高鳳山

(杭州市公路管理局，杭州 310030)

復張法在有效應力檢測中的應用分析

高鳳山

(杭州市公路管理局，杭州 310030)

復張法是當前較為普遍的一種有效應力檢測方法，主要用于對混凝土構件預應力鋼絞線進行應力檢測。該方法是對露在構件體外的鋼絞線進行張拉，用測得的張拉力和鋼絞線位移的對應關系來計算有效應力點。復張法進行錨下應力檢測有單根鋼絞線張拉和整束鋼絞線張拉兩種方式。對整束張拉而言，同一束鋼絞線中的預應力不均勻會導致超張拉、欠張拉的情況。本文通過對同一片梁分別進行單根張拉和整束張拉檢測試驗，得出結論：單根張拉及評判較為合理，整束張拉無法得出實際有效應力值。

復張法；鋼絞線；應力檢測

預應力技術在土木工程中應用十分廣泛。預應力施工質(zhì)量與結構使用性能及安全性息息相關[1]，目前預應力施工主要采用數(shù)控張拉技術，該技術是利用計算機智能控制，通過儀器自動操作，來完成對鋼絞線的張拉。數(shù)控張拉技術主要解決了張拉力控制精度、張拉同步性以及張拉數(shù)據(jù)測量準確性的問題，但仍有一系列問題尚未解決：張拉控制應力不合理，預應力損失過大，進而導致有效預應力不滿足要求；同束鋼絞線有效預應力不均勻度過大，同斷面有效預應力大小和均勻度不滿足要求；資料管理不規(guī)范，信息化程度低；缺乏可靠的檢測儀器，成熟的檢測方法以及適當?shù)脑u價手段。因此應對預應力構件進行張拉應力的檢測，以確保構件符合相關標準和規(guī)范。

現(xiàn)行國家及地方規(guī)范對預應力施工的有效應力檢測指標及檢測頻率都有一定的要求。目前工程界較多的是使用復張法來進行錨下有效張拉應力的檢測。復張法首先由Bruce等提出后在日本及香港地區(qū)開展了相關研究，國內(nèi)也進行了少量試驗研究，都是將預應力鋼絞線張拉力取為荷載-位移曲線拐點處對應的荷載值[2]。

復張法原理可靠，檢測精度高，且操作非常方便，已在全國多省的公路橋梁工程中得到了較為廣泛的應用[3]。目前采用復張法進行錨下有效應力檢測有單根張拉和整束張拉兩種方式，由于整束張拉相比單根張拉省時高效，很多工程中傾向于采用整束張拉進行有效應力檢測。然而一束鋼絞線中存在應力不均勻的情況，同時張拉無法得到單根鋼絞線的實際有效應力[4]。本文依托浙江省嘉興市某在建工程中的預應力檢測項目，對同一根梁分別進行單根張拉檢測和整束張拉檢測，通過該實例針對整束張拉存在的問題進行分析。

1 復張法原理

1.1 復張法體系工作原理

采用復張法對預應力構件的鋼絞線進行有效應力檢測，首先在與構件連接的工作錨后依次安裝前端限位板、測力計、后端限位板、穿心式千斤頂。位移傳感器記錄鋼絞線的位移，將位移傳感器和應力傳感器連接到測試系統(tǒng)后進行數(shù)據(jù)的實時采集并繪制荷載-位移曲線，通過監(jiān)控曲線的斜率變化，找出應力拐點，即錨下有效應力點。復張法工作體系如圖1所示。

圖1復張法工作體系

1.2 復張法檢測物理模型

彈性材料中力與變形的關系遵守胡克定律，可按照下式[5]來表達:

式中：△L為彈性拉桿(此處指預應力鋼絞線)的伸長量，mm；F為施加在預應力鋼絞線上的外力，kN；L為受力鋼絞線的總長，mm；E為預應力鋼絞線的彈性模量，MPa，根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2010的表4.2.5，取E=1.95×105MPa；A為預應力鋼絞線的截面積，mm2。目前應用最為廣泛的7絲標準型公稱直徑15.2mm，其截面面積為A=140 mm2。

由上式可得彈性系數(shù)：

復張法檢測技術利用上述物理模型，通過二次張拉預應力構件中的鋼絞線，來繪制其應力-應變曲線，最終剔除各種誤差得到準確的“拐點”，以此作為鋼絞線的有效應力值?，F(xiàn)階段采用復張法進行錨下有效應力檢測有單根張拉和整束張拉兩種方式，下文將對這兩種張拉方式的合理性進行分析。

2 單根張拉及分析

復張法進行有效應力檢測是通過對露在結構體外的鋼絞線進行張拉，隨著張拉力的增大，被測結構體系會經(jīng)歷三個階段：穩(wěn)態(tài)1、非穩(wěn)態(tài)、穩(wěn)態(tài)2。通過測試鋼絞線的張拉力和位移量來計算有效應力點。(當張拉力增大到鋼絞線外露段和結構體內(nèi)段一同受力時，曲線出現(xiàn)拐點，斜率發(fā)生明顯變化，該拐點可認為是鋼絞線的錨下有效應力點。)

