桥梁预应力混凝土后张工艺精度研究与质量控制1020

1 桥梁预应力混凝土后张工艺精度分析与质量控制 杨仕诚 桥梁预应力混凝土后张工艺一直沿用油泵通过油管驱动千斤顶 千斤顶通过锚 具及钢绞线对混凝土施加预应力的方法 钢绞线 锚具不断更新 各类品牌不断涌 现 各种管理手段更是多种多样 不断完善着操作步骤 张拉设备标定一度严格到 油泵 油管 千斤顶 压力表都要成套进行等等 但是油泵提供动力 千斤顶施加 力值 操作者读取压力表数值控制应力 见下左图 另一操作者用钢板尺量取钢 绞线伸长量记录应变 见下右图 成为惯用桥梁预应力混凝土后张模式 预应力筋张拉锚固 后实际建立的预应力值 与工程设计规定检验值 的相对允许偏差为 5 当采用应力控制方法张拉时 应校核预应力筋的伸长值 实际伸长值与设计计算理论伸长值的相对允许偏差为 6 下称 张拉控制原则 施工过程必须按照应力 5 和应变 6 的张拉控制原则 确保桥梁预应力混凝土后 张构件质量 1 桥梁预应力混凝土后张设备及工艺 1 1 千斤顶 预应力张拉一般采用穿心式双作用千斤顶 为保证张拉作用力的精度一般张拉 千斤顶的标称张拉力宜为所需张拉力的 1 5 倍 且不得小于 1 2 倍 即 千斤顶标称拉力 1 5 张拉力 千斤顶标称拉力 1 2 张拉力 2 操作中只有在上述规定范围内千斤顶的张拉力才准确 过大 特别是接近标称 张拉力时千斤顶的密封件容易出现漏油 在张拉过程中必须根据张拉力的大小 或 者说张拉钢绞线根数的不同配备相应的千斤顶 且不能根据千斤顶的标称张拉力来 施加预应力 下表给出了钢绞线根数对应的千斤顶吨位 千斤顶 t 适用钢绞线根数 1004 15056 20078 250910 300111213 350131415 40014151617 50018192021 例如某工程张拉钢绞线的根数分别为 7 9 13 15 束那么必须配备 200t 250t 300t 和 350t 四个规格的千斤顶 这是为了满足应力 5 和应变 6 要求的张拉控制原则而必须做到的 1 2 初应力的建立对张拉实际伸长量的影响 桥梁预应力混凝土后张工艺在正式分级张拉的初始阶段 必须使钢束中所有钢 绞线的张紧程度能够调整到一致 且所有钢绞线的应力基本相同 以建立起最终的 准确的预应力值 实际操作中应根据钢绞线束的长度区别建立初应力值 见下表 以便更加准确的得到钢绞线的伸长量 满足应变 6 张拉控制原则的要求 3 钢绞线长度初应力2 倍初应力 60m25 50 1 3 后张工艺要点 桥梁预应力混凝土后张工艺必须坚持对称张拉的原则 如下图所示第一步就要 张拉图示左右涂黑束 且必须同步 也就是左右两束使用 4 台千斤顶同时张拉 张 拉时的速率 拉力都须一致 对预应力钢绞线施加预应力时宜对多台千斤顶张拉时的同步性 持荷时间 锚 下的有效预应力及其均匀度等进行质量控制 并应做到在采用两台以上千斤顶实施 对称和两端张拉时 各千斤顶之间同步张拉力的允许误差宜为 2 张拉至张拉应 力时要保证千斤顶具有足够的持荷时间 张拉控制应力的精度宜为 1 5 本段 内容下称后张工艺要点 施工时 配置对讲机 4 台千斤顶同时工作 统一指挥 每台千斤顶有一位操 作者根据压力表控制油泵上的控制阀 另一位操作者根据口令及时测量初预应力 2 倍初预应力 终应力时的伸长量 8 个人服从同一指令 要做到 4 台千斤顶同步 误差小于 2 张拉控制应力 1 5 等后张工艺要点比较困难 或者说 根本不可 能做到 4 2 压力表对桥梁预应力混凝土后张工艺的影响 2 1 压力表精度误差 油泵通过压力表提供给千斤顶动力源 工程一般使用精度 1 5 等级 满量程 60MPa 的工业用压力表 作为应力控制的工具 压力表的允许基本误差绝对值为 PJ 60 1 5 0 9MPa 也就是说 无论压力表指针在哪里 它的读数所产生的相对误差绝对值都是 0 9MPa 其相对误差为读数值越小 相对误差就越大 见下表 例如 某工程预应力张拉时使用精度 1 5 等级 满量程 60MPa 的工业用压力表 当张拉控制应力时压力表读数为 33MPa 其相对误差为 1 0 9 33 2 7 当张拉初应力时压力表读数为 3 3MPa 其相对误差为 1 0 9 3 3 27 3 当张拉 2 倍初应力时压力表读数为 6 6MPa 其相对误差为 2 0 9 6 6 13 6 根据预应力施加过程中张拉控制原则应力 