后张法混凝土大管桩分批张拉预应力损失特性研究.pdf

2 0 1 3 年 第 1 1期 (总 第 2 8 9 期 ) Nu mb e r l 1 i n 2 01 3( To t a l No28 9) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 1 1 0 1 7 后张法混凝土大管桩分批张拉预应力损失特性研究 胡若邻 。梁 国栋 。 ，苏林王 1 I2 ，桑登峰 1 , 2 ( 1 中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 5 1 0 2 8 8 ；2 水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室 ，广东 广州 5 1 0 2 8 8 3 中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 5 1 0 3 0 0 ) 摘要： 为实现精细化施工， 需考虑后张法预应力混凝土大直径管桩分批张拉过程有关预应力损失。 以某改进 型混凝土管桩张 拉全过程的预应力损失发展为例 ， 对多钢柬分批次张拉工序造成的预应力损失和控制应力进行理论推导 ， 并对由混凝土收缩徐 变 、 钢筋应力松弛和桩端边界引起的预应力损失进行了试验和对比分析。 结果表明： 前次张拉的预应力在紧邻的后次张拉影响下 损 失最大， 之后损失变化量趋于平缓， 分批次张拉预应力损失率与理论结果相符 ； 该类桩型分批次张拉应力损失率最大约 1 0 ； 改进型管桩中与时间相关的预应力损失和有效预应力传递长度较规范设计值偏小。 关键词： 后张法 ；预应力混凝土大管桩；分批张拉 ；预应力传递长度 中图分类号 ： T U 5 2 8 叭 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 1 1 - 0 0 6 1 0 4 Ch a r a c t e r i s t i c o f b a t c h p r e s t r e s s l o s s i n p o s t - t e n s i o n e d p r e s t r e s s c o n c r e t e c y l i n d e r p i l e HURu o l i n 一， LI ANG Gu o do ng ， SU Li nwa n g ， S ANGDe n g f e n g ， ( 1 CC CC F o rth Ha r b o r E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e C o ， L t d ， G u a n g z h o u 5 1 0 2 8 8 ， Ch i n a ； 2 Ke yLa b o r a t o r yo fHa r bo r a n dM a r i n e St r u c t u r eDu r a bi l i t yTe c h n o l o g yMi ni s t r yo f Co mmu ni c a t i o n s， Gu a ng z ho u 51 0 28 8， Ch i n a； 3 T h e s e c o n dE n g i n e e r i n gCo mp a n yo f C CCCF o u r t hHa r b o r E n g i n e e r i n gCo ， L t d ， Gu a n g z h o u 5 1 0 3 0 0 ， Ch i n a ) Abs t r a c t ：Th e p r e s t r e s s l o s s r e l a t i v e t o t i me a nd l oc a t i o n o f p r e s t r e s s t e n do ns n e e d s to be c o ns i d e r e d f or r e fin e me n t c o ns t r u c ti o n i n p o s t t e n s i o ne d p r e s t r e s s c o nc r e t e c y l i n d e r p i l e As a n e x a mpl e of pr e s t r e s s l o s s d e ve l o pme n t o f t he mo d i fie d l a r g e di am e t e r p o s