摘要：本论文主要以某某工程高架区间节段桥梁预应力施工为例，从预应力施工的原理及特点入手，对施工过程中的方法及问题以数据参数为依据进行系统的梳理分析，提出了改进的方法，对施工形成了指导性作用。检测方法主要分析讲述反拉法，通过单根钢绞线的张拉荷载与钢绞线伸长量的力-位移曲线的拐点获得锚下预应力值，并运用锚下预应力检测系统实现对张拉过程中采集的数据，绘制了力-位移曲线，从根本上找出了实际施工中的误差及应加强的控制点。对方法的改进和问题形成的结论形成一定的论点及论述。
关键词：预应力施工技术、钢绞线穿束、锚下预应力、反力法、F-S曲线
0 引言
一般的预应力施工主要针对整跨的箱梁或T梁等，某某工程高架区间桥梁的施工工艺主要为预制节段箱梁施工。即在预应力的施工上也有一定意义上的不同，在张拉施工的条件、钢绞线的穿束上有很大的困难，需要在技术等方面做深层次的改进和提高。施工的质量及施工方法是否满足现场施工的需求，还需要检测来确定，本文就当地监测站的检测情况做详细的说明，强调了就施工如何通过检测来监督和改进，进一步提高施工的质量。
1 工程概况
某某城市轨道交通起花卉世界站至广州南站，起点桩号为YCK43+993.000，终点桩号为YCK53+188.000，标段全长9.195km，包括5站5区间，其中高架段6.4km，全部需要预应力张拉施工。
2 预应力施工
2.1 钢绞线下料：
首先要严格按照相关规范及《广东省高速公路建设标准化管理规定》要求，规范存放钢绞线，保证其实用性能，必须存放在干燥、防潮、通风良好、无腐蚀气体介质的仓库内，且必须要有下垫上盖的防潮措施。其存放时间不宜超过6个月，使用前，应严格检查其外观质量，锈蚀严重的额，严禁使用。并且对进场的钢绞线进行检验，未经检验或检验不合格的不能投入使用；钢绞线下料场地应该硬化，平整整洁，无积水，为了使钢绞线端头平整和提高端头质量，钢绞线下料采用砂轮锯或切断机等机械方法切断，并且周围不可以有电焊作业，应避免焊渣或接地电火花损伤钢绞线。下料完成后，需下垫上盖，并尽快完成穿束，防止生锈。
2.2 钢绞线穿束
钢绞线的穿束方式有单根穿束法和整束穿束的方法。
单根钢绞线：先后穿过的钢绞线在管道内的相对位置关系难以控制而极易发生相互缠绕，导致穿束到后期无法穿齐钢绞线。产生的后果有：施加预应力时各根钢绞线受力严重不均匀，容易出现断丝、滑丝现象；钢绞线未穿齐，则无法提供足够的预应力。
整束穿束法：整束穿束法有效的避免了单根穿束法的缺点，更好的控制钢绞线相互缠绕带来的不利影响，同时采用了无缝钢管牵引头，综合考虑，在预应力施工中采用整束穿束的方法。
2.3 预应力张拉
2.3.1张拉设备
本工程采用的是预应力智能张拉系统，张拉千斤顶采用开封市天工预应力机具有限公司生产的YCW4000型千斤顶，为了进一步优化张拉工艺，对千斤顶标定时，以某某交通运输质量监督站的检测设备及工具同时标定，双方数据吻合，保证张拉受力均匀。为了消除油缸活塞进行中出现的爬行（突进），在试验过程中采用排气螺钉排气。为确保预应力值的准确性，定期对张拉设备液压系统各组成部分（千斤顶、油泵、控制阀管路、压力表等）进行检查标定。
2.3.2张拉施工及过程控制标准
⑴预应力束采用张拉力和伸长量双控，并以张拉力控制为主，以伸长值校核。实际张拉伸长量与理论伸长量之差控制在6%范围以内。
⑵在张拉开始前对所有操作预应力设备的人员应进行岗前培训并进行技术交底，以便熟练掌握张拉操作全过程，确保张拉操作的正确性。
⑶箱梁横截面上的预应力束应采用两端对称、同步张拉。
⑷ 张拉应力加载程序为：0→10%σk（初张拉、划线）→20%σk→100%σk（持荷5min）→锚固。
实际伸长量L= C+B-2A（C为终拉伸长实测值，B复拉伸长实测值，A初拉伸长实测值）
⑸两端同时张拉时，应用对讲机随时保持联系，以保证同步
