关于对精扎螺纹钢竖向预应力损失的监测及其原因分析
钟宁 1 霍晓春1 张雪松2 罗 维2
（ 重庆高速公路发展有限公司1重庆交通大学2）
摘 要：目前国内PC刚构梁高小于8米的竖向预应力普遍采用精扎螺纹钢施工形成，然而竖向预应力损失过大的质量通病一直存在，由于对其具体损失大小的监控和研究工作目前做得比较少，且一直以来缺乏科学的数据和内在原因分析，因此本文依据在新滩大桥左幅箱梁施工过程中对于有效竖向预应力大小的实际监控测量，结合在实际施工和监测过程发现的问题进行一定程度的原因分析，希望对于今后类似精扎钢竖向张拉施工质量控制起到指导作用，同时对设计中充分考虑选定竖向预应力的损失值提供计算依据。
关键词：PC箱梁桥 竖向预应力 数据 监测 原因分析
1 引 言
目前，刚构梁普遍采用三向预应力结构体系，其中梁高小于8米的竖向预应力更普遍采用精扎螺纹钢，由于精扎螺纹钢施工简单方便，一直受到设计和施工各方的喜爱。但是受其材料本身的影响和施工工艺中人为因素的局限性，使得有时其预应力损失量比较大，由于其起到控制主拉应力大小的关键作用，因此由于损失过大后造成混凝土箱梁斜向开裂的现象十分普遍，且大都为受力裂缝，甚至严重影响到桥梁的使用寿命。
起因：由于新滩綦江大桥竖向预应力体系的变更——即930级JL32高强螺纹钢筋改为830级JL32高强螺纹钢筋，在竖向预应力钢筋间距不变的情况，由于材料强度的降低，箱梁的主拉应力储备被降低。
基于上述原因，设计方提出必须对所有竖向预应力束2124根抽取3%进行张拉力监测，在竖向预应力的施工中埋设测力环（压力传感器），以检测实际预应力张拉效果。为了使竖向预应力束张拉力测试工作有序地开展，同时因此借助本次机会通过监控与分析，及时的掌握箱梁主拉应力的储备情况，从而确保主桥悬臂浇筑施工过程中的可靠度和安全性，保证成桥后受力状态符合设计要求。
2 工程概况
新滩綦江大桥为西部省际通道重庆绕城高速公路南段上跨越綦江的一座大型桥梁，其主桥为75m+130m+75m的预应力混凝土连续刚构，全长280米。
大桥左幅主梁采用单箱单室，三向预应力混凝土箱型截面，竖向采用JL32精扎螺纹钢。箱梁0#块根部高7.8米，跨中及边跨端部箱梁高3.0米；单幅箱梁底板宽9.25米，顶板宽16.5米。腹板除0号块两横隔板间厚度为100厘米外，其余腹板厚分70厘米，50厘米两个等级，9号块为过渡段。主桥箱梁共设置横隔板7道，即薄壁墩处4道，跨中一道，两边跨端部各设一道，0＃块处和边跨端部隔板均配有竖向预应力。
3、监控方案和工作思路 3、1压力传感器的选择
在新滩綦江大桥上，为了防止因测试线被剪断或因测试线编号丢失，致使传感器无法使用的现象，保证预应力监测长期顺利的实施并能保证足够的精度，经过综合比较，拟选用MGH型振弦锚索测力传感器及配套GSJ－2型智能检测仪作为张拉力监测设备。如图1、图2所示。
图1 MGH型振弦锚索测力传感器 图2 GSJ-2A型振弦式传感器智能检测仪
3、2监控点位的布置
考虑到每个主墩的悬臂端在结构形式上关于零号块对称，且两个T构完全一致，故选取其中的1/4个T构为例，对左幅桥竖向预应力束张拉力测试的测点布置加以说明。
新滩綦江大桥采用悬臂对称施工，每个主墩各个15个悬臂施工节段，拟在每
个主墩各个施工节段的两个悬臂端都进行竖向预应力束张拉力测试。具体为：在14#、15#两主墩的1—13号节段的各个悬臂端中各随机选择1根高强螺纹钢筋安装压力传感器进行张拉力监测，故需安装压力传感器52个；由于14—15号节段箱梁高度比较低，高强螺纹钢筋比较短，在对预应力束进行张拉时，对张拉力的影响更大，因此，在两主墩（14#、15#）的14—15号节段各悬臂端和左右幅现浇段中各随机选择2根螺纹钢筋安装压力传感器进行张拉力监测，故需安装压力传感器24个。15个节段总共需压力传感器76个。
3、2压力传感器的埋设部位
竖向预应力束张拉力监测可通过在竖向预应力筋螺母与锚碇板之间安装压力传感器来完成。传感器的埋设方法有两种：在张拉端埋设和在锚固端埋设。
新滩綦江大桥分别采用在锚固端和张拉段均埋设压力传感器对比监控的方案，但锚固段传感器需要在浇注混凝土之前安装好，将其导线引入箱梁内，其压力传感器所反应的不是实际的张拉力，而是反应了摩擦损失之后的应力值。张拉段可在混凝土浇注后埋设，其监控的是张拉实际力，数据说服力更强一些。
3、3对有效竖向预应力的监测思路
竖向预应力束张拉力监测可分如下阶段进行，首先是埋设后测出初始张拉
力或初始频率；第二，当施工方进行竖向预应力张拉时，监测方对实际张拉力进行测量。对于压力传感器布置在锚固端，其所反应的数值是经过管道摩阻损失之后的预应力，从而通过对比大致可知管道摩阻所造成的预应力损失。第三，待预应力张拉到位并完成锚固后，监测方及时测出此时的预应力值，由此可知由于锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩造成的预应力损失。