5 的要求 工程一般使用精度 1 5 等级 满量程 60MPa 的工业用压力表其实际测量范围下限为 PJX 60 1 5 5 18 0MPa 实际测量范围上限为压力表满程的 2 3 也就是 40MPa 压力表指针读数的相对误差 601 5 303 0 204 5 109 0 518 0 330 0 5 精度 1 5 等级 满量程 60MPa 的工业用压力表其有效测量范围在 18 40MPa 之 间 在此范围以外的读数均不符合预应力施加过程中张拉控制原则 上例中的初应 力 2 倍初应力的压力表读数均不符合预应力施加过程中张拉控制原则 从相对误 差 1和 2的数值 27 3 和 13 6 都超过了 5 已说明了这一点 2 2 压力表读书相对误差 压力表在施工现场由操作者直接读数 精度 1 5 等 级 满量程 60MPa 的工业用压力表基本形式如右图所示 每一小格 2MPa 正对压力表读取 2MPa 的倍数尚可 读 取奇数 甚至十分位读数基本可视为不可能读出来 也 就说应力有效读数为偶数位 偶数位读数的影响在控制 应力 33MPa 时相对误差为 3 1 33 3 0 偶数位读数的影响在 2 倍初应力 6 6MPa 时相对误差为 3 1 6 6 15 2 2 3 千斤顶 压力表的配套标定 张拉用的千斤顶与压力表应配套标定 配套使用 标定时千斤顶活塞的运行方向应与实际张拉工作状态一 致 标定时的压力机精度应达到 1 标定后要根据标定 数值 由右图中标定压力机读数和提供千斤顶动力的压 力表读数 计算出线性回归方程 计算过程及步骤如下 6 表 标定时施工时 序号 压力机读数油压表读水 使用线性回归方程 确定的千斤顶力值 KNMPaKN 内插 误差 10000 215066 193 2 330011 711 34 3 1 445016 416 480 5 560021 621 620 1 675026 326 771 8 790032 531 91 1 8 810503737 050 1 912004242 200 5 10135047 447 34 0 1 内插误差为施工时使用线性回归方程确定的千斤顶力值与标定时压力机读数之比 根据 公式 1 得 Y 1 05 0 034289X 取 Y 1 05 0 03429X 式中 X 千斤顶提供的力值 kN Y 相应的压力表读数 MPa 根据 公式 2 7 得 该回归方程的相关系数 r 0 999752 取 r 0 99975 该回归方程的相关系数精度较低 仅从对应的内插误差来看就比较大 使用 回归方程确定张拉过程中的控制应力 初应力和 2 倍初应力其精度就较低 例如 张拉控制应力时的油表读数为 33MPa 该读数的内插相对误差为 4 1 8 初应力时的油表读数为 3 3MPa 时相对误差暂不考虑 2 倍初应力时的油表读数 6 6MPa 时 该读数的相对误差约为 4 3 2 压力表在张拉控制应力时各偏差依据误差理论其相对误差和约为 1 3 4 2 式中 1 控制应力时压力表精度相对误差 3 控制应力时压力表读数相对误差 4 控制应力时压力表标定相对误差 代入 得 2 7 3 0 1 8 2 3 8 5 满足张拉控制原则的要求 压力表在张拉 2 倍初应力时各误差依据误差理论其相对误差和为 2 3 4 2 式中 2 张拉 2 倍初应力时压力表相对误差 3 张拉 2 倍初应力时读数相对误差 8 4 张拉 2 倍初应力时的压力表内插相对误差 代入 得 13 6 15 2 3 2 2 16 0 此应力值不会影响张拉控制应力 但是它将直接影响实际伸长量 2 倍初应力 时应力偏差达到 16 0 的情况下测定的 初应力则是在应力偏差远大于 16 0 的情 况下测定的 且对应变影响非常大 不能满足应变 6 的张拉控制原则 3 桥梁预应力混凝土 ZN 后张系统 右图为桥梁预应力混凝土 ZN 后张系 统示意图 张拉千斤顶上安装有压力传感 器 位移传感器 通过导线传送到油泵 油泵除了提供千斤顶动力源以外还要将应 力 应变的数值经过 wifi 无线发射到笔 记本电脑 笔记本电脑按照张拉控制原则发出指令给油泵 加荷至初应力 持荷 15 秒 记录伸长量 加荷至 2 倍初应力 持 荷 15 秒 记录伸长量 加荷至控制应力 持荷 300 秒 持荷中不断补充荷载至控 制应力 记录伸长量 锚固 卸荷 张拉 