关于精扎螺纹钢竖向预应力损失的监测及其原因分析(修改)

关于对精扎螺纹钢竖向预应力损失的监测及其原因分析钟宁 1 霍晓春1 张雪松2 罗 维2 （ 重庆高速公路发展有限公司1重庆交通大学2） 摘 要：目前国内PC刚构梁高小于8米的竖向预应力普遍采用精扎螺纹钢施工形成，然而竖向预应力损失过大的质量通病一直存在，由于对其具体损失大小的监控和研究工作目前做得比较少，且一直以来缺乏科学的数据和内在原因分析，因此本文依据在新滩大桥左幅箱梁施工过程中对于有效竖向预应力大小的实际监控测量，结合在实际施工和监测过程发现的问题进行一定程度的原因分析，希望对于今后类似精扎钢竖向张拉施工质量控制起到指导作用，同时对设计中充分考虑选定竖向预应力的损失值提供计算依据。关键词：PC箱梁桥 竖向预应力 数据 监测 原因分析 1 引 言目前，刚构梁普遍采用三向预应力结构体系，其中梁高小于8米的竖向预应力更普遍采用精扎螺纹钢，由于精扎螺纹钢施工简单方便，一直受到设计和施工各方的喜爱。但是受其材料本身的影响和施工工艺中人为因素的局限性，使得有时其预应力损失量比较大，由于其起到控制主拉应力大小的关键作用，因此由于损失过大后造成混凝土箱梁斜向开裂的现象十分普遍，且大都为受力裂缝，甚至严重影响到桥梁的使用寿命。起因：由于新滩綦江大桥竖向预应力体系的变更即930级JL32高强螺纹钢筋改为830级JL32高强螺纹钢筋，在竖向预应力钢筋间距不变的情况，由于材料强度的降低，箱梁的主拉应力储备被降低。基于上述原因，设计方提出必须对所有竖向预应力束2124根抽取3%进行张拉力监测，在竖向预应力的施工中埋设测力环（压力传感器），以检测实际预应力张拉效果。为了使竖向预应力束张拉力测试工作有序地开展，同时因此借助本次机会通过监控与分析，及时的掌握箱梁主拉应力的储备情况，从而确保主桥悬臂浇筑施工过程中的可靠度和安全性，保证成桥后受力状态符合设计要求。2 工程概况新滩綦江大桥为西部省际通道重庆绕城高速公路南段上跨越綦江的一座大型桥梁，其主桥为75m+130m+75m的预应力混凝土连续刚构，全长280米。大桥左幅主梁采用单箱单室，三向预应力混凝土箱型截面，竖向采用JL32精扎螺纹钢。箱梁0#块根部高7.8米，跨中及边跨端部箱梁高3.0米；单幅箱梁底板宽9.25米，顶板宽16.5米。腹板除0号块两横隔板间厚度为100厘米外，其余腹板厚分70厘米，50厘米两个等级，9号块为过渡段。主桥箱梁共设置横隔板7道，即薄壁墩处4道，跨中一道，两边跨端部各设一道，0块处和边跨端部隔板均配有竖向预应力。3、监控方案和工作思路3、1压力传感器的选择在新滩綦江大桥上，为了防止因测试线被剪断或因测试线编号丢失，致使传感器无法使用的现象，保证预应力监测长期顺利的实施并能保证足够的精度，经过综合比较，拟选用MGH型振弦锚索测力传感器及配套GSJ2型智能检测仪作为张拉力监测设备。如图1、图2所示。 图1 MGH型振弦锚索测力传感器 图2 GSJ-2A型振弦式传感器智能检测仪3、2监控点位的布置考虑到每个主墩的悬臂端在结构形式上关于零号块对称，且两个T构完全一致，故选取其中的1/4个T构为例，对左幅桥竖向预应力束张拉力测试的测点布置加以说明。新滩綦江大桥采用悬臂对称施工，每个主墩各个15个悬臂施工节段，拟在每个主墩各个施工节段的两个悬臂端都进行竖向预应力束张拉力测试。