預(yù)應(yīng)力技術(shù)施工中若干關(guān)鍵問題的探討

張 偉 馮大闊 孫兵權(quán)

中國建筑第七工程局有限公司 河南 鄭州 450004

1 研究背景

充分利用高強鋼材和高強混凝土是節(jié)約建筑材料的重要手段，預(yù)應(yīng)力技術(shù)作為實現(xiàn)材料有效利用的重要途徑而被我國建筑業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃和十項新技術(shù)作為重點推廣的項目。隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)已逐漸應(yīng)用于型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)、空間鋼結(jié)構(gòu)、高聳構(gòu)筑物、壓力容器等中，同時其應(yīng)用機理已不局限于節(jié)約材料、控制構(gòu)件開裂和變形，預(yù)應(yīng)力作為調(diào)整結(jié)構(gòu)受力分布和不利因素的主控技術(shù)手段，已被應(yīng)用于加固結(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)變形以及連接結(jié)構(gòu)[1-3]。

隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其受自身施工工藝和施工設(shè)備限制出現(xiàn)了諸多較為共性的質(zhì)量問題，本文從預(yù)應(yīng)力技術(shù)張拉工序中有效預(yù)應(yīng)力施加的實際值與設(shè)計值偏差較大，預(yù)應(yīng)力灌漿施工工序中灌漿料水灰比配料不準確、注漿不密實，預(yù)應(yīng)力摩擦阻力損失值選取不準確，施加預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反向變形影響地面工程、裝飾裝修工程施工質(zhì)量等4個方面進行深入的分析和探討，以期為今后預(yù)應(yīng)力施工提供借鑒和參考。

2 張拉工序智能化控制

2.1 張拉工序智能化控制的必要性

預(yù)應(yīng)力張拉是預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)質(zhì)量起到?jīng)Q定作用。傳統(tǒng)施工方法中受人工操作和監(jiān)測手段的限制，難以保證張拉力值的準確性、同步性、對稱性、停頓時間及進油速度，造成有效預(yù)應(yīng)力施加的實際值與設(shè)計值存在較大偏差，致使施工質(zhì)量水平不滿足規(guī)范要求，影響預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

2.2 預(yù)應(yīng)力張拉智能化系統(tǒng)的工作原理和施工工藝

預(yù)應(yīng)力張拉智能化系統(tǒng)包括計算機、油泵、千斤頂及傳感器系統(tǒng)，綜合利用了計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、信息技術(shù)及控制技術(shù)（圖1）。計算機設(shè)計安裝有控制軟件，對初始張拉應(yīng)力值、終端張拉應(yīng)力值、伸長量、加載速度、穩(wěn)壓時間、超張拉比例等控制參數(shù)進行計算、設(shè)計及輸入。傳感器系統(tǒng)設(shè)計有位移傳感器和壓力傳感器，位移傳感器實測千斤頂伸長值，將位移值數(shù)字轉(zhuǎn)換為信號傳送給計算機張拉控制系統(tǒng)，高精度傳感器安裝在千斤頂端部，壓力傳感器安裝在千斤頂?shù)倪M油端和回油端，兩者的差值為千斤頂張拉力。

圖1 智能張拉系統(tǒng)控制原理

計算機主機通過采集、接收位移傳感器和壓力傳感器數(shù)據(jù)信號，并將數(shù)據(jù)與設(shè)置的參數(shù)進行對比分析，誤差值與限值偏差較小時，控制系統(tǒng)將自動調(diào)節(jié)變頻電機的工作參數(shù)，實現(xiàn)實時高精度調(diào)控油泵電機的轉(zhuǎn)速、張拉力、加載速度；誤差值與限值偏差過大時，控制系統(tǒng)將產(chǎn)生報警信號并停止工作，直至檢查維修完成后方進行工作（圖2、圖3）。

圖2 張拉智能系統(tǒng)主機

圖3 預(yù)應(yīng)力智能化張拉儀控制屏

計算機控制系統(tǒng)自動保存并生成了施工全過程的應(yīng)力和位移曲線，通過信息平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，項目業(yè)主、監(jiān)理、監(jiān)控及施工單位各方都可遠程對施工質(zhì)量進行在線監(jiān)督和管控，張拉數(shù)據(jù)自動存儲節(jié)省了人工的測量和記錄數(shù)據(jù)工作，提高了工作效率，確保了數(shù)據(jù)的真實性、可靠性。

