浅析后张法预应力钢绞线理论伸长值的计算.doc

1、浅析后张法预应力钢绞线理论伸长值的计算 摘要：高速铁路的设计和施工中，桥梁工程占了很大的比重。桥梁工程大量采用后张法预应力箱梁或预应力混凝土连续箱梁。在相关的设计文件及规范中，均要求预施应力钢绞线采用张拉应力与伸长值双控的措施，因而预应力筋理论伸长值的计算就成为预应力施工过程中重要的技术工作之一。本文根据工程实际，谈谈如何进行预应力钢绞线理论伸长值的计算。关键词：后张法 钢绞线 伸长值 计算。 1、 后张法预应力钢绞线伸长值计算的重要性在客运专线预应力混凝土预制箱梁暂行技术条件（铁科技2004120号）第3.3.15条明确规定：预施应力值以油压表读数为主，以预应力筋伸长值作校核，按预应力筋实际

2、弹性模量计算的伸长值与实测伸长值相差不得超过±6；实际伸长值宜以20%张拉力作为测量的起始点。在设计文件中，给定的理论会长值是在预先设定的喇叭口及锚具损失、管道偏差系数、管道摩阻系数的情况下计算出来的，而实测的叭口及锚具损失、管道偏差系数、管道摩阻系数往往与预先设定值是不一样的，因此，工程实际中，需要结合实测的相关参数对钢绞线理论伸长值重新进行计算。在工程实际中，有些技术人员没有熟练掌握钢铰线伸长值的计算方法和要领，张拉记录中填写不规范、不详实、甚至错误的情况彼此可见。因此钢绞线理论伸长值的计算就相当重要，也是现场参建技术人员必须熟练掌握的基本技能之一。后张法预应力钢铰线伸长值计算与

3、现场控制的重要性主要体现在以下几个方面：（1） 钢绞线理论伸长值计算正确，并在张拉过程中测量准确，根据偏差情况，并进一步查明原因，有利于过程的质量控制:技术人员可以从侧面判断控制应力实施情况，避免控制应力不足，或超张拉；可以了解张拉设备的工作状况；可以查明钢绞线本身的质量缺陷；促进张拉工艺的不断改进等多个方面的质量控制。（2） 管道摩阻系数k和管道偏差系数与实际伸长值的大小影响比较大，而这两个参数的大小，主要取决于管道位置的精确程度。在实际工程施工中，相同的设计文件，相同的工程材料和施工工艺，而在工程施工过程中对预应力管道孔道孔道形状和位置偏差控制不严，使实测的管道摩阻系数k和管道偏差系数却远

4、远大于正常水平，而不得不增加控制应力的情况。在施工过程中通过实测伸长值与理论会长值的比较，在施工过程中不断的改进成孔工艺，确保正确的孔型和孔道位置，对预应力工程的质量控制，意义重大。（3） 预应力工程是预制箱梁、现浇连续梁质量控制的重点和难点，施工过程中准确、真实的预应力张拉情况及梁段（箱梁）的变形情况定期的反映给相关单位，有利于施工单位关键工序的技术管理，有利于监理单位的现场监控和设计单位进一步优化设计。 2、 后张法预应力钢绞线理论伸长值与实际伸长值的产生偏差的影响因素预应力钢绞线伸长值的影响因素较多，但主要有以下几个方面的原因：（1） 控制应力的大小：控制应力的大小，与钢绞线伸长值成正比

5、关系；按设计的控制应力进行张拉，这是理论伸长值与实测伸长值相符的前提条件之一。在工程实际中，发现有些技术人员分不清锚外控制应力和锚下控制应力、锚外张拉力与锚下张拉力的定义和区别，就盲目的进行张拉，控制应力使用错误，伸长值计算与控制也成为空谈。 在工程设计文件中，均要求对锚口及喇叭口损失、管道摩阻系数及管道偏差系数等经现场试验确定，如果与设计设定值偏差较大时，应由设计单位对张拉控制应力进行调整。在实际张拉中，一定要将设计的锚下控制应力，根据张拉力调整报告的建议，考虑上喇叭口及锚具损失后，换算成锚外控制应力和锚外控制张拉力，作为钢绞线伸长值计算的起始力，这一点非常重要。（2） 管道摩阻系数k和管道

6、偏差系数的影响：伸长值主要受到以下两方面的因素影响，一是管道弯曲影响引起的摩擦力，即管道摩阻系数k；二是管道偏差影响引起的摩擦力，即管道偏差系数。这两个值的的大小取决于多方面的因素：管道的成型方式、预应力束筋的类型、表面特征、表面是否有锈斑，以及波纹管的布设是否正确，偏差大小，弯道位置及角度等等。各个因素在施工中的变动很大，有一些因素是客观的，有一些很大程度上取决于施工过程质量控制情况。在施工过程中，发现同样的设计图纸，同样的原材料，实测的管道摩擦系数相差很大的情况，说明施工工艺及预应力孔道位置的精确程度对管道摩擦系数的影响很大。（3） 钢较线弹性模量的取值与钢绞线公称截面面积误差：钢绞线理论