圖2 單根張拉示意圖

圖3 單根張拉F-S曲線

圖2所示預應力梁的鋼絞線外露受力段長為0.15m，結構體內(nèi)受力段長為30m，利用復張法對其進行有效應力檢測，千斤頂張拉力為F外，鋼絞線有效預應力為F內(nèi)，張拉過程中產(chǎn)生的摩擦力為F摩阻，我們對整個張拉過程的三個階段進行分析。

(1)當F外

該階段，外力無法拉動內(nèi)部鋼絞線，工作夾片未發(fā)生滑動，鋼絞線被工作錨分為內(nèi)外兩個部分，僅有外部鋼絞線L外=0.15m段發(fā)生形變伸長，該段曲線的斜率k1應為L外段鋼絞線對應的彈性系數(shù)。

(2)當F外≤F內(nèi)+F摩阻時：非穩(wěn)態(tài)階段

該階段，外部應力接近內(nèi)部應力，工作夾片與工作錨正開始發(fā)生相對滑動，由于F外除了克服F內(nèi)外，還要克服工作夾片與工作錨間的摩擦力，因此F-S曲線上往往會出現(xiàn)一個尖峰，然后消失。

(3)當F外=F內(nèi)時：穩(wěn)態(tài)2階段

該階段，尖峰過后，工作夾片完全從工作錨中滑出，F(xiàn)外也對應下降至F內(nèi)。此時外部應力等于內(nèi)部應力，工作夾片已完全滑出，內(nèi)外部鋼絞線成一個整體，發(fā)生形變伸長的鋼絞線長度為L內(nèi)+L外。該段曲線的斜率k2應為L內(nèi)+L外整根鋼絞線對應的彈性系數(shù)。

彈性系數(shù)k1=182000遠大于k2=905，因此在張拉荷載-位移曲線上會出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)態(tài)2的交界點，即所謂的有效應力拐點。

3 整束張拉工程實例及分析

3.1 工程實例

下面通過工程實例來分析整束張拉的有效應力檢測結果。嘉興市某預應力檢測工程中，一片有四根鋼絞線的預應力梁，長30m，首先使用單根張拉法對其進行有效應力檢測，得到四根鋼絞線的實際有效預應力分別是F1=162kN，F(xiàn)2=168kN，F(xiàn)3=170kN，F(xiàn)4=175kN。接著又對該梁進行整束張拉來檢測鋼絞線的有效應力，此過程中不考慮摩擦力。現(xiàn)場檢測結果的數(shù)據(jù)逐步分析如下。

(1)當千斤頂外力F外<162×4=648kN時，由于所有鋼絞線受到的外力都小于自身預應力，因此工作夾片未發(fā)生滑動，鋼絞線被工作錨具分為內(nèi)外兩段。只有外段鋼絞線在受千斤頂拉力，系統(tǒng)整體處于穩(wěn)態(tài)1階段。如圖4、圖5所示。

圖4 整束張拉示意圖-穩(wěn)態(tài)1

圖5 整束張拉F-S曲線-穩(wěn)態(tài)1

(2)當千斤頂?shù)耐饬外=162×4=648kN時，第一根鋼絞線的工作夾片開始滑動，鋼絞線被拉出后內(nèi)外兩段合為一根，出現(xiàn)第一個尖峰，此時有效應力點的最小可能值出現(xiàn)，其余三根鋼絞線仍然是F外

圖6 整束張拉示意圖-非穩(wěn)態(tài)1

圖7 整束張拉F-S曲線-非穩(wěn)態(tài)1

(3)隨著外力的繼續(xù)增大，F(xiàn)外=168×4=672kN時，第二根鋼絞線的工作夾片開始滑動，鋼絞線被拉出后內(nèi)外兩段合為一根，出現(xiàn)第二個尖峰，剩余兩根鋼絞線仍然是F外

圖8 整束張拉示意圖-非穩(wěn)態(tài)2

圖9 整束張拉F-S曲線-非穩(wěn)態(tài)2

(4)外力繼續(xù)增大，F(xiàn)外=170×4=680kN時，第三根鋼絞線的工作夾片開始滑動，鋼絞線被拉出后內(nèi)外兩段合為一根，出現(xiàn)第三個尖峰，只剩余一根鋼絞線仍然是F外

圖10 整束張拉示意圖-非穩(wěn)態(tài)3

圖11 整束張拉F-S曲線-非穩(wěn)態(tài)3

(5)當外力增大到F外=175×4=700kN時，第四根鋼絞線的工作夾片開始滑動，鋼絞線被拉出后內(nèi)外兩段合為一根，出現(xiàn)第四個尖峰，如圖12、圖13所示。