过程的应力右图中上面两条曲线所示红 篮分别显示预应力钢绞线左右两台千斤顶的应力值 上面两张图组成对称张拉应力 图 下面两张图组成对称这张拉应变图 红 篮两种颜色分别显示预应力钢绞线左 右两台千斤顶的应变值 四张图完整显示四台千斤顶张拉时应力 应变全过程 计 9 施工时 压力机读数油压表读水 使用线性 回归方程 确定的千 斤顶力值 KnMpaKn 10 00 2286 455 030 6 3574 81010 020 2 4862 81515 000 0 51150 72019 98 0 1 61439 22524 97 0 1 71727 83029 97 0 1 82017 33534 98 0 1 92306 94039 990 0 102597 74545 020 0 112888 15050 040 1 序号 标定时 内插误差 钢束 编号 张拉断 面 记录项目 初始行程 15 第一行程 30 第二行程 45 第三行程 45 第四行程 100 总伸长量 mm 理论伸长 量 mm 延伸量误 差 断丝及处理 情况 张拉力 kN 334 80681 701024 101023 302273 10 伸长量 mm 53 2090 00126 5015 80151 70 张拉力 kN 336 30678 001021 101026 302287 40 伸长量 mm 47 8087 90125 3020 70154 80 张拉力 kN 337 60678 301025 001026 502272 50 伸长量 mm 56 7095 10132 4023 20154 80 张拉力 kN 336 30680 101024 701024 702278 80 伸长量 mm 56 4094 00129 7018 90148 90 2281 10 张拉仪4 2281 10 2281 10 2281 10 0 13474 00474 60 张拉仪3 N6 4N6 5 张拉仪1 张拉仪2 设计张拉控制力 kN 2 47485 70474 00 算机记录 事后打印 打印结果如下表所示 4 桥梁预应力混凝土 ZN 后张系统的张拉精度 设备标称精度 张拉力精度 1 伸长量测试精度 0 1mm 4 1 传感器精度误差 设备所用压力传感器最大量程 60MPa 精度 0 25 允许基本误差绝对值为 PZN 60 0 0025 0 15MPa 当工程预应力张拉控制应力为 33MPa 其相对误差为 01 0 15 33 0 5 当张拉 2 倍初应力时压力表读数为 6 6MPa 其相对误差为 02 0 15 6 6 2 3 4 2 传感器读数误差 传感器直接通过显示器显示读数 不涉及读数相对误差 因此 03 0 03 0 4 3 千斤顶 传感器配套标 定 某千斤顶 传感器标定结果 列表如下 10 根据 公式 1 得 b 0 017301168 a 0 074706806 且 Y 0 074706806 0 017301168X 取 Y 0 07 0 01730X 式中 X 千斤顶提供的力值 kN Y 相应的压力表读数 MPa 根据 公式 2 得 该回归方程的相关系数 r 0 99999853 取 r 1 00000 由于压力传感器 精度 0 25 替代了压力表 精度 1 5 所以千斤顶和传感 器配套标定回归方程的相关系数精度较高 仅从对应的内插误差来看就比较小 使用回归方程确定张拉过程中的控制应力 初应力和 2 倍初应力其精度就较高 例如 张拉控制应力时的读数为 33MPa 该读数的内插相对误差为 04 0 1 2 倍初应力时的油表读数为 6 6MPa 时 该读数的相对误差约为 04 0 5 张拉控制应力时 应力偏差并根据误差理论其相对误差和约为 0 01 03 04 2 式中 01 控制应力时传感器精度相对误差 03 控制应力时传感器读数相对误差 04 控制应力时传感器标定相对误差 0 0 5 0 0 1 2 0 3 3 8 5 满足张拉控制原则的要求 张拉 2 倍初应力时各类偏差并根据误差理论其相对误差和约为 0 01 03 04 2 式中 01 2 倍初应力时传感器精度相对误差 11 03 2 倍初应力时传感器读数相对误差 04 2 倍初应力时传感器标定相对误差 0 2 3 0 0 5 2 1 4 5 16 张拉 2 倍初应力时的测量精度达到 1 4 