7、伸长值与钢绞线的弹性模量和公称截面面积成反比，它们的取值误差直接影响理论会长值的计算。在工程实际中，一般取钢绞线的公称截面面积，取钢铰线的实际弹性模量。钢绞线的弹性模量Ep是决定计算值的重要因素，它的取值是否正确，对计算预应力筋伸长值的影响较大。在预应力混凝土用钢绞线GB/T5224-2003中，标准型钢绞线弹性模量Ep的理论值为Ep=（195±10）Gpa，而钢绞线进场检测试验，弹性模量则常出现弹性模量Ep=（196-204）Gpa的结果，实际的钢绞线的直径都偏大，所以实际计算时，要以该批钢绞线实测弹性模量值Ep进行计算。在客运专线预应力混凝土预制箱梁暂行技术条件（铁科技20041

8、20号）第3.2.10条规定：供应商应提供每批钢绞线的实际弹性模量值。（4） 测量方法的不同：目前测量钢绞线伸长值一般采用测量千斤顶活塞伸长量的方法，以10%-20%k做为测量的初始值。这种方法测量时，因夹片会随着张拉力的增大而产生3-4mm的回缩；同时，夹片在张拉前打紧程序不同，也会产生1-2mm的误差。这对于长度较小或需分级张拉的较长钢绞线时，误差积累会更大。所以，建议采用测量钢绞线绝对伸长值的测量方法。（5） 张拉机具与张拉工艺实施情况：张拉所用的千斤顶与油表必须配套使用，按要求定期对其进行校核；千斤顶的量程应不小于最大张拉力的2倍；张拉时，控制应力的实现是以油压表的读数间接测量的，显然

9、可见，千斤顶和油压表的正常工作正确张拉的前提；在张拉工艺方面，如图纸设计要求两端同步张拉，左右对称进行。在现场实际张拉时，两台千斤顶一定要做到同步操作，协调一致。张拉操作不同步、不协调，对伸长值影响较大，尤其是两侧测量的伸长值差别较大。对于两端同步张拉的对称钢绞线，现场实测两侧伸长值误差，不宜大于10%。3、后张法钢绞线伸长值的计算公式及各参数的意义： （1）关于预应力筋伸长值的计算按照以下公式： （a） （b）式中：L各分段预应力筋的理论伸长值（mm）；Pp各分段预应力筋的平均张拉力，注意不等于各分段的起点力与终点力的平均值（N）；L预应力筋的分段长度（mm）；Ap预应力筋的截面面积（mm2

10、）；Ep预应力筋的弹性模量（Mpa）；P预应力筋张拉端的张拉力，将钢绞线分段计算后，为每分段的起点张拉力，即为前段的终点张拉力（N）；从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和，分段后为每分段中各曲线段的切线夹角（rad）；x从张拉端至计算截面的孔道长度，整个分段计算时x等于L（m）；k孔道每束局部偏差对摩擦的影响系数（1/m），管道弯曲及直线部分全长均应考虑该影响；预应力筋与孔道壁之间的磨擦系数，只在管道弯曲部分考虑该系数的影响。 （2）分段计算时，靠近张拉端第一段的终点力即为第二段的起点力。每段的终点力与起点力的关系如下式： （c）Pz分段终点力（N）Pq分段的起点力（N）、x、k、意义

11、同上由公式（c）可见，钢绞线张拉时，锚下控制应力沿着管壁向梁跨中逐渐减小，因而每一段的钢绞线的伸长值也是不同的。需要说明的是，保证预应力孔道正确的空间位置，线型符合设计，孔壁坚实圆滑，可避免钢绞线在工作状态下，应力均匀递减，不致发生应力突变现象。4、后张法钢绞线伸长值理论会长值计算时的计算方法及注意事项（1）后张法预应力钢绞线在预制构件中的空间线型有对称、不对称两种情况，计算时，从张拉端开始，依次各段的起、终点力，并计算出各段的伸长值后累加即可。在分段时，应根据空间线型把整根钢绞线由拐点将线型分成若干曲线段及直线段，分段进行计算；不能将直线段及曲线段分在同一段内；曲线要素不同的，也应分开。 （