3 灌漿工序智能化控制

3.1 灌漿工序智能化必要性

預(yù)應(yīng)力張拉后管道注漿密實度決定了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的耐久性能，注漿不密實，空氣和水在波紋管內(nèi)易造成鋼絞線銹蝕，致使預(yù)應(yīng)力損失較大，外部荷載加速鋼絞線銹蝕，造成了鋼絞線斷裂隱患，注漿情況成為決定預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的重要因素。但現(xiàn)階段預(yù)應(yīng)力灌漿設(shè)備較為落后，其質(zhì)量主要取決于施工人員的操作經(jīng)驗和責(zé)任心，施工隨意性大、質(zhì)量可靠性差，灌漿料水灰比、注漿密實度無法得到保證。

3.2 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)智能化灌漿系統(tǒng)工作原理和施工工藝

預(yù)應(yīng)力管道灌漿智能化技術(shù)通過融入電子計算機技術(shù)、自動化控制技術(shù)、信息傳輸技術(shù)，將灌漿料的制作、儲存、壓漿進行集成，計算機控制系統(tǒng)計算并監(jiān)控灌漿料的水灰比、灌漿持續(xù)時間和穩(wěn)壓時間，智能化控制灌漿各階段施工質(zhì)量，具體由計算機控制系統(tǒng)、材料配比控制儀、進漿監(jiān)控設(shè)備、出漿監(jiān)控設(shè)備組成（圖4、圖5）。

圖4 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)智能化灌漿工作系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)針對注漿壓力、壓漿速度、穩(wěn)壓時間進行參數(shù)設(shè)計，采用真空壓漿技術(shù)進行預(yù)應(yīng)力孔道灌漿，水灰比可計量精度為0.5%，流動度可精確至10～15 s。依照設(shè)定的水灰比攪拌注漿，進漿監(jiān)控設(shè)備連接到注漿孔，出漿監(jiān)控設(shè)備連接到出漿孔，開啟注漿設(shè)備，控制系統(tǒng)將自動采集進漿端和出漿端的壓漿速度和壓力，當(dāng)灌漿壓力達到壓力參數(shù)設(shè)計值時進行保壓，保壓時間符合保壓設(shè)定要求時，關(guān)閉注漿泵并對數(shù)據(jù)進行保存。該技術(shù)具有注漿數(shù)據(jù)自動化記錄、灌漿壓力異常自動報警、注漿全過程遠程監(jiān)控的特點，實現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力灌漿的智能化控制，確保了預(yù)應(yīng)力張拉后注漿工序的施工質(zhì)量。

圖5 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)智能化灌漿機

4 摩擦損失最小二乘法準確測定

4.1 摩擦損失準確測定的必要性

在建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的設(shè)計和施工中，有效預(yù)應(yīng)力的準確計算極為重要，其數(shù)值為應(yīng)力控制值扣除預(yù)應(yīng)力損失值，其準確性程度主要取決于預(yù)應(yīng)力損失值的選取，其中摩擦阻力損失所占比例最大。

預(yù)應(yīng)力摩阻損失主要有預(yù)應(yīng)力線性直線段孔道施工偏差引起的摩阻力和曲線段張拉產(chǎn)生的徑向壓力引起的摩擦力。對于不同的工程項目、施工單位、施工隊伍，產(chǎn)生的摩擦阻力損失的差別較大。從計算公式（1）中可以看出，數(shù)值大小主要取決于孔道摩阻系數(shù)μ和孔道偏差系數(shù)k這2個參數(shù)。

σcon——預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉控制應(yīng)力，MPa；

k——孔道偏差系數(shù)；

μ——孔道摩阻系數(shù)；

x——張拉端到計算截面的距離，mm；

θ——張拉端到計算截面曲線孔道部分切線夾角，rad。

4.2 現(xiàn)場試驗測定的具體方法

對于張拉端的預(yù)應(yīng)力張拉控制值Fcon，錨固端的預(yù)應(yīng)力控制拉力F，則有預(yù)應(yīng)力束損失Fs=Fcon－F=Fcon[1－e－(kx＋μθ)]，其中F=Fcone－(kx＋μθ)。對上式選取對數(shù)，令C=－ln(1－Fs /Fcon)，則有kx＋μθ=－ln(1－Fs /Fcon)，kx＋μθ=C，從該式可以看出，xi、θi分別表示每道預(yù)應(yīng)力孔道構(gòu)件的長度及管道彎折角度，k、μ為未知待定參數(shù)。首先選取若干預(yù)應(yīng)力束形有代表性的構(gòu)件做試驗，通過數(shù)理統(tǒng)計方法確定k、μ的數(shù)值，即可以考慮利用最小二乘法來確定經(jīng)驗公式kx＋μθ=C。

