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，預應力技術(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。隨著預應力技術(shù)的發(fā)展，預應力結(jié)構(gòu)已逐漸應用于型鋼-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，同時其應用機理已不局限于節(jié)約材料、控制構(gòu)件開裂和變形，預應力作為調(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]。

隨著預應力技術(shù)在更多領域的廣泛應用，其受自身施工工藝和施工設備限制出現(xiàn)了諸多較為共性的質(zhì)量問題，本文從預應力技術(shù)張拉工序中有效預應力施加的實際值與設計值偏差較大，預應力灌漿施工工序中灌漿料水灰比配料不準確、注漿不密實，預應力摩擦阻力損失值選取不準確，施加預應力產(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，以期為今后預應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

預應力張拉是預應力施工技術(shù)的關鍵環(huán)節(jié)，對預應力系統(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，造成有效預應力施加的實際值與設計值存在較大偏差，致使施工質(zhì)量水平不滿足規(guī)范要求，影響預應力結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

2.2 預應力張拉智能化系統(tǒng)的工作原理和施工工藝

預應力張拉智能化系統(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）。計算機設計安裝有控制軟件，對初始張拉應力值、終端張拉應力值、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、設計及輸入。傳感器系統(tǒng)設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 預應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

預應力張拉后管道注漿密實度決定了預應力結(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，致使預應力損失較大，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應力結(jié)構(gòu)的重要因素。但現(xiàn)階段預應力灌漿設備較為落后，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 預應力結(jié)構(gòu)智能化灌漿系統(tǒng)工作原理和施工工藝

預應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)控設備、出漿監(jiān)控設備組成（圖4、圖5）。

圖4 預應力結(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)設計，采用真空壓漿技術(shù)進行預應力孔道灌漿，水灰比可計量精度為0.5%，流動度可精確至10～15 s。依照設定的水灰比攪拌注漿，進漿監(jiān)控設備連接到注漿孔，出漿監(jiān)控設備連接到出漿孔，開啟注漿設備，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，當灌漿壓力達到壓力參數(shù)設計值時進行保壓，保壓時間符合保壓設定要求時，關閉注漿泵并對數(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)了預應力灌漿的智能化控制，確保了預應力張拉后注漿工序的施工質(zhì)量。

圖5 預應力結(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)預應力的設計和施工中，有效預應力的準確計算極為重要，其數(shù)值為應力控制值扣除預應力損失值，其準確性程度主要取決于預應力損失值的選取，其中摩擦阻力損失所占比例最大。

預應力摩阻損失主要有預應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——預應力鋼絞線張拉控制應力，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

對于張拉端的預應力張拉控制值Fcon，錨固端的預應力控制拉力F，則有預應力束損失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分別表示每道預應力孔道構(gòu)件的長度及管道彎折角度，k、μ為未知待定參數(shù)。首先選取若干預應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，測定兩端的預應力數(shù)值，卸載并交換兩端位置后重復上述過程（圖6）。

圖6 預應力摩阻試驗測試布置

5 預應力引起反向變形值確定方法

結(jié)構(gòu)設計規(guī)范和工程建設標準主要針對預應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倍張拉預應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，預應力混凝土受彎構(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。

在計算預應力構(gòu)件的預應力張拉引起的撓度變形fp時，應將施加在構(gòu)件上的有效預應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、混凝土形心線與預應力筋線形共線、平行、相交有關。

預應力筋線形與混凝土形心線共線時，有效預應力可等效為端部集中荷載；預應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；預應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；預應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；預應力筋線形為直線、曲線復合形式時，應分段對應荷載等效。預應力構(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）。

分別繪制預應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，即可求出預應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應力反拱值，其數(shù)值的2倍即為長期荷載引起的端部預應力反拱值。

采用彎矩圖乘積分法計算預應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，不僅可以作為設計階段設計人員對預應力構(gòu)件總變形量的設計依據(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

通過對預應力施工技術(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、張拉反拱影響地面工程平度整等較為關鍵性的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、預應力反向變形圖乘積分法。上述方法操作便捷、切實可行，有助于提高預應力施工技術(shù)的整體水平。