⑹张拉时，每个截面都应尽量避免滑丝、断丝现象，如有发生，每束钢绞线断丝或滑丝不超过1丝，其数量不得超过截面总数的1%，且任何情况下不允许出现整根钢绞线拉断，否则应换索重拉。
⑺当延伸量较大时，应分多个行程进行张拉，每一轮的初始油压即为上一轮的最终油压。张拉行程的确定的应由技术负责人实现设定。
⑻张拉完成后，回油，依次拆卸工具夹片、千斤顶、限位板。
⑼锚固后夹片顶面应平齐，其相互间错位不宜大于2mm，且露出锚具外高度不应大于4mm。
⑽切割外露的钢绞线，使钢绞线露出锚环长度不小于30mm。
⑾张拉时混凝土强度不低于设计强度C50，张拉顺序为先张拉腹板束，再张拉底板束，在张拉预应力束过程中，如张拉完2束时，可以放松部分梁段的吊杆（跨中附近，可占全梁长的2/3），在完成4束后，可全部放松剩余吊杆，直至所有钢束张拉完毕。
3 预应力检测
3.1检测方法
3.1.1应变片检测
预应力筋上贴应变片检测施工中的单索有效预应力，此种方法存在可靠性差、精度低的缺陷，根据现场贴片试验，钢绞线的同一截面上6个应变片示值相对误差有的达到20%，由试验可以得出使用应变片进行钢绞线预应力的测试结果，精度是比较低的。同时应变片损坏率超过80%，并且钢绞线某些截面应变片全部损坏，这说明使用应变片测试单索有效预应力的方法是不可靠的。
3.1.2传感器检测
整束有效预应力大小影响预应力度，其不均匀度影响桥梁线形，不均匀度过大将导致梁体产生有害变形。传统方法通过锚下（即锚垫板处）埋设空心式传感器来检测整束有效预应力，它在预应力工程中应用较为广泛。传感器以轮幅式最佳，精度、稳定性、可靠性及抗偏载能力较强，但价格昂贵，其次是电阻式压力传感器，最后是钢弦式压力传感器，后者价格最低，故应用较广，但对安装要求较高（垂直 度、同轴度），否则测试误差很大（实验证明可达15%以上）。割断钢绞线上安装拉力传感器存在以下问题：一则价格高，二则不可能所有筋都割断，三则不安全因素增加。根据2005年9月25日在云南建筑科学研究院进行的压力传感器的正载、偏载（偏心3～5cm）试验，测试结果表明正载测力误差为2%左右，偏载3～5cm时测力偏差多数在15%左右。正确埋设和使用传感器十分重要，特别是对于振弦式传感器埋设的对中与 垂直会显著影响测试精度，这里还要强调对桥梁健康监测系统，埋设时要进行标定后的认证。长期使用后，应进行相应的精度测试，确保其测力系统的稳定性与可靠性。
3.1.3磁通量检测法
磁通量传感是基于铁磁性材料的磁弹效应原理制成的，当铁磁性材料受到 外力作用时，其内部将产生机械应力或应变，其磁导率会发生相应的变化，从而可以通过测定磁导率的变化来反映应力的变化。该传感器由两个线圈组成，一个初级线圈，一个次级线圈。初级线圈通入脉冲电流，通电瞬间，由于铁芯试件的存在，会在次级线圈中产生瞬时电流，得到一个瞬时电压。电磁感应产生的电压大小依赖于铁芯材料的磁导率，而铁芯材料的磁导率又与铁芯应力状态有关，根据感应电压与应力的关系进行测量。磁通量传感器是非接触性测量，它与常规传感器的主要不同点在于试件是传感器的一部分，能直接感应试件的磁特性变化来测量应力，不损伤结构，不需要对被测件进行表面处理，不破坏构件原有防腐保护层，抗干扰能力强，测量精度较高，安装位置也比较灵活。另外，传感器可直接与计算机系统相连，进行多通道的数据采集和远程监控，是非常有效的一种测量手段。但是，磁通量检测法也存在如下几个缺点：
⑴目前磁通量传感器主要应用于桥梁拉索、吊杆等体外预应力束的应力监测，对体内预应力钢绞线的应力监测相对较少，与其他传感器相比，磁通量传感器成本较高。
⑵磁通量传感器在测量时需要220V的电压，现场需提供电源，操作不太方便。
3.1.4 超声导波检测法
超声导波测试法的理论根据是波动理论和声弹性理论。其原理是利用应力波传输时间对预应力钢绞线应力水平的敏感性，通过应力波的传输时间变化来评价钢绞线中的应力水平。超声导波技术是一种新兴的无损检测方法，因其具有衰减小、模态多、传播距离长、检测面广等优点，现已广泛应用于多种结构健康状况监测研究中，特别适用于管道、锚杆等多种结构中不同类型的结构检测。虽然目前超声导波技术已在国内外预应力损失试验中开始采用，但是仍然处于试验阶段，实用性还有待提高。