12、2）如果钢绞线的线型是对称的，施工时两端同步张拉，则每一端的伸长量计算至对称中心，总的伸长量乘以二即可；非对称单端张拉的钢绞线，则要从张拉端开始对全长进行计算。 （3）而对于非对称两端同步张拉结构，在计算钢绞线的伸长值时，计算原则是从两侧向中间分段计算，至跨中某一点时钢绞线的受力平衡点，而不是简单的分中计算。本人在实际工作中，对受力平衡点的计算借助EXEL表格，利用试差法进行计算，很容易找到受力平衡点。（4）在实际工程中，一些钢绞线为了梁端锚固空间的需要，在靠近端部时，除了竖弯，也会设置一定的平弯，此时，平弯一般角度较小，一般可以忽略不计，对伸长值的影响较小。如平弯的角度较大，应把两个方向的角

13、度看做是失量，以失量和作为此段的曲线转角。即 (d）：平弯角；：竖弯角（5） 如果梁位于设计的曲线上，则应考虑纵向预应力钢绞线不同的曲线半径引起的工作长度的不同，曲线半径越小，影响越大。在铁路桥梁方面，曲线要素是按左线中心给的，那么左线中心以外的钢绞线，工作长度均会产生不同程度的变化。在实际计算时，应注意这一方面的影响。 5、后张法钢绞线理论伸长值计算公式说明及计算示例：宁安铁路铜陵制梁场生产的32米预应力混凝土箱梁，图纸上给定的锚口及喇叭口摩阻损失为6%，管道摩阻系数u为0.55，管道偏差系数k为0.0015；该梁场于2010年3月25日生产了第一片箱梁，于2010年5月17日由铁道部产品质

14、量监督检验中心铁道建筑检验站做了箱梁预应力摩阻试验，实测的的锚口及喇叭口摩阻损失为4.8%，管道摩阻系数u为0.3548，管道偏差系数k为0.0007（报告编号：（2010）TJ字第W386号），均小于设计文件给定值，质量控制较好；2010年6月份由中铁第四勘察设计院出据的张拉力调整报告给出的预应力张拉力调整结论是：锚下张拉控制应力不做调整，维持原设计；各束钢绞线的锚外张拉力由梁场根据相应的锚下张拉控制应力及实测的锚口和喇叭口摩阻损失、钢绞线根数自行确定。示例：铜陵制梁场32米箱梁N7预应力筋大样图如下（N7线型对称于跨中），预应力钢铰线采用1×7-15.2-1860-GB/ T 5

15、224-2003，钢绞线束数为11j15.2；锚口及喇叭口损失、管道摩阻系数及管道偏差系数、张拉控制应力、钢绞线面积、弹性模量等见下表所示。相差参数序号项目名称数值备注1喇叭口及锚口损失设计值6%/实测值4.8%/2管道偏差系数k设计值0.0015/实测值0.0007/3管道摩阻系数u设计值0.55/实测值0.3548/4弹性模量Ep196GPa该批钢绞线实测值5锚下张拉控制应力k初张拉870MPa设计文件给定终张拉1320MPa设计文件给定6钢绞线面积Ag140mm1j15.2公称截面面积 N7大样图 360 800 R=20000 a=60 梁底 跨中 4330 2091 9879N7(竖

16、弯） 单位：mm146400 R=15000 a=80 1950 2088 12262 N7(平弯） 单位：mm理论伸长值计算表格 预应力钢绞线张拉伸长量计算 张拉钢绞线对称布置,故取半简支梁考虑(以下所有分段均对应于半简支梁):输入已知数据 (注意单位)NK(KN) =2135.3 张拉控制力Ay(mm2)=1540 预应力钢绞线截面面积Eg(MPa)=196000 预应力钢绞线弹性模量k=0.0007 预应力钢绞线孔道偏差系数=0.3548 预应力钢绞线与孔道壁的摩擦系数分段输入各段参数分段一伸长量计算值L(m)(rad)终点力(KN)L1=13.791.950.00000.00290.9

17、9708 2156.2分段二伸长量计算值L(m)(rad)终点力(KN)L2=14.382.0880.13963 0.0799 0.92318 1990.6分段三伸长量计算值L(m)(rad)终点力(KN)L3=1.960.2920.00000.00023 0.99977 1990.1分段四伸长量计算值L(m)(rad)终点力(KN)L4=13.602.0910.174530.06073 0.94107 1872.8分段五伸长量计算值L(m)(rad)终点力(KN)L5=62.029.8790.00000 0.01482 0.98529 1845.3单端总伸长量(mm) L=105.75 总伸长量(mm) L=211.49 说明： （1）NK(KN)=1320*11*140/(1-4.8%)=2135.3KN，考虑锚口及喇叭口损失，此值为锚外张拉力，因考虑到现场测量钢绞线伸长值时，大部分采用的是测量千斤顶活塞伸长值及钢绞线夹片回缩的方法。而这种测量方法，在测量伸长值时，是在千斤顶回油前，在锚外张拉力作用下下产生的伸长值。 注意：锚外张拉力NK(KN)=1320*11*140/(1-4.8%)=2135.29KN当中的除号，而不是乘号；而NK(KN)=1320*11*140*