具体为：在14#、15#两主墩的113号节段的各个悬臂端中各随机选择1根高强螺纹钢筋安装压力传感器进行张拉力监测，故需安装压力传感器52个；由于1415号节段箱梁高度比较低，高强螺纹钢筋比较短，在对预应力束进行张拉时，对张拉力的影响更大，因此，在两主墩（14#、15#）的1415号节段各悬臂端和左右幅现浇段中各随机选择2根螺纹钢筋安装压力传感器进行张拉力监测，故需安装压力传感器24个。15个节段总共需压力传感器76个。3、2压力传感器的埋设部位竖向预应力束张拉力监测可通过在竖向预应力筋螺母与锚碇板之间安装压力传感器来完成。传感器的埋设方法有两种：在张拉端埋设和在锚固端埋设。新滩綦江大桥分别采用在锚固端和张拉段均埋设压力传感器对比监控的方案，但锚固段传感器需要在浇注混凝土之前安装好，将其导线引入箱梁内，其压力传感器所反应的不是实际的张拉力，而是反应了摩擦损失之后的应力值。张拉段可在混凝土浇注后埋设，其监控的是张拉实际力，数据说服力更强一些。3、3对有效竖向预应力的监测思路 竖向预应力束张拉力监测可分如下阶段进行，首先是埋设后测出初始张拉力或初始频率；第二，当施工方进行竖向预应力张拉时，监测方对实际张拉力进行测量。对于压力传感器布置在锚固端，其所反应的数值是经过管道摩阻损失之后的预应力，从而通过对比大致可知管道摩阻所造成的预应力损失。第三，待预应力张拉到位并完成锚固后，监测方及时测出此时的预应力值，由此可知由于锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩造成的预应力损失。由于竖向预应力束较短，此项损失一般占较大的比例。如果此项损失过大，可以及时地通过调整预张拉力的大小来保证竖向预应力中的永存预应力大小。第四，由于混凝土弹性压缩所造成的预应力损失也不应忽略，必须测量被测竖向预应力束后两排的竖向预应力张拉时对其预应力的影响大小。最后，由于混凝土的收缩徐变是造成预应力损失的一个不可忽略的因素，因此需要在张拉完成后一定时间范围内均要进行监测，找出其内在的规律。正因为混凝土浇注之后的短期时间内，混凝土徐变和收缩量较大。因此在竖向预应力筋灌浆后的130天，每天测一次，其后每7天测一次，直至2个月后，每月测一次，直至竣工通车后2年时间。4、竖向预应力监控成果及原因分析4、1 竖向预应力监控成果 通过对于竖向预应力束张拉力的监测和数据统计，由于监测点位密集，我们选择有代表性的14号墩两跨侧竖向预应力的测试结果为例作分析： 部分竖向预应力筋测试结果统计表(左幅14#墩）编 号位 置长度张拉时（KN）锚固后调整后（KN）灌浆后（KN）（cm)（KN）10天30天60天12#节段702.1600.7580.4560.4539.47529.924#节段616.3600.7575.5541.7528.8510.836#节段539.9600.7565.7519.6490.7476.248#节段473.2600.7570.5542.5524.1511.1510#节段408.9600.7545.2512.6479.8465.2612#节段350.3600.7560.7524.2498.2485.5713#节段331600.7460.5569.6532.6515.1498.2815#节段307.6600.7546.4492.1479.2465.19中跨合龙段305600.7535.6507.6484.2486.810现浇段305600.7549.9492.1479.2457.911现浇段305600.7539.5495.6475.2466.6平均值600.75482520.1499.5486.6注：1、调整后指个别预应力钢筋重新张拉竖向预应力筋锚固后的应力值。