3.1.5 等效质量检测法
等效质量法的基本原理是利用激励锤敲打锚头，并通过粘贴在锚头上的传感器来采集锚头的振动响应，从而推算出钢绞线的有效预应力。将锚头与垫板、垫板与后面的混凝土的接触面模型简化为弹簧支 撑体系。该测试方法是一种无损检测方法，具有检测方便、测量精度高、使用范围广的优点，但是也存在一些缺点：⑴测试原理较复杂。⑵对同型锚具需要进行事先标定。
3.1.6 频率法
频率检测技术是一种新型的无损检测方法，能检测出钢绞线在张拉或桥梁运营期间的有效预应力值，从而确定桥梁结构的预应力损失情况。其原理是：预应力筋在张拉及整个使用寿命期间因受力会发生钢绞线的伸长量变化，从而引起振荡频率发生变化，通过测量多谐振 荡器的频率可以推测出钢绞线的应力，进而可以得到预应力筋的有效 预应力，再通过与设计值进行比较就能推导出预应力钢绞线的应力损 失变化规律。采用频率法的主要特点有：具有较高的灵敏度；检测系统结构简单、成本较低、方案易于实现、易于操作；对现场使用条件要求不高；检测速度快，检测效率高。虽然有以上特点，但是还是有很多不足之处：检测精度不高、技术还处于实验室研究阶段、缺乏实际工程的验证。在实际工程中推行度尚不完善。
3.1.7 整束反拉法
锚下预应力的反拉检测方法，其特征在于：包括以下步骤：1）对其外露段施加与锚下预应力方向相反的拉力，采集并记录 拉伸位移数值和拉力数值，以拉伸位移为横坐标，拉力为纵坐标建立 拉伸位移和拉力二维坐标系，在二维坐标系内根据拉伸位移数值和拉 力数值建立拉伸位移－拉力曲线；2）计算拉伸位移－拉力曲线的斜率，斜率为拉伸位移－拉力曲线上一点纵坐标与横坐标的比值；3）判断斜率变化情况，如果斜率稳定，继续施加拉力，如果斜率突然变小，曲线上突变点对应的拉力数值即为锚下预应力数值。
整束反拉法虽然能测试锚下预应力，但是其具有严重的缺点：⑴只能测试整束的合力，不能测试出一束中各根绞线的具体锚下有效预应力值，从而不能判断同束不均匀度的大小情况；⑵检测与张拉是工具夹片夹齿位置变异导致各工作夹片先后离 开锚环或锚杯，先拉出者往往抵住限位板，放张后必然带来灾难性的 乱扣滑丝恶果。⑶只能对所用传感器进行力学精度标定，检测原理混乱。无法进行重复精度标定。⑷传感器在现场的安装误差严重影响其自身力学精度，而且其检测的重复精度低，锚下预应力值误差大，造成工程检测的混乱，影响工程竣工质量，影响桥梁寿命安全和健康发展。
3.1.8 单根反拉法
其检测方式与整束反拉发基本相同，但此种方法有效的弥补了整束反拉法的缺点，其次还有以下优点：
⑴设备操作简便：现场数据采集操作简便，只需按流程连接好装置，启动装置即可。系统安装与传统方法相同，现场操作人员无需再专门培训。
⑵测量准确度高：仪器采用专业可靠的传感器来进行数据采集数字显示，从根本上避免的传统力与位移关系曲线认为选取拐点的误差。仪器智能识别夹片位移动作，并控制油泵工作状态，有效的避免了因过度张拉产生的预应力损失。
⑶安全性高：系统在检测到实际锚下有效预应力值时会自动油泵工作状态进行控制，有效的控制了因操作不当产生的不良后果。
综上所述，传统的钢绞线预应力测量方法，受传感器数量、测量条件、安装工艺、检测技术等因素的影响，都存在某种缺陷，有的测试方法受多种因素的干扰，测量不准确；有的价格昂贵，无法在实际工程中推广使用；有的测试方法会对结构造成一定程度的损失，所测量的数据不准确或不尽充分；整束反拉方法只能进行整束测量，不能进行单根绞线的预应力检测。对此各方进行了深入研究，综合考虑单根反拉法目前是最有效，最合理的，精度最高的检测手段。
3.2单根反拉法锚下预应力检测原理
