46栗军奇-大吨位预应力锚索施工质量控制若干问题探讨.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 大吨位预应力锚索施工质量控制 若干问题探讨 栗军奇 （中国水电工程顾问集团贵阳勘测设计研究院 贵州 贵阳 550002） 摘 要本文以四川省紫兰坝水电站预应力锚索施工过程中所遇到的问题为出发点，在监理人员熟悉预应力锚索张拉系统的操作方法及有关预应力施工规范的条件下，通过现场的“旁站”监督，总结出了针对于预应力锚索张拉的监理方见解，在下个阶段的预应力锚索施工中，取得了较好的效果。在此希望能为同类的水电工程施工提供可借鉴的经验。 关键词紫兰坝水电站 预应力锚索 质量控制 张拉观测 1 概述 白龙江紫兰坝水电站位于四川省广元市境内，是白龙江干流梯级开发规划中的最后一个梯级电站，电站上游距已建成的宝珠寺水电站14km。该水电站枢纽由左、右岸混凝土重力坝、左岸明渠泄水闸、河床泄水闸、泄水底孔、右岸河床厂房、中控楼和GIS开关站等主要建筑物组成。 紫兰坝水电站有5孔泄水闸（2孔左岸明渠泄水闸和3孔河床泄水闸），闸门型式是潜孔式弧形工作闸门，孔口尺寸23m-15m16m。泄水闸坝段总宽110m，长45m，3个中墩宽5m，左右两侧边墩宽3.5m，左岸明渠泄水闸和河床泄水闸之间边墩宽4m，闸墩高26m。共布置主锚索170根，次锚索84根，每根主锚索有27根7ф5钢绞线，每根次锚索有22根7ф5钢绞线，主锚索采用OVM15-27体系定型产品，次锚索采用OVM15-22体系定型产品。根据现场施工情况，最终设计方，监理方以及施工方达成共识，业主同意确定主、次锚索的分别张拉到4927KN和4187KN吨位后锁定。 2 当前存在的主要问题 针对于预应力锚索张拉的施工工序，目前尚无统一的细则条款规定[1,2]，并且关于 栗军奇（1981-），男，河南漯河人，助理工程师，主要从事水电工程设计及监理工作。 锚索张拉工序较为详细的（DL/T5083-2004）水电水利工程预应力锚索施工规范上面部分内容又有与实际不符的现象，例如施工规范上的第38页和第89页上的公式。再者就是预应力锚索张拉的锁定损失控制是张拉过程中非常棘手的问题，因为锚索越短越难达到设计要求控制在6范围之内的伸长量。所以在白龙江紫兰坝水电站泄水闸室闸墩预应力锚索施工过程中，为了保证电站预应力锚索张拉施工顺利实施，在锚块和闸墩上各选取一束锚索，为施工试验性锚索，以便总结经验，完善设计技术要求，指导现场施工。 2.1 预应力锚索分级预紧的问题 白龙江紫兰坝水电站泄水闸闸墩预应力钢绞线采用直径为15.24mm高强度低松弛钢绞线，极限抗拉强度为1860Mpa。预应力锚索分级预紧（零级吨位）就位循环张拉。在初应力状态下，采用三次荷载调整，使锚束均匀受力。即主锚索0→200kN→卸载→400kN→卸载→915kN→卸载；次锚索0→200kN→卸载→400kN→卸载→746kN→卸载。 分级预紧的主要目的是使单根钢绞线受力均匀,避免在正式张拉过程中出现个别钢绞线受力超过钢材的极限抗拉强度。用大吨位千斤顶整束张拉时每根钢绞线受力一致,这样才能使每根钢绞线均匀地达到设计张拉力,另外分级预紧不装工作夹片预紧,然后在卸载回油,这样1860 MPa高强度低松弛钢绞线完全回到了零状态,达不到预张拉的目的,也就是说等于没有预紧,例如[3,4] OVM公司在长江三峡施工的双线船闸、上海施工的外高桥电厂二期工程、河南小浪底工程施工的排沙洞预应力衬砌、天津施工的子牙河悬索桥、贵阳施工的观山大桥、江苏施工的五河口大桥，以及国外公司VSL（瑞士）在福建施工的闽江青州大桥、FRESSINET（法国）在香港施工的青马大桥， 都是在工作锚板上,装上工作夹片预紧、然后再进行整束张拉。 2.2 张拉顺序问题 闸墩与锚块的主、次预应力锚索属空间结构布置，为防止锚块砼出现不利的施工变形，张拉采用先锚块、后闸墩的顺序进行。锚索张拉顺序排列（见图1）。 1）锚块次锚索 F8→F5→F10→F2→F11→F3→F6→F9→F4→F7→F12→F1 2）闸墩主锚索 ①边墩C3→A3→E3→C1→C4→A2→E2→C2→B2→D2→A4→E4→B4→D4→A1→E1→B1→D1→B3→D3 ②中墩C3→A3→E3→C4→A4→E4→C2→C5→D3→B3→D4→B4→D2→B2→D5→B5→C1→C6→E2→A5→E5→A2→E6→A1→E1→A6→D1→B6→D6→B1 张拉过程排列顺序，主要是为了让锚块受力均匀对称，防止出现质量问题。如果在设备数量允许的条件下，可以进行同步张拉。但是要保证对称张拉锚索。 