t - t e ns i o ne d c o n c r e t e pi l e， t h e f o r mul a s of p r e s t r e s s l o s s a n d c o ns t r u c t i o n c o n t r o l t e n s i l e f o r c e we r e de r i ve d， a n d the p r e s t r e s s l o s s r e l a t i v e t o t i me a n d l o c a t i on we r e b e t e s t e d i n e v e ry s t e p o fb a t c h p r e s t r e s s i ng Re s ul t i n d i c a t e d t ha t ba t c h pr e s tre s s l os s h a ve t h e s a me r a d i o a s tha t d e d uc e d the o r e t i c a l l y， a n d f o rm e r b a t c h p r e s t r e s s s u f f e r s g r e a t e s t l os s c a u s e d b y the pr o x i ma t e t e ns i o n， a nd s u ffe r s l i t t l e l o s s a ffe c t e d by s ub s e q u e n t t e ns i o nThe l o s s i s mo r e t h a n 1 0 of c ontr o l t e n s i o n v a l ue un de r b a t c h e s p r e s t r e s s t e ns i o n p r o c e s s i n t hi s t y pe o fpi l e s Pr e s t r e s s l os s r e l a t i v e t o t i me a n d t h e pr e t r e s s t r a ns f e r l e n g t h a r e muc h l e s s t ha n t h e v a l u e i n d e s i g n c o d e s Ke y wo r d s ： p o s t t e n s i o n e d ； p r e s t r e s s e d c o n c r e t e l a r g e d i a me t e r c y l i n d e r p i l e ； b atc h p r e s tr e s s ； p r e t r e s s t r a n s f e r l e n gth 0 引言 后张法预应力混凝 土大直径管桩( 雷蒙特桩 ) ， 由于抗 弯承载力 高和成本低等诸多优点 ， 在港 口工程中得到 了广 泛的使用 。 近年来 ， 随着有关工程科技方面的进步 ， 该类 管桩在模 板丁艺 、 混凝 土强度和管节长度等方面又得到新 的改进和发展 。 在后张法构件中， 由于管桩预应力钢束均匀分布于管桩 圆周 环形截 面上 ， 受张拉设备的限制 ， 常采用分批张拉 的 工艺 ， 这样 后批张拉的预应 力筋引起混凝土弹性 压缩而产 生次应力， 造成与张拉先后时间顺序相关的预应力损失嘲 。 为保证管桩混凝土有效预压应 力满足设计规范要求 ， 并使 各预应力钢束应力水平相当 ， 有必要对张拉施工过程进行 分析研究和监测控制 。 虽然有关规范 提 出可将先批 张拉 的预应力钢束控制应力提高以克服应力损失 ， 但并未给 出 精确计算预应力筋分批 张拉损失量的公式 ， 同时部分理论 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 5 - - 0 1 方法较为繁琐 ， 且缺乏实测数据支撑 。 作为混凝土的一种制 品， 后 张法预应力混凝土管桩还 不可避免的存在与混凝土龄期相关 的预应力损失 ， 如钢绞 线应力松弛 和混凝 土收缩徐变分别引起的预应力损失 ， 且 这类损失只能通过施工工艺改进而逐步减小。 此外 ， 由于预 应力钢 绞线不使用锚具 而依靠钢绞线 和混凝土之 间的黏 结作用 建立 预应力 ， 预应力 钢束锚 固的边界 附近 ， 即管桩 锚 固端部仍然存在预应力损失 ， 而损失范围可用有效预应 力传递长度来描述 。 