究中，我们通过理论分析、有限元计算及模拟，拟对以下几种预应力张拉工艺:多点同步分级张拉工艺、两端张拉工艺、一端张拉工艺等三种张拉工艺进行分析。由于上述三种张拉工艺基本上涵盖了现有张拉工艺的基本张拉顺序和张拉程序，并在理论和计算基础上提出了理论上优化的张拉工艺—多点同步分级张拉工艺，通过对这三种张拉工艺的分析，可深入了解张拉工艺对空心板梁预应力施工的有效预应力、各索受力均匀性及梁体变形和性能的影响，进而提出最佳张拉工艺，优化预应力施工工艺。
　　①多点同步分级张拉工艺
　　多点同步分级张拉工艺是在空心板梁的预应力张拉时，在每批将每束锚中的一根钢绞线，同时分级张拉到张拉控制应力。在分批张拉时，每批所选择的每束锚中的钢绞线位置应以梁的端面垂直中线左右对称。这样使得空心板梁在施加预应力的过程中受力均匀、对称且同步，不产生扭转、侧弯，不会在锚下等部位产生超应力及过大的附加内力和变形;在施加预应力后，各索受力均匀性高，不会发生像传统逐根张拉时，先张拉的预应力筋的应力受后张拉预应力筋应力的影响而增加不均匀度，这样保证了竣工后梁体的锚下有效预应力值、各索力的均匀性和良好的线型;同时这种张拉工艺可模拟梁体营运中的有效预应力状态，以评估张拉工艺对梁体变形及性能的影响。
　　②两端张拉工艺
　　两端张拉工艺是用张拉设备对预应力筋两端同时同步或先一端在另一端张拉的工艺，适用于较长的预应力筋束。对于两端同时同步张拉工艺，它对梁体两端对称同步施加预应力，有利于梁体变形及预应力筋应力左右对称，减小了预应力损失，但占用设备多，实施难度较大;对于两端先后张拉工艺，虽然两端锚下有效预应力可达到相等，但由于沿程摩阻的影响，沿程应力左右可能不对称，梁体变形左右也不一定对称。
　　③一端张拉工艺

考虑反摩阻作用的预应力筋沿长度方向的应力曲线图
　　一端张拉工艺就是将张拉设备放置在预应力筋一端的张拉形式.在孔道壁光滑(如金属波纹管孔道)、孔道长度不很长、管道曲率半径较大，及锚具回缩应力损失较小的情况下，一端张拉比较有利，而且它张拉次数少，施工简便，成本底，更能满足结构的特殊要求。但需进行合理准确地计算孔道反摩阻和预应力筋的滑动。采用一端张拉时，由于管道的摩阻作用，摩阻力集中在一端的锚、夹具和千斤顶上，朝固定端或跨中方向预应力筋的拉应力有所降低，如图2所示。预应力钢筋锚固后，由于锚具变形、钢筋回缩和接缝压密引起的预应力损失，由于管道反摩阻的影响，在张拉端最大，沿构件的长度方向逐渐减小，最后至零。1)假定锚固后预应力的损失影响长度S≥L/2，这说明跨中应力受到了钢筋回缩等的影响而有所减小，张拉端锚固后的应力小于固定端的应力，可采用一端张拉，再进行补张拉;2)假定锚固后预应力的损失影响长度S<L/2，这时张拉端锚固后的应力大于固定端，一般采用两端张拉，若仍采用一端张拉，需在另一端进行补张拉。
　　4预应力施工多点同步分级张拉工艺试验
　　4.1试验过程
　　①多点同步分级张拉工艺试验
　　在空心板梁混凝土浇筑达到设计强度后，即可进行张拉预应力钢绞线。我们采用经过理论分析、有限元分析模拟得出的理论最优张拉工艺—多点同步分级张拉;张拉机具采用“预应力张拉锚固自动控制综合测试仪”;张拉时单端张拉，另一端再进行补张拉，每一批每束中对称各选择一根，同步张拉;张拉程序为分级张拉，每批张拉时，按30%瓜(78KN),50%C130KN),75%(195KN)(瓜为钢绞线抗拉强度标准值:1860MPa)分三级，前两次各保压停顿1分钟，到达75%锚下控制应力时，保压停顿5分钟后同步放张锚固。