图1 锚索点位大样图 2.3 关于边墩次锚索短、回缩大的问题 由于紫兰坝水电站泄水闸室边墩次锚索的计算长度为6.06m,按照张拉锁定48小时内，锚索预应力损失不超过设计的10考虑时[2]，次锚索钢绞线的回缩值不应大于4.22mm，但是OVM的限位板的深度是6.6㎜，西北勘测设计研究院设计人员提出在限位板上加垫片的方法。 因为OVM厂家的限位板是根据工作锚板和夹片配套生产，限位板的深度是6.6㎜,不能随意加垫片。加了垫片限位的深度不够6.6㎜，在张拉加载时,张拉力达到锁定吨位时，钢绞线与工作夹片之间摩擦较大,会对钢绞线严重刮伤,容易出现断丝或夹片卡不紧的现象。泄水闸室边墩次锚索由于长度较短，受回缩量造成的预应力损失影响偏大，但是可以通过调整张拉的锁定吨位，用超张拉进行补偿，这样就满足了设计的张拉力和回缩要求。 2.4 超张拉的问题 由于存在千斤顶卸载时，工具夹片会发生回缩，钢绞线（FU 260.4 KN）的张拉力就达不到设计要求，从而出现超张拉问题。 在白龙江紫兰坝水电站泄水闸闸墩预应力施工技术要求上，最初的闸墩张拉吨位是 （1）主锚索张拉吨位（27根7φ5钢绞线），设计吨位是15.8FU4120KN，锁定吨位是17.5FU4575KN。 （2）锚块次锚索张拉吨位（22根7φ5钢绞线），设计吨位是12.9FU3355KN，锁定吨位是14.3FU3728KN。 如果主、次锚索分别张拉到4575KN和3728KN后锁定，这样就存在张拉到锁定吨位后卸载，考虑预应力损失后，钢绞线上的永存吨位力小于设计吨位值4120KN和3355KN。因此主锚索张拉锁定吨位最终提高到18.9FU4927KN；次锚索张拉锁定吨位提高到16.1FU4187KN。 2.5 实测值与理论值偏差的问题 单根钢绞线预紧仅以张拉力等力张拉法控制（取破断力的1），整束预紧张拉只控制张拉力，以理论伸长值（△La）为准。预张拉后，第三次张拉至控制应力的张拉以实测张拉力（油表显示）与实测伸长值（千斤顶活塞伸长实测值△Lb）记录为准。锚索实际伸长值△L△La△Lb。分级张拉控制在6范围内时，次锚索核对伸长量的问题。 理论伸长值 ； 。 式中N为每根锚索的张拉力； L为每根锚束的工作长度，即固定端锚具至张拉端工具锚的钢绞线长度； Eg为1860MPaφ15.24的钢绞线弹性模量； Ag为每束钢绞线截面积（每根钢绞线截面积为140mm2）； 张拉控制力，当超张拉时按超张拉取值； 张拉端至计算截面的孔道长度； θ预应力钢绞线从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和； K预应力孔道局部偏摆系数； μ预应力钢绞线与孔道壁面的摩擦系数。 就紫兰坝水电站泄水闸室边墩B4锚块施工试验性锚索,预应力理论计算伸长值分级加荷为例，在EXCEL表里计算结果如下 预应力锚索理论计算伸长值分级加荷 预应力锚索编号 Xm 1-κXμθ/2 根数 截面面积mm N张拉力kn 理论计算伸长值mm 理论值-6 mm 理论值6 mm B4主锚索a2 31.87 0.9442275 27 140.0 500 20.4 19.2 21.6 31.87 0.9442275 27 140.0 1500 61.2 57.6 64.9 31.87 0.9442275 27 140.0 2500 102.1 95.9 108.2 31.87 0.9442275 27 140.0 3500 142.9 134.3 151.5 31.87 0.9442275 27 140.0 4575 186.8 175.6 198.0 31.87 0.9442275 27 140. 0 4927 201.1 189.1 213.2 B4主锚索b4 32.42 0.943265 27 140. 0 500 20.7 19.5 22.0 32.42 0.943265 27 140. 0 1500 62.2 58.5 66.0 32.42 0.943265 27 140. 0 2500 103.7 97.5 109.9 32.42 0.943265 27 140.0 3500 145.2 136.5 153.9 32.42 0.943265 27 140.0 4575 189.8 178.4 201.2 32.42 0.943265 27 140.0 4927 204.4 192.1 216.7 B4次锚索12束 6.06 0.989395 22 140.0 400 4.0 3.8 4.2 6.06 0.989395 22 140.0 1400 14.0 13.3 14.8 6.06 0.989395 22 140. 0 2400 24.0 22.8 25.4 6.06 0.989395 22 140. 