有学者研究 了不 同截桩方式下 ， 预应力 传递长度 的差别 I l 】 ， 而对放 张后 的大管桩 ， 其有效预应力 传递长度 ， 现有相关规范并无明确 规定 ， 特别是对 于改进 后的大直径圆形管桩构件 ， 预应力传递规律等还有待进一 步研究 。 预应力混凝土管桩 内预应力损失不仅 与产 品质量有 关 ， 也和混凝 土管桩制品沉桩控制应力和极 限承载力密切 61 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 相关嘲 。 为此 ， 本研究推导 r 管桩分批张拉预应力损失 的计 算公式 ， 获得一次张拉到位的各次张拉控制应力值 ， 通过 在改进型后张法试验管桩 中分批 次张拉 和放张试验测试 和理论分析 ， 获得 分别 由分批张拉 、 钢绞线应力松弛和混 凝土收缩徐变引起的预应力损失 ， 确定其有效预应力传递 长度和规律。 1 预 应 力损 失 1 1 分批 张拉预应 力损失 对于采用分批张拉 的后张法预应力混凝土大管桩 ， 分 批张拉损失与后批张拉应力有关 ， 因此在计算 每批需要提 高的张拉应力时应从最后一批开始计算 ， 依次反推出各批 张拉应力。 对于总共分 n 批 次的张拉过程 ， 则第 n 1 批张拉 的钢绞线 ， 仅有第 n 批张拉对其产生影响， 设 由第 7 , 批张拉 造成的混凝土弹性压缩为 则 由桩身截面平衡条件有 ： E ， P n = = |_ ( 1 ) Ac+ A 墨s I E c 式巾： r ， 第 n 批钢绞线张拉后的有效预应力( 考虑放 张端锚具变形和钢筋 内缩的等引起 的预应 力损失 ) ； 4 混凝土净截面面积 ； A 第 n 批钢绞线截面面积( 每批张拉时的钢绞线 截面积相等 ) ； E 钢绞线弹性模量 ； 混凝土弹性模量。 则南混凝土弹性压缩造成 的第 n 一 1 批钢绞线预应力 损失为： ( 2 ) 故第 n 一 1 批钢绞线张拉控制应力应为 ： O o a I ： n+A0 - l ( 3) 根据上述计算原理 ， 可推导 第 i 批钢绞线张拉 时的 张拉控制应力 ： 当 I0 递 ( 钢绞线抗拉强度标准值 ) 时 ， 应取 0- ,x ：n 0 8 阁 。 最后一批钢绞线张拉后无分批张拉预应力损失 ， 故 可列表 由最后- t t 钢绞线张拉控制应 力依次求得各批钢 绞线张拉控制应力。 1 2 与时间相 关的预应力损失 与时间相关 的预应力损失主要由钢筋应力松弛 ， 混凝 土收缩 、 徐变引起 。 根据文献 8 附录 E， 预应力钢筋应力松 弛引起 的损失为 o r ： 0 1 2 5 一 0 50- ( 5 ) 、】 l 由混凝土收缩 、 徐变引起 的预应力损失终值为 ： ， ： ： 墨 ! 兰 ! ( 6 ) 1 +1 5 p 式 中： D s 混凝土徐变系数和收缩应变终值 ； 。 钢筋弹模和混凝土弹模 比值 ； P 受压区钢筋配筋率 ； 受压区预应力钢筋合力点处的混凝土法 向压 应力。 根据张拉完成后预应力损失发展的时间， 即可确定相 应的松弛损失系数和收缩徐变损失系数 ， 得到该时刻 的预 应力损失值 。 2 工程 实例 与试验 分析 以 l 根长 6 0 m， 改进生产后的 l 2 0 0 mmH G1 2 0 0 4 8 一 B 型大直径管桩为例 ， 对其分批 次张拉过程进行预应力试验 测试 ， 并与计算结果相对 比。 该管桩混凝土壁厚 l 4 5 c m， 共 由 7 个管节拼接而成 ， 管节组合为( 1 O + 1 0 + 8 + 8 + 8 + 8 + 8 ) 13 3 ， 4 8根低松弛钢 绞线( l 5 2 4 m m) 通 过 l 6 束 预留孔道张 拉形 成管桩的后张预应力 ， 设计 混凝土有效 预压应力达 1 4 5 8 MP a 。 每次沿圆周对称张拉 2 束 ， 共分 8 批次张拉到位。 2 1 分批 张拉 控 制 应 力 为达到桩身设 计预应力水平 0 即 1 3 0 2 MP a ， 减少 后批张拉对前批 张拉预应力 的影响 ， 应考虑后批 次预 力 张拉对本批次张拉造成的应 力损失 。 根据前文所述 方法 叮 采用 E XC E L列表求得各批 次以后张拉所 引起 的应 力损 失 ， 如表 l 所示 ， 其余第 2 7 批 次预应 力损失 汁算表格 与 表 1 类似 ， 此处省略。 表 1 第 1批钢筋预应力损失 根据第 8 批次预应力 张拉控制应力 为 1 3 0 2 M P a ， 可 逐步确定各批 次张拉控制应力值 。 由于一次 张拉荷 载较 大 ， 为防止张拉 出现偏心和管桩开裂 ， 采用两次张拉到位 ， 6 2 即第一批分 8 次张拉到各控制应力的 4 0 ， 第二批再分 8 次 张拉到各控制应力 的 1 0 3 ( 为克服锚 具变形 和钢筋 内缩 等引起的预应力损失) 。 