2、设计张拉控制力为600.7KN。从上表看出，按设计张拉控制力600.7KN，最终实际预应力占设计控制力的81%，60天后实际损失预应力将近20%，钢束总损失中占主要部分的一项为初张拉时由锚具变形、锚固不到位导致钢筋回缩和接缝压缩引起的损失（约占初拉控制力的9），即锚固后瞬间损失，且从数据反映钢束越短则本项损失也大。另一项因素为收缩徐变引起的长期损失也相当可观，到灌浆后10天平均损失约30KN，灌浆后30天平均损失约50KN，灌浆后60天平均损失约63KN（约占初拉控制力的11），但60天后已基本趋于稳定。同时，在第一次张拉传力锚固后有个别竖向预应力筋（7#筋）应力明显较其他钢束偏小，起不到应有的作用，这多半是由于张拉不认真，螺母拧紧度不够造成的，后经过补拉达到较好的效果。由此可见，竖向预应力筋的张拉工艺要求较高，可通过埋设压力传感器来保证竖向预应力筋的张拉满足要求。 依据上述数据初步分析和归纳可基本得出如下几点损失规律和原因：1）锚具变形，钢筋回缩和接缝压缩引起的初期损失约占初拉力的9，此项因素对预应力的损失影响最大，为可控制部分应引起高度重视。2）从实际数据可知，钢束越短则有效预应力损失越大，由此可知尤其要重视对于短束的张拉施工质量的控制。3）收缩徐变引起的损失不可忽略，从实际数据平均开看，约占初拉力的11且呈现出损失时间长，初期损失最大，越往后越趋于逐步稳定的规律和特点，该部分尤其复杂难于控制。4）从实际施工过程来看，相邻预应力筋张拉对于前一批次已张拉精扎钢损失有一定的影响，且纵向合龙索张拉前后也有影响，但相对影响较小，表现为实测竖向预应力的个别异常和不规律性，且可采取调整张拉顺序的方式改善。5）实际施加的有效预应力离散性较大，主要是人为因素的影响占很大部分，必须予以足够的重视。5、确保竖向预应力施工质量的控制措施 针对上述实测数据和原因分析，我们综合精扎钢竖向预应力体系自身的构造特点，施工经验、工艺和细节问题，材料，监控数据分析等多方面因素，提出如下施工质量控制措施：5、1 必须采用正规厂家生产的优质的锚夹具，尤其要重视螺母和垫板的表面硬度和精扎钢和螺母相互匹配的问题，以尽可能减小竖向预应力筋张拉锚固时，由于锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩产生的应力损失。5、2 锚垫板与精扎钢轴线的垂直度偏差大，在施工过程中必须确保精扎钢竖向直立，上下锚垫板放平兵与精扎钢轴线尽可能垂直，这一点非常重要。因为锚垫板与钢筋轴线不垂直，锚固后,螺母端面和上下垫板端面不能很好的贴合，钢筋产生过大的锚固变形损失，同时由于本传感器设备的测试方法的局限性，也使得实测预应力值准确性降低。5、3 关于螺母的拧紧锚固，务必高度重视张拉后对螺母锚固施工的质量，为便于拧紧操作可自行加工合适的扳手，由专人负责认真进行拧紧操作，并加强旁站检查督查，尽可能减小人为因素的影响。同时建议设计专业的进行类似拧紧螺母操作的机械设备代替人工，从而消除人为因素的影响。因为在进行人工锚固时，一般情况是使用自制扳手拧紧螺母，直到拧不动为止，这种非机械化的操作受人为因素影响很大。