预应力筋可视为弹性结构体，利用该材料的应力应变特性，对其外露段进行反拉，通过仪器实时跟踪反拉力与反拉产生位移的连续变化值，对其进行曲线拟合，绘制出F-S曲线。同时跟踪曲线的切线斜率变化，进行分析及判断从而终止反拉。
反拉检测方法的检测原理是从拉拔试验检测方法延伸出来的，是专门针对预应力锚下有效有效预应力的检测方法，通过液压千斤顶对预应力筋施加拉力直到设计要求值为止。同时在反拉过程中记录反拉力及预应力筋产生的位移。通过对反拉力值及预应力筋位移的变化的监控，当达到设计预应力值时终止反拉，并从记录的反拉力和位移进行分析，以计算出预应力筋的有效预应力，同时又不破坏预应力筋的现有状况。通过对预应力筋结构分析，提出一种反拉检测方法，对采用一定的方法分析反拉检测得出的数据，进而分析出被检测预应力筋的有效预应力。
3.3 检测要求
有效预应力检测应委托专业检测机构实施。目前，广东省广东交通集团检测中心、广州和立土木工程有限公司、广州诚安路桥检测有限公司、深圳高速工程检测有限公司、当地公路桥梁工程监测站等多家检测机构已陆续开展了相关业务。广东省已建立了相对完整的检测标准及相关要求。各项目可通过招标等方式择优选择，并加强检测过程监管，确保检测结果真实、可靠。根据当地质量监督站的标准，结合本项目工程实际制定如下要求。
3.3.1理论要求
⑴预应力张拉施工完毕后，应按规定对其锚下有效预应力进行抽检。检测频率为：每个预制场前3片必检，后续生产的预制梁按2%的比例抽检且不少于2片，抽查到的构件应对所有预应力筋的有效预应力进行检测；体外索、无粘结筋、竖向筋、先简支后连续结构负弯矩预应力筋抽检比例不宜少于10%，且不少于2束；现浇及悬浇结构按预应力束总数的10%进行抽检，且不少于2束。当发现有效预应力不合格时，应对同类结构加倍抽检。
⑵有效预应力检测应在力筋张拉锚固后24h内进行，检测前禁止切割钢绞线和灌浆。
3.3.2 实测锚下有效预应力应符合以下要求
⑴张拉锚固后的锚下有效预应力应符合设计锚下有效预应力标准值；如设计无相关规定，可按下条执行。
⑵对后张法曲线形配筋，长度不小于16m、抗拉强度fpk=1860Mpa、公称直径为15.2mm的低松弛钢绞线，张拉后的锚下有效预应力应满足表3.2-1的要求，锚下有效预应力的不均匀度的控制宜满足表3.2-2的要求。
表3.2-1 锚下有效预应力大小控制要求
3.3.3 严格有效预应力不合格力筋的处理
⑴当出现单孔平均有效预应力低于设计值或标准值得60%，且同束不均匀度小于±5%时，可以采用补偿张拉法的方式进行处理。
⑵当出现单根锚下有效预应力大小超出单点极值偏差或合格率低于90%、整束或断面锚下有效预应力大小超出允许偏差时，应进一步确定其不合格范围并对所涉及的整束力筋作退索处理后，重新穿束张拉。
⑶当出现同束不均匀度不合格时，应检查并改进梳编穿束工艺。当出现有效预应力大小、同断面不均匀度不合格时，应停止张拉施工并重新检定张拉设备，验证其精度和可靠性。必要时，应改进张拉工艺和张拉设备。整改后，应通过检测确认其效果后方可继续施工。
⑷对于退索会危及结构、施工安全的特殊情况，经设计单位复核梁的承载能力满足设计要求时，可不退索。
⑸退索处理中退出的钢绞线和夹片应报废处理，严禁重复使用。
3.4 检测设备介绍
我项目委托的第三方检测单位为当地公路桥梁工程监测站，采用仪器设备名称（中文）为：锚下预应力检测仪，又称预应力张拉锚固自动控制综合测试仪，型号：MYLJC220-D，其生产厂家为重庆忠诚预应力工程技术有限公司。预应力张拉锚固自动控制综合测试仪是根据弹模效应与最小应力跟踪原理研发。当千斤顶带动钢绞线与夹片沿轴线移动0.5mm时，即测出锚下有效预应力值。因为检测张拉时，夹片只随钢绞线轴线移动0.5mm，远低于限位板的限位面，夹片仍牢牢咬住钢绞线，力松开后，夹片与钢绞线相对位置不发生变化，由于钢绞线是弹性体，在比例极限内，力松开后，钢绞线会恢复原状，其锚下有效预应力也不会发生变化。
3.5 检测过程跟踪F-S曲线分析