远高于原张拉工艺的 16 满足张拉 控制原则的要求 桥梁预应力混凝土 ZN 后张系统位移传感器的最大测量值 225mm 精度 0 13 远远高于钢板尺的测量精度 因此 该张拉系统完全满足应力 5 和应变 6 的张 拉控制原则 可以确保桥梁预应力混凝土后张构件质量 5 桥梁预应力混凝土 ZN 后张系统的应用 以某 BY 桥 N6 束为例 各段曲线参数如图所示 5 1 计算理论伸长量 列表计算理论伸长量如下表所示 其中实测钢绞线弹性模量取 195000MPa 摩 擦系数 k 取 0 0015 取 0 17 计 算结果与设计给定值如右图右下角 伸长量完全一致 桥梁预应力混凝土后张工艺对孔道的要求非常重要 应力损失的大小与其相关 钢绞线与孔道在直线段和曲线段的局部偏差对摩擦的影响系数 k 以及曲线段钢绞线 与孔道壁的摩擦系数 通过下式可计算钢绞线在孔道中的平均力 kx eP P kx P 1 12 角度弧度 kx k 0 0015 0 17 kx e kx 平均 值 变形 伸长 量 半径 1358 94 5300 00000 00680 0000 0 00680 9932134913530 031 81 998 5 97230 1042 0 00300 0177 0 02070 9795132113350 014 19 170 71 997 7 24590 1265 0 00300 0215 0 02450 9758128913050 013 15 794 69 2030 00000 01380 0000 0 01380 9863127212800 060 51 997 7 24590 1265 0 00300 0215 0 02450 9758124112560 013 15 794 46 1330 00000 00920 0000 0 00920 9908122912350 039 31 997 7 24590 1265 0 00300 0215 0 02450 9758120012150 012 15 794 26 8220 00000 01020 0000 0 01020 9898118711940 042 11 997 7 24590 1265 0 00300 0215 0 02450 9758115911730 012 15 794 36 6750 237 73 350 总长度0 474 总伸长量 某点 的应 力 序 号 实际 长度 转角摩擦系数 式中 预应力筋平均张拉力 N P 预应力筋张拉端的张拉力 N x 从张拉端至计算截面的孔道长度 m 从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和 rad k 孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数 取 0 0015 预应力筋与孔道壁的摩擦系数 取 0 17 在孔道安装中做到了安装坐标允许偏差顺桥长方向 30mm 梁高方向 10mm 理 论伸长量的计算中采用的摩擦系数才有效 才能使得实际伸长量和理论伸长量接近 另外 本例中影响系数 k 和摩擦系数 采用使得理论伸长量计算结果与设计 值完全一致 下一步要使张拉后实际伸长量与理论伸长量接近的必要条件有四 一 P P 13 是孔道安装正确 二是穿束不缠绕 三是计算与实测弹性模量一致 准确 四是张 拉工艺符合后张工艺要点 5 2 孔道安装 如右图所示 该束 5 6 段施工中孔道安装直线平直 曲线圆顺 符合后张预应力管 道安装坐标允许偏差顺桥长方 向 30mm 梁高方向 10mm 的要 求 5 3 穿束 预应力钢绞线应采取整束穿入孔道工艺 穿入孔道前应先编束 编束时应将钢 绞线逐根理顺 防止缠绕 并应每隔 1 5m 捆绑一次 使钢绞线束绑扎牢固 保持 顺直进入孔道 避免钢绞线互相缠绕是提高张拉应力精度的必要条件 5 4 张拉 如第 9 页张拉记录表 N6 4 N6 5 张拉仪 1 张拉仪 2 张拉仪 3 张拉仪 4 行 所 示 1 张拉控制力时应力 应变数值如下表所示 第四行程 100 设计张拉控制力 kN 应力偏 差 总伸长 量 mm 理论伸 长量 mm 延伸量误 差 2273 10 0 4 2287 40 0 3 485 70 474 00 2 47 2272 50 2281 10 0 4 474 60