在構(gòu)件兩段安裝標定好的應(yīng)力監(jiān)測錨環(huán)，安放千斤頂并將構(gòu)件兩端均初張拉10%σcon，選取其中一端張拉至40%σcon后鎖定，另外一端分別張拉至40%σcon、60%σcon、80%σcon、100%σcon，測定兩端的預(yù)應(yīng)力數(shù)值，卸載并交換兩端位置后重復(fù)上述過程（圖6）。

圖6 預(yù)應(yīng)力摩阻試驗測試布置

5 預(yù)應(yīng)力引起反向變形值確定方法

結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和工程建設(shè)標準主要針對預(yù)應(yīng)力混凝土梁的總變形量af,lim進行限值約束，即標準組合并考慮荷載長期作用影響的撓度af,max減去2倍張拉預(yù)應(yīng)力筋引起的彈性反拱值2fp不超過規(guī)定限值af,lim，在結(jié)構(gòu)施工中通常存在af,max－2fp≤af,lim滿足規(guī)范要求，但fp、af,max數(shù)值均較大這種情況，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的反向變形值較大將影響地面平整度，給裝飾裝修工程帶來不便，因此需要對反向變形fp進行合理的控制。

在計算預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力張拉引起的撓度變形fp時，應(yīng)將施加在構(gòu)件上的有效預(yù)應(yīng)力值進行等效荷載簡化，等效荷載的簡化計算與等值、非等值構(gòu)件截面尺寸、混凝土形心線與預(yù)應(yīng)力筋線形共線、平行、相交有關(guān)。

預(yù)應(yīng)力筋線形與混凝土形心線共線時，有效預(yù)應(yīng)力可等效為端部集中荷載；預(yù)應(yīng)力筋線形與混凝土形心線平行時，等效荷載為端部集中荷載和彎矩；預(yù)應(yīng)力筋線形與混凝土形心線相交時，可等效為端部軸力和剪力；預(yù)應(yīng)力筋線形為曲線過混凝土形心時，荷載等效為端部集中力和均布荷載；預(yù)應(yīng)力筋線形為直線、曲線復(fù)合形式時，應(yīng)分段對應(yīng)荷載等效。預(yù)應(yīng)力構(gòu)件為等值尺寸截面時，剛度可直接取為EcI（Ec為混凝土彈性模量，I為截面慣性矩）；非等值尺寸截面時，剛度為0.85b[ha＋x(hb－h(huán)a)/l]3/12（b為構(gòu)件截面寬，l為構(gòu)件長度，hb為構(gòu)件短邊中較長邊長尺寸，ha為構(gòu)件短邊中較短邊長尺寸，x為計算點到端部距離，yb為構(gòu)件長邊距中心軸偏心距，ya為構(gòu)件短邊距中心軸偏心矩）。

分別繪制預(yù)應(yīng)力等效荷載作用下的端部集中荷載、集中彎矩、剪力、均布荷載及單位力作用下在端部形成的彎矩圖，將等效荷載形成的彎矩圖和單位力作用形成的彎矩圖進行圖乘，依據(jù)截面形式選取構(gòu)件剛度，即可求出預(yù)應(yīng)力作用下引起的撓度Δs1（集中荷載引起的撓度值）、Δs2（集中彎矩引起的撓度值）、Δs3（剪應(yīng)力引起的撓度值）、Δs4（均布荷載引起的撓度值），并結(jié)合實際情況將上述撓度變化值進行疊加，即可求得短期荷載引起的端部預(yù)應(yīng)力反拱值，其數(shù)值的2倍即為長期荷載引起的端部預(yù)應(yīng)力反拱值。

采用彎矩圖乘積分法計算預(yù)應(yīng)力引起的撓度變形值，避免了數(shù)值模擬、軟件計算較大的建模工作量，提高工程技術(shù)人員的工作效率，直接積分計算結(jié)果更為精確，不僅可以作為設(shè)計階段設(shè)計人員對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件總變形量的設(shè)計依據(jù)，而且可作為施工階段工程技術(shù)人員對模板起拱度控制的依據(jù)[4-5]。

6 結(jié)語

通過對預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)中存在的張拉控制力加載不準確、灌漿不密實、摩阻損失取值不當(dāng)、張拉反拱影響地面工程平度整等較為關(guān)鍵性的4個問題進行探討，提出了智能化張拉技術(shù)、智能化灌漿技術(shù)、最小二乘法現(xiàn)場實測摩阻力損失、預(yù)應(yīng)力反向變形圖乘積分法。上述方法操作便捷、切實可行，有助于提高預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)的整體水平。