当开始检测时，由于张拉设备被压紧，空隙排除，位移变化较大，而反拉力变化不大，在F-S曲线中表现为曲线斜率较小，而且慢慢增大，相当于图1中OA段；此段的干扰因素较多，曲线的斜率意义不大，此段长度依赖于反拉前的预紧程度。当反拉继续增大，曲线进入AB段时，曲线的斜率逐渐增大且趋于稳定，产生这段曲线的原因是反拉外露段钢绞线发生弹性变形，钢绞线材料并没有受影响；在该段曲线中取一定间隔内的两点斜率进行实时跟踪，作为终止反拉判别的的依据。继续增大反力，当反拉力大到拉动夹片，钢绞线外露段与自由段共同受力瞬间，在F-S曲线上表现为斜率的突然减小，找到此点对应的F便可推算出锚下预应力；同时根据曲线的斜率突变来警告操作者终止反拉，防止对钢绞线的破坏，从而实现对运营中的钢绞线的不损坏。
图3.5-1 跟踪F-S曲线
以下为我部第六跨、第七跨（改进前、后）节段梁检测的结果对比：
表3.5-1 第六跨、第七跨预应力检测结果对比
4 结语
反拉法检测有效预应力的方法是一种较为简单的静力检测方法，检测精度较高，检测过程中影响检测结果的因素主要分为两类：操作过程中引起的误差和预应力锚索本身状态。对于操作过程中引起的误差应该尽量最小化。预应力钢绞线本身状态对检测的结果影响较大，同时也是影响检测结果的主要因素。根据两跨的检测结果结合现场施工分析总结，影响检测结果的因素主要有以下几个方面：
夹片与预应力筋、夹片与锚具之间摩擦接触情况；预应力筋与孔壁之间的接触状态影响。
改进措施：严格按照《广东省高速公路建设标准化管理规定》要求，规范存放原材料，保证其实用性能。
匹配面预应力孔道接口处，因混凝土外溢，造成孔口处，孔径偏小，影响后期钢绞线串束及检测。
改进措施：加强节段梁预制质量控制，确保预应力孔口完好，施工时注意孔口封堵，及时对不合格的孔口进行处理。
预应力孔道，存在波纹管破损、变形，混凝土填充孔道现象，影响钢绞线穿索。
改进措施：加强波纹管制作质量控制，使用前严格检查，并注意成品保护，确保满足要求在进行使用，浇筑混凝土之前波纹管内穿入衬管，两端进行有效封堵。
预应力孔道匹配面接口处错台、预应力孔道与设计弧度存在偏差，引起孔道内的摩阻力增加或减少，影响同截面预应力不均匀度，从而影响到锚下预应力检测。
改进措施：加强节段梁预制匹配质量控制，减小接口错台误差，严格按照设计及规范要求步骤放置波纹管，精确安放波纹管，确保浇筑混凝土及振捣时不产生位移及变形，漏浆，浇筑时造成混凝土浆液堵塞波纹管。
预应力筋采用单根穿索工艺且未进行有效的梳编，钢绞线可能在波纹管内部相互缠绕造成钢绞线受力偏差过大，从而影响锚下预应力的检测。
改进措施：预应力筋下料完成后，应用梳束板或相应的锚具梳束、编束，逐根理顺，并绑扎成束，绑扎间距宜控制在1.5m以内，防止力筋相互缠绕。必须采用整束穿束工艺，穿束过程中可以前后拖动，但不得扭转。穿束完成后，应检查钢绞线和锚具孔编号是否一致，防止钢绞线穿错锚孔。现场实际操作如下图4-1、图4-2、图4-3、图4-4所示。
图4-3 锚具的编号与钢绞线对应 图4-4 钢绞线穿束完成后的效果
参考文献：
［1］粤交监督【2014】126号，广东省交通质监站关于进一步加强桥梁预应力张拉施工质量管理的通知；
［2］《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011）
［3］粤交基【2015】1304号，关于进一步加强广东省公路桥梁预应力工程质量管理的指导意见；
［4］《桥梁预应力及索力张拉施工质 量检测验收规程》（CQJTG/T F81-2009）
［5］当地交通运输工程质量监督管理手册（2014年）
论文作者:王士野
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/7/30
标签：预应力论文; 钢绞线论文; 位移论文; 曲线论文; 拉力论文; 应力论文; 传感器论文; 《基层建设》2019年第9期论文;