表 2 为各批次张拉控制应力和张拉 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 各次张拉控制力应力计算结果 力 ， 从表 中可见 ， 首次张拉 的钢绞线在整个张拉过程 中预 应力损失理论值超过 1 0 ， 因此施工中必须考虑分批 次张 拉对预应力损失的影响。 2 2 试 验测试及 分析 通过在张拉端按 图 1 所示方式安装 1 6 个 预应力传感 器( 锚索计 ) ， 按计算张拉控制应力和设计 【 序进行张拉 ， 测试每次张拉 时各钢束 的荷载值 。 图 1 大管桩分批次张拉预应力试验测试 2 2 1 分批次张拉有效预应力损失 有效预应力变化 曲线如图 2 、 3 所示 ， 前次张拉的预应 力在紧邻的后次张拉预应力影响下 ， 预应力损失最 大 ， 之 后损失变化量趋 于平缓 ， 说 明后次张拉的预应力对紧邻 的 前次张拉的预应 力影响最大， 对其余预应力的影响较小 。 这 与理论预应力损失规律有一定差距 ， 可能是由于相邻 两次 张拉 的预应力 钢束在 圆周上位置最近 ， 受局部应力扩散的 影响， 位于张拉端部 的锚索计所测得荷载受紧邻 的预应力 张拉影响最大 。 2 5 0 z 200 姜 曩 5 0 U 1 2 j 4 ， b 张拉批 次 图 2首批张拉至 4 0 控制应力时有效预应力变化曲线 本次试验测试采用油压千斤顶进行张拉控制 ， 个别批 次钢束张拉荷载与设计值有一定偏差， 这一方面是由于液 压表加载精度有 限， 估读误差较大 ， 另一方 面也存在 钢弦 式锚索计各钢 弦受力不均等问题 。 但从张拉力损失变化量 与理论计算结果 的对 比来看 ， 如表 3 所示 ， 实测结果 与理 论结果基本吻合 。 70 0 6 0 0 Z 5 0 0 400 3 0 0 20 O l 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 张拉 批次 图 3第二批张拉至 1 0 3 控制应力时有效预应力变化曲线 表 3实测预应力损失率与理论损失率对比 2 2 2 与时间相关的预应力损失 预应力张拉完毕后 ， 次 日对 8 组( 1 6 束 ) 预应力束进行 预应力管道灌浆 ， 养护 2 0 d 后， 切割多余钢绞线 、 拆除锚具。 为研究沿时间发展 的预应力损失 ， 对放张钢绞线前后预应 力进行 了测试 ， 两次测试结果及对比见图 4 所示 。 7 OO 6 00 Z 5 00 4 0 0 髓 3 00 2 0( 】 1 00 J 2 j 4 ， 6 7 9 l U l l l 2 lj l 4 l 5 l 6 传 感器 编号 图 4 预应力钢束张拉完成后 2 0 d应力损失对比 从图 4 可得 ， 养护 2 0 d 后 ， 切割锚具前 ， 8 组( 1 6 束 ) 钢绞 线平均预应力损失值 为 2 4 4 k N， 平均损失率为 4 5 ， 而由 式( 5 ) 、 ( 6 ) 求得 2 0 d时应力松弛造成的预应力损失和 由混 凝土收缩徐变造成的预应力损失分别为 2 8 6 4 、 5 7 6 5 MP a ， 总的预应 力损失率为 6 6 3 ， 可见改进 型大管桩该部分预 应力损失较设计偏低 。 3 有效预应力传递长度 本次试验通 过在桩 身张拉端部混凝 土表 面粘贴若 干 电阻应变片 ， 用以间接观测混凝土的预应力传递长度及有 效预应力值 ， 如 图 5 所示。 贴 片 处 图 5 桩身应变片布置示意图( 单位： mm) 63 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钢绞线切割前后各测点应变如表 4 所示 ， 其中通道号 与测点编号对应 ， 通道 1 7 为补偿片。 根据钢绞线切割前后 应变实测值可获得放张前后应变差值 曲线， 如图 6所示。 表 4 钢绞线切割前后应变实测值 L L e 距 桩 端 距 离 c m 图6 管桩应力传递长度应变测试结果 从以图 6 、 表 4 可以看出， 在将锚具切割后 ， 管桩端部应 变均有不 同程度的增大 ， 即应力松弛 ， 其 中， 距 端部 1 5 c m 处应变变化较 大 ， 距端部 6 5 c m 以后 ， 大管桩的桩身应力 变化趋于稳定。 由此可见， 有效预应力传递长度约为 6 5 c m， 较规范取值 1 0 0 c m偏小 同 ， 而 与文献 1 1 所测结果 7 5 c m 较为接近。 