由于竖向预应力束较短，此项损失一般占较大的比例。如果此项损失过大，可以及时地通过调整预张拉力的大小来保证竖向预应力中的永存预应力大小。第四，由于混凝土弹性压缩所造成的预应力损失也不应忽略，必须测量被测竖向预应力束后两排的竖向预应力张拉时对其预应力的影响大小。最后，由于混凝土的收缩
徐变是造成预应力损失的一个不可忽略的因素，因此需要在张拉完成后一定时间范围内均要进行监测，找出其内在的规律。
正因为混凝土浇注之后的短期时间内，混凝土徐变和收缩量较大。因此在竖向预应力筋灌浆后的1～30天，每天测一次，其后每7天测一次，直至2个月后，每月测一次，直至竣工通车后2年时间。
4、竖向预应力监控成果及原因分析 4、1 竖向预应力监控成果
通过对于竖向预应力束张拉力的监测和数据统计，由于监测点位密集，我们选择有代表性的14号墩两跨侧竖向预应力的测试结果为例作分析：
部分竖向预应力筋测试结果统计表(左幅14#墩）
编 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
位 置 2#节段 4#节段 6#节段 8#节段 10#节段 12#节段 13#节段 15#节段 中跨合龙段 现浇段 现浇段 平均值 长度 （cm) 702.1 616.3 539.9 473.2 408.9 350.3 331 307.6 305 305 305 张拉时（KN） 600.7 600.7 600.7 600.7 600.7 600.7 600.7 600.7 600.7 600.7 600.7 600.7
锚固后 调整后灌浆后（KN） 30天 60天 （KN） （KN） 10天 580.4 575.5 565.7 570.5 545.2 560.7 460.5 546.4 535.6 549.9 539.5 548．2 569.6 560.4 539.47 529.9 541.7 528.8 510.8 519.6 490.7 476.2 542.5 524.1 511.1 512.6 479.8 465.2 524.2 498.2 485.5 532.6 515.1 498.2 492.1 479.2 465.1 507.6 484.2 486.8 492.1 479.2 457.9 495.6 475.2 466.6 520.1 499.5 486.6 注：1、调整后指个别预应力钢筋重新张拉竖向预应力筋锚固后的应力值。
2、设计张拉控制力为600.7KN。
从上表看出，按设计张拉控制力600.7KN，最终实际预应力占设计控制力的81%，60天后实际损失预应力将近20%，钢束总损失中占主要部分的一项为初
张拉时由锚具变形、锚固不到位导致钢筋回缩和接缝压缩引起的损失（约占初拉控制力的9％），即锚固后瞬间损失，且从数据反映钢束越短则本项损失也大。另一项因素为收缩徐变引起的长期损失也相当可观，到灌浆后10天平均损失约30KN，灌浆后30天平均损失约50KN，灌浆后60天平均损失约63KN（约占初拉控制力的11％），但60天后已基本趋于稳定。同时，在第一次张拉传力锚固后有个别竖向预应力筋（7#筋）应力明显较其他钢束偏小，起不到应有的作用，这多半是由于张拉不认真，螺母拧紧度不够造成的，后经过补拉达到较好的效果。由此可见，竖向预应力筋的张拉工艺要求较高，可通过埋设压力传感器来保证竖向预应力筋的张拉满足要求。
依据上述数据初步分析和归纳可基本得出如下几点损失规律和原因：
1）锚具变形，钢筋回缩和接缝压缩引起的初期损失约占初拉力的9％，此项因素对预应力的损失影响最大，为可控制部分应引起高度重视。
2）从实际数据可知，钢束越短则有效预应力损失越大，由此可知尤其要重视对于短束的张拉施工质量的控制。
3）收缩徐变引起的损失不可忽略，从实际数据平均开看，约占初拉力的11％且呈现出损失时间长，初期损失最大，越往后越趋于逐步稳定的规律和特点，该部分尤其复杂难于控制。
4）从实际施工过程来看，相邻预应力筋张拉对于前一批次已张拉精扎钢损失有一定的影响，且纵向合龙索张拉前后也有影响，但相对影响较小，表现为实测竖向预应力的个别异常和不规律性，且可采取调整张拉顺序的方式改善。
5）实际施加的有效预应力离散性较大，主要是人为因素的影响占很大部分，必须予以足够的重视。
5、确保竖向预应力施工质量的控制措施
针对上述实测数据和原因分析，我们综合精扎钢竖向预应力体系自身的构造
特点，施工经验、工艺和细节问题，材料，监控数据分析等多方面因素，提出如下施工质量控制措施：
5、1 必须采用正规厂家生产的优质的锚夹具，尤其要重视螺母和垫板的表面硬度和精扎钢和螺母相互匹配的问题，以尽可能减小竖向预应力筋张拉锚固时，由于锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩产生的应力损失。