　　张拉工艺试验中，在前端张拉完毕后，用“预应力张拉锚固自动控制综合测试仪”对后端各预应力筋的锚下有效预应力进行检测，再用和前端相同的张拉顺序、张拉程序进行补张拉，然后对完成张拉的梁体前端各预应力筋的锚下有效预应力进行检测。在梁体前后端张拉中，每一批的每一级保压停顿时均记录各应变测点的应变值和变形测点的变形值。
　　②现行实际张拉工艺试验
　　在采用多点同步分级张拉工艺张拉试验完毕后，为了进一步从试验中获得现行工程实际应用的张拉工艺对梁体变形影响的情况，我们将预应力卸除，由空心板试验梁的承制单位按现行实际张拉工艺进行了预应力张拉。由于在多点同步分级张拉时，梁体混凝土己经发生了收缩徐变，甚至可能己经出现了肉眼无法辨别的裂缝，锚具己经产生了变形，钢绞线也发生了一定的松弛等情况，这些都对各材料的力学、物理性能以及梁体的实际力学性能产生了无法精确估计的影响，因此应变测试己无意义，但从梁体变形(反拱、侧弯、扭转等)的量级、趋势角度来看是有一定意义的，这也为验证现行实际张拉工艺的有限元模拟结果提供了有一定参考价值的对比数据。
　　采用工程实际张拉工艺张拉时，张拉机具为ZB4-500油泵和扁锚专用千斤顶(一束整体张拉);采用两端张拉;张拉程序为一次整体张拉到100%保压停顿5分钟，不分级。在每次张拉到100%保压停顿和放张锚固后记录梁体变形测点的变形值。
　　4.2试验结果
　　(l)从试验得出的多点同步分级张拉工艺反拱、侧弯及扭转数据及对比图，可看出在这片试验空心板梁的制作中存在着一些问题，因为多点同步分级张拉工艺是对空心板梁左右对称均匀施加预应力，不应有明显的测弯和扭转发生。这可能是由于施工中混凝土浇筑时左右捣实度不同及施工差异;另外制作场地一侧有较强日照，另一侧背光，没有采取任何混凝土保养措施，这也可能造成左右混凝土性能差异;在查找原因时，也发现左右立面厚度尺寸不同，右立面厚约4mm。对于这种情况，在试验数据与有限元计算数据的对比分析时，对于多点同步分级张拉工艺忽略它:对于工程实际张拉工艺，在试验数据中将多点同步分级张拉工艺试验的扭转、侧弯数值减去，作为其实际试验值。
　　(2)对于反拱，在有限元非线性分析中，可看出，在大约靠近端部L/8处起拱并逐渐向两端及中部扩展，拱度不很大，在最后一级荷载时，中部才拱起达到最大值，同时其它部位的拱度也达到其最大值;而试验结果则显示各部位的起拱都是从第一级荷载开始逐渐起来:不同张拉工艺的最终反拱线型相同。上述起拱情况不同可能是有限元分析中的某些理想假设所致。另外，两种同步张拉工艺的试验及有限元计算的反拱度均大于非同步张拉工艺的反拱度，这与梁体在不同预应力施加顺序下的动态受力情况及承压区裂缝的生成和发展有关，如后施加的预应力对先施加的预应力的影响等，这说明对称同步张拉工艺对空心板梁的动态受力更好。
　　参考文献
　　[1]杨宗放方先和编著.现代预应力混凝土施工.第一版.中国建筑工业出版社.2003年6月
　　[2]傅温主编.高效预应力混凝土工程技术.第一版.中国民航出版社.1996年4月
　　[3]魏承景等编著.预应力混凝土施工.第一版.冶金工业工业出版社.2006年10月
　　