4结 论 对后张法预应力混凝 土大直径管桩 中与时 间和位置 有关 的预应 力损失进行 了理论分析和试验研究 ， 可以得 出 以 F 结 论 ： ( 1 ) 后批次张拉对紧邻 的前批 次预应 力钢束造成 的应 力损失最大 ， 对其余预应力钢束应力影 响较小 ， 分批次张 拉预应力总损失率与理论结果基本相符 。 ( 2 ) 后张法预应力混凝土大管桩分批次张拉应力损失 最大约 1 0 ， 应在施T中对各批次钢束进行超 张拉 ， 补偿 其分批次张拉造成的预应力损失 。 ( 3 ) 对改进型后张法预应力混凝土大管桩 ， 由于钢绞 线应力松弛 、 混凝土收缩和徐变及管节接缝压缩等引起 的 与时间相关预应力损失较设计值偏低 。 ( 4 ) 对改进型后张法 预应力混凝土大管桩 ， 其有效预 应力传递长度约为 6 5 c m， 略小于规范建议取值 。 参考文献： 1 宋彦琦 ， 高艳妮 ， 杨晓明 ， 等 静压混凝土管桩极限承载力预测l J 1 混凝土， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 1 2 2 1 2 7 【 2 1陈益飞 ， 马欢欢 超长大直径管桩在高桩码头中的应用l J l_ 水运 工程 ， 2 0 0 9 ， 4 3 0 ( 9 ) ： 1 3 2 1 3 6 【 3 】史 美鹏 ， 李 军 ， 等 长 管节 混 凝 士 管 桩 双 层 端 模 ： 中 国 ， 2 0 1 1 2 0 4 5 9 1 0 0 2 【 P J _ 2 0 1 2 0 8 - 0 1 【 4 桑登峰 ， 胡若邻 某改进型大管桩抗弯试验研究l J I _ 中国港湾建 设， 2 0 1 3 ， 1 8 4 ( 1 ) ： 4 5 4 9 I 5 史美鹏 ， 李军 ， 等 长管节混凝土管桩 ： 中国， 2 0 1 1 2 0 4 5 9 1 1 0 6 2 01 2 0 7 1 1 【 6 李献忠 ， 姜稚清 后张预应力分批张拉法【 J J 石冢庄铁道学院学 报， 2 0 0 3 ， 1 6 ( 3 ) ： 2 4 2 6 1 7 1 J I S 1 6 7 6 2 0 1 1 ， 港口工程后张法预应力混凝土大管桩设计与 施工规程 _ 京， 人民交通出版社 ， 2 0 1 1 【 8 J8 J T S 1 5 1 2 0 1 1 ， 水运工程混凝土结构设计规范 北京， 人民交 通出版社 ， 2 0 1 1 【 9 J李森平 ， 吴锋 后张预应力混凝土管桩分批张拉预应力损失 中国港湾建设 ， 2 0 0 9 ， 6 3 ( 5 ) ： 3 2 3 4 【 1 0 】 丁南宏 ， 钱永久 ， 林丽霞 分批张拉预应力损失的空间简化计算 方法l J 1 公路交通科技 ， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 6 ) ： 6 6 6 9 1 1 吴锋 ， 刘兹胜 ， 方炫强 ， 等 后张法预应力混凝土管桩预应力传 递长度试验研究f J 1 _ 水运工程 ， 2 0 0 9 ， 4 2 4 ( 2 ) ： 4 0 4 3 作者简介： 胡若邻 ( 1 9 8 0 一 ) ， 男 ， 博士 ， 高级工程师， 主要从事混凝 土及其制品结构性能研究和技术管理工作。 联系地址 ： 广州市海珠区前进路 1 5 7 号 中交四航工程研究有限 公司( 5 1 0 2 8 8 ) 联系电话： 1 8 6 6 5 7 2 7 2 6 8 藿 盈蚕 l 盈 中 联 重科 在 上海 获 得上 市 公司两 项 大奖 1 1 月 8日， “ 2 0 1 3 年度第二届资本力量百强榜 ” 发布盛典在上海举行。 中联重科 以其在推动行业进步中做f 的积极努 力与杰f I 贡献 ， 获得广大网友和专家评审团的一致好评 ， 成功入选 “ 2 0 1 3 年资本力量百强榜” ， 并被授予“ 最佳社会责任上 市公司” 及“ 最佳董秘奖” 两项大奖 。 此次评选由证券之星网站主办 ， 复旦大学管理学 院协办 ， 证监会 、 上市公 司联合会 、 逾百家主流媒体等提供支持 ， 邀请 到 2 6 6 9 家上市公司以及服务机构共同参与 。评选标准更是非 常严格 ， 从“ 品牌 、 产品 、 服务 、 营销 、 创新及社会责任” 六个 方面综合考量参选机构是否具有肩负引领行业正面进步 的能力。通过报名初 审、 网络票选和专家评审三个阶段 ， 中联重 科 、 中目银行 、 工商银行等来 自不同行业的优秀机构 企业获得广大投资者和专家评审团的一致好评。 6 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m