圖12 整束張拉示意圖-非穩(wěn)態(tài)4

圖13 整束張拉F-S曲線-非穩(wěn)態(tài)4

(6)最終，所有鋼絞線均被拔出都成為整體，工作夾片全部脫落，有效應力點的最大可能值出現(xiàn)，系統(tǒng)整體進入穩(wěn)態(tài)2階段，見圖14所示。

圖14 有效應力點范圍

采用整束張拉進行有效應力檢測時，從第一根鋼絞線的工作夾片滑出開始，到第四根鋼絞線的工作夾片滑出為止，共出現(xiàn)了四次拐點，因此無法在該范圍內(nèi)準確判定有效應力點。

3.2 實例分析

上述試驗結果為比較理想的受力情況，四根鋼絞線依次出現(xiàn)了拐點。因此，當外力達到700kN時，有效應力最大的第四根鋼絞線內(nèi)外力均衡，而其余三根鋼絞線的外力早已超出其施加的真實預應力，這種情況下復張拉對預應力構件的承載力及安全性能都會產(chǎn)生不利影響。

另外，實際工程應用中，并非每根鋼絞線的夾片會依次拔出，由于各根鋼絞線預加應力大小不盡相同，會出現(xiàn)多種可能性，因此曲線也將出現(xiàn)多個拐點，從而無法判定有效應力點。

因此，要準確判定鋼絞線束的有效應力，應該通過單根鋼絞線復張法得出每一根鋼絞線的有效應力，然后將這些鋼絞線的有效應力相加從而得出整束鋼絞線的有效應力。關于有效應力評判，可參照重慶市公路工程行業(yè)標準《橋梁預應力及索力張拉施工質(zhì)量檢測驗收規(guī)程》 (CQJTG/T F81-2009)中第6.2.2條表6.2.2-3，對有效應力同束不均勻度作出要求，允許偏差為±5%。因此通過單根鋼絞線復張法檢測到的各根鋼絞線有效應力進行對比，可判斷有效應力同束不均勻度是否在規(guī)范規(guī)定的允許偏差范圍內(nèi)。

4 結 語

本文介紹了復張法進行預應力混凝土構件錨下有效應力檢測的原理，用單根張拉的方式介紹了復張法檢測的工作歷程及有效應力點判定的方法。在某預應力檢測工程中對同一根預應力構件采用單根張拉及整束張拉兩種方式進行檢測。

預應力工程中普遍存在同束鋼絞線應力不均勻的情況[6]。本文案例在整束張拉過程中，由于各根鋼絞線有預加應力不均勻，導致應力-應變曲線中出現(xiàn)多次拐點，無法得出準確的有效應力點，因此整束張拉不便于進行錨下有效應力的檢測；單根張拉則可以準確得出每根鋼絞線的有效應力點，便于進行鋼絞線有效應力的檢測。

[1]羅斌,唐樹名,程曉輝,等.錨下預應力反拉檢測技術[J].公路交通技術，2012,(1)：12-14．

[2]成劍波,姚晨,張峰.反拉法檢測預應力鋼絞線工作應力的模型試驗研究[J].公路與汽運,2015,(3)：181-184．

[3]邵永軍,楊超.橋梁預應力錨索結構錨下預應力檢測技術探討[J]．公路交通科技:應用技術版，2013,9(7)：44-46．

[4]任傳亭,劉偉超,凌天清,等.有效預應力不均勻度初探[J].公路交通技術,2015,(6)：63-67．

[5]單輝祖.材料力學[M].北京:高等教育出版社,2009．

[6]劉偉超.預應力錨索錨固力檢測方法研究[D].重慶:重慶交通大學,2015．

Analysis of Reverse Tensioning Method in Effective Stress Detection

GAO Feng-shan

(Hangzhou Highway Administration Bureau，Hangzhou 310030，China)

Reverse tensioning method is common to detect the effective stress at the moment; it is mainly used to detect the effective stress of pre-stressed steel strands in precast concrete members. The method is to stretch the steel strands which are exposed to the outside of the members, then calculate the effective stress point by tension and steel strand displacement. There are two ways to detect the under-anchorage effective prestress by using reverse tensioning method: single steel strand tension and a whole bundle of steel strands tension. For a whole bundle of steel strands tension, the prestress in the whole bundle is not uniform, there must be some over tension or under tension steel strands. In this paper, the effective stress of a beam is detected by single tension and integrated tension, a conclusion of the experiment shows that we cannot get the real effective stress from integrated tension method.

reverse tensioning method; effective stress; single steel strand; a whole bundle of steel strands; stress detection

2016-10-09

浙江省交通運輸廳科技計劃項目(2015-2-13)

高鳳山(1964-)，男，浙江德清人，碩士，E-mail：hzgl_gao@126.com。

TU757.1

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2016.04.006

1671-234X(2016)04-0030-05