再者竖向预应力筋的锚固端都设在梁顶的预留槽内，锚固时，工人要弯腰用扳手去拧紧螺母，若预留槽留得深且窄，用扳手就难以拧紧螺母。5、4 由于费用问题不可能每一根精扎钢埋设传感器去监控竖向预应力损失大小，因此最好采用在专门厂家定购扭力扳手进行拧紧作业，通过传感器和扭力扳手所反映数据的对照关系确定实际控制的扭力大小，这样双管齐下提高施工质量的可靠性。因此在此也建议设计图中对此作专门的明确要求，缺点是扭力扳手成本高，专业设计加工相对麻烦。5、5 重视张拉作业前对于垫板顶面残余渣子的清理工作，保证张拉力与垫板垂直非常重要，且完工后及时压浆封锚。5、6 对于竖向预应力建议采取不容易漏浆的塑料波纹管，加强对于接头部位的检查，尤其对于顶部出浆口必须在混凝土浇注前及时用胶带纸封闭好，防止进渣堵塞底部的进浆口影响压浆效果，因为实际情况也证明了往往是进渣后造成压浆管道堵塞。同时建议采用单根从底部压浆的方式。5、7 由于高频率的竖向张拉对精扎钢连接器质量要求较高，建议设计定购连接丝扣更长的专业连接器进行张拉施工，提高张拉的安全性和可靠性。5、8 重视锚固和张拉端混凝土的振捣浇筑质量，包括锚垫板与螺旋钢筋必须绑扎紧贴好，因为混凝土不密实会和局压问题造成其锚垫板下的承压力不够，张拉时，由于锚下局部混凝土拉坏后导致预应力损失过大；5、9 重视压浆配合比的控制和改善压浆工艺，尤其严禁使用过期失效的水泥，提高压浆的质量减小预应力损失。有粘结预应力钢筋防腐蚀性能差，完全依靠压注水泥浆使钢筋与梁体形成整体防腐。由于竖向预应力筋管道铅直，压注的水泥浆在凝固前，管道顶端因水泥浆的沉淀和泌水而留下一段空隙，这段空隙会引起竖向预应力锚固端钢筋和锚具的锈蚀，因此务必通过提高浆体重量和压浆效果，尽可能地减小其影响。5、10 为了减小相邻竖向预应力筋张拉对已张拉部分的损失，尤其是确保竖向预应力施加的均匀性，在此还是建议滞后12个节段张拉竖向预应力钢筋，因为通过计算模拟二种情况分析，相邻的竖向预应力对于临近批次精扎钢对梁体施加竖向预应力的均匀性影响较大，但滞后的距离不应超过梁高长度，否则反而会造成腹板斜向裂纹。5、11 建议对短束进行竖向预应力二次张拉，长束则加强一次张拉质量的过程控制。通过我们实际采用二次张拉后前后监控数据的比较，发现实际变化不大，关键在于施工是否认真，有时候如施工不认真还会造成二次张拉效果不如一次的情况发生。因此完全可以通过提高一次张拉时的质量和监控来提高张拉效果，提高工效。但是对于5米以内的短束(相对而言)建议可二次张拉进一步提高张拉效果。5、12 为了减小相邻竖向预应力筋张拉对已张拉部分的损失，确保竖向预应力施加的均匀性，在此还是建议滞后12个节段张拉竖向预应力钢筋，但滞后的距离不应超过梁高长度，否则反而会造成腹板斜向裂纹。5、13 注意下料的准确性，特别是不能疏忽桥面横坡造成上下游精扎钢的差异，预应力高强精轧螺纹钢筋在非张拉端露出锚具的长度应等于或大于钢筋的直径；在张拉端露出锚具的长度应大于等于六倍螺距或连接器实际长度的一半，张拉结束氧割所留的露出锚具的长度等于或大于钢筋的直径。5、 结 语综上所述，由于人为因素的存在以及精扎螺纹钢材料的性能影响，造成对于短束很小的回缩量也会导致很大的预应力损失，给PC箱梁的开裂留下了隐患。基于此，我们提出如下几点建议：1、由于人为因素和锚固方式缺陷的影响最大，希望能够生产配套专业拧紧设备并改进精扎钢锚具的锚固方式，才能从根本上提高竖向预应力的施加效果和可靠性