0 3400 33.9 32.2 36.0 6.06 0.989395 22 140. 0 3728 37.2 35.4 39.4 6.06 0.989395 22 140. 0 4187 41.8 39.7 44.3 其中弹性模量Eg195000；偏摆系数K0.0035；曲线孔道切线的夹角θ0 rad；摩擦系数μ03。 严格按照规范是每级都要核对伸长量，但是在实际张拉过程中每级核对总是存在一些问题, 由于众多因素的影响，难以控制在6之内。根据施工现场经验，发现超出6范围的情况，主要是由以下几个原因引起 1 管道内没有清理干净，有小混凝土块或沙浆碎屑堵塞管道； 2 工作夹片没有安装好，导致滑丝，钢绞线和工作夹片发生相对滑动（经过现场实测发现张拉端的钢绞线和工作夹片之间的相对位移最大 达5mm）； 3 未按照对同一根钢绞线量测的基准点应相同，为避免量测数据误读误记，减少错误，每次量测至少量取两次，其量测差应＜1mm，超过上述限差应重新量测的施工技术要求进行。 4 工具夹片的内缩影响。工具夹片在分级预紧后，夹片外露有个长度了L1，经过分级张拉后，夹片外露有个长度L2L1L2，在张拉过程中锚索与工作夹片的相对回缩为L3L1-L2，但是锚索在张拉过程中，测定时未考虑非张拉端夹片内缩L3对伸长量的影响[6]。 5 分级张拉升荷速率每分钟超过了设计应力的1/10 ，卸荷速率每分钟超过设计应力的1/5； 6 张拉过程中发生钢绞线断丝、绞索（有些水电工程的预应力钢绞线下料未安装隔离架）等等情况。 总之在正式锚索张拉施工时，锚索实测伸长值应该采用两端同时进行测量的方法（既要测量大吨位千斤顶的回缩量，又要在钢绞线做标记进行测量），用经过修正后的伸长值作为计算基础。在分级张拉完时, 修正后的实际伸长量与理论伸长量来核对,在6范围内,方可进行张拉。如果实际值与理论值比较超出范围,停止张拉,查明原因后,才能继续张拉。但是由于影响因素较多，分级张拉时的实际伸长量检查，应该以抽查的形式作为张拉质量控制检查的辅助手段，而不应当影响施工操作的正常进行，最终对张拉质量的验收和评定还是应以总伸长量进行校核为准。 3 锚索张拉效果观测 由于紫兰坝水电站泄水闸室闸墩预应力锚索施工属于隐蔽工程范畴，所以锚索张拉的质量控制好坏主要是通过观测体现出来。 3.1锚索观测内容 预应力锚索观测采用500 t级（JC500型）观测仪器。锚索施工期观测主要为锚索逐级张拉过程中测力计读数观测，预埋观测仪器在锚索施工前后应力、应变、温度等项观测。运行期观测主要为锚索锁定后，实测锚索应力松弛损失过程线；各种预埋仪器在规定观测期内比测的应力、应变等变化参数[7,8]。 3.2锚索观测技术要求 预应力锚索观测仪器在使用前，一定要进行标定，并绘制出应力应变曲线。观测所用仪表、线路应妥善保护。当仪表受到撞击或观测数据出现异常时，必须及时查明原因，进行补救处理，才能继续观测。装有测力计的锚索一定要在观测人员的配合下方可张拉，在未张拉前先测一次原始零吨位，主锚索张拉期观测分500 kN、1500 kN、2500 kN 、3500 kN、4575 kN、及锁定4927 kN六个档次进行。次锚索张拉期观测分400 kN、1400 kN、2400 kN、3400 kN、3728 kN 、及锁定4187 kN六个档次进行。为分析各锚索张拉先后的相互影响，在测量张拉锚索的同时，一定要量测同一锚块（或闸墩）上其他已张拉锚索上的测力计数值的变化量。 预应力锚索施工全部结束后，初期按1、2、3、5、7天进行观测，第二周内每两天观测一次，第三、第四周内每四天观测一次，以后进行常规观测、即每月观测两次。锚索观测要确保连续观测5年。同时长期观测资料应及时整理、分析，做好信息反馈。 4 结语 预应力锚索施工专业技术性强，工序多，属于隐蔽工程，过程控制非常重要。施工全过程必须认真推行全面质量管理，建立健全岗位责任制度，在监理工程师的监督指导下确保各工序的施工质量。各主要工序应统一印制专门的记录表格，记录人员要严格按要求记录好每一个数据，原始数据决不允许涂抹或擦掉，数据更改只能在原始数据旁边进行，并注明更改的原因。在锚索张拉过程中，施工方的质检人员应跟班检查，当发现施工工艺不符合规范及技术要求，违章施工或有碍人身安全时，监理工程师有权暂停施工，并进行备案。监理工程师审查预应力锚索张拉全过程的原始记录，事故处理记录及施工报告后，在满足设计要求的情况下，方可批准下道灌浆工序的实施。 参考文献 [1] 国家经济贸易委员 .（DL/T5181-2003）水电工程预应力锚固设计规范[S]. 北京中国电力出版社, 2003. 25～27; 69～73. 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