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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 高强预应力锚杆张拉及灌浆 陈茜 于滨 王立云 （中国建筑科学研究院，北京100013） 提 要 某钢结构工程采用高强度、大直径预应力锚杆,用以锚固钢结构柱脚,由于设计锚杆为倾斜布置，且部分柱脚没有足够的张拉空间，给张拉带来了很大的困难,制定合理的张拉方案是解决该工序的重要手段。本文主要介绍了该工程高强预应力锚杆张拉及灌浆的技术。 关键词 高强度、预应力锚杆、张拉、灌浆 1. 工程概况 某工程为国内最大的单体钢结构工程，采用高强度、大直径预应力锚杆锚固钢结构柱脚。根据设计院提供的施工图及说明要求,需要对586根锚杆进行张拉。柱脚结构见图1。 柱脚外包混凝土顶面 筏板顶面 图1 柱脚构造示意图 陈茜，女， 1977.11出生，工学硕士，工程师 2. 预应力锚杆张拉 该工程所用高强锚杆全部为法国进口，材料为碳铬合金钢材， 柱脚加劲板 球面螺母 张拉端楔形垫板 柱脚板 筏板顶面 高强锚杆 护管 灌浆管 螺母 固定端垫板 螺母 图2 高强预应力锚杆构造示意图 2.1高强锚杆设计参数 锚杆的外形相关参数见表1 表1 锚杆参数 名义直径 （mm） 锚杆直径 （mm） 螺纹规格 （mm） 锚杆截面积 S1（mm2） 螺纹处有效截面积 S2（mm2） 75.0 73.5 M77.56 4243 4025 高强预应力锚杆的屈服强度（0.2残余应变下对应的条件屈服强度）为830N/mm2，极限抗拉强度为1030 N/mm2。高强预应力锚杆预张拉控制应力为35材料极限抗拉强度。 2.2 锚杆张拉力值计算 锚杆张拉控制应力应根据螺纹处有效截面积进行计算 Fp吨 根据千斤顶张拉活塞的面积（见表2）可计算张拉时的油压值 考虑到油表的精度以及读数的准确性，实际张拉时取油压值50MPa。 2.3锚杆伸长量计算 弹性模量此处取E210GPa。根据胡克定律当应力不超过材料的比例极限时,应力与应变成正比,有如下公式 （1） 式中△L锚杆计算伸长量mm； Fp锚杆张拉端的拉力N； LT锚杆张拉段的长度mm； Ap锚杆的有效截面积mm2； ES锚杆的弹性模量N/mm2。 由图1可知锚杆总长度为L，参与张拉伸长的锚杆长度为L1，光杆部分长度为L2，参与张拉伸长的螺纹部分长度L3L1-L2，由于光杆部分直径与螺纹部分的小径不同，所以应该分别计算光杆部分的伸长量△L2与参与张拉伸长的螺纹部分的伸长量△L3[2]，二者之和为总的伸长量△L，该值为预应力锚杆的计算伸长值。 △L△L1△L3 （2） 在张拉过程中，增加了一段工具拉杆，有长度为L5的部分参与了张拉伸长（见图3）,伸长量为△L5, 由于该工具拉杆的外形参数与预应力锚杆相同，因此计算伸长量时也应分段计算，原理与计算预应力锚杆伸长量相同，此处不再详述。预应力锚杆在球面螺母以上的部分（长度为L4）也参与了张拉伸长，伸长量为△L4,这两部分的伸长量都应该在最后的张拉记录中扣除。 △L’△L0-△L4-△L5 （3） 式中△L’实测锚杆伸长量mm； △L0张拉时千斤顶油缸伸出量mm； △L4预应力锚杆在球面螺母以上部分伸长量mm； △L5工具拉杆参与了张拉伸长的部分伸长量mm； 2.4 张拉设备及工装. 张拉所使用的千斤顶为建研科技股份有限公司生产的YCQ150型穿心式千斤顶，具体的参数见表2。 表2 YCQ150型穿心式千斤顶技术参数 额定油压MPa 张拉活塞面积m2 张拉力KN 外形尺寸mm 51 2.92610-2 1490 Φ275372 张拉所使用的工装及设备安装方法见图3。 柱脚加劲板 工具拉杆 工具螺母 千斤顶 张拉撑脚 连接螺母 高强锚杆 排气孔 图3 张拉工装示意图 2.5 锚杆张拉施工 2.5.1预应力锚杆张拉设备的安装 按照图3依次安装并调整好各项设备和辅助工具，确保安装正确，而且撑脚和千斤顶的方向便于操作，保证千斤顶、预应力锚杆及工具拉杆在同一条轴线上,以避免预应力锚杆受力不均。最后拧紧工具螺母，准备张拉。 在张拉过程中随着张拉的进行应该不断将球面螺母拧紧。 停止张拉后，拧紧预应力高强螺母，油泵回油，千斤顶卸载，并依次卸下各项设备和辅助工具。 2.5.2张拉步骤 张拉分为两个阶段。第一阶段先将预应力锚杆张拉到规定拉力的20即油压表读数达到10MPa。张拉到此拉力时停止高压电动油泵，然后检查油管连接是否有漏油现象，如若正常这时记录压力表读数，及精确测量千斤顶油缸伸出量；第二阶段在第一阶段测量记录完毕后，启动高压电动油泵继续加压进行张拉,张拉到规定预应力的100即油压表读数达到50MPa,停止高压电动油泵工作，观察张拉设备工作是否正常，油路是否漏油。一切正常后，再记录一次千斤顶油缸伸出量，压力表读数,记录完毕后拧紧球面螺母。随后进行高压油泵卸载，此时整根锚杆张拉完毕。其它锚杆张拉按照顺序依次进行即可，张拉方法基本一样。 锚杆的实际伸长值应该加上初应力以下的推算伸长值，由于弹性范围内张拉力与伸长值成正比，用两次记录的伸长值之差除以80，所得即为推算伸长值，即式（3）中△L0。 在张拉过程中,主要通过高压油泵压力表读数确定锚杆的张拉力。将锚杆伸长量作为张拉的辅助依据。锚杆的实际伸长量,根据锚杆张拉力从20～100的伸长量换算,此长度根据规范应在理论伸长量6以内。高压油泵的压力表读数,根据计算张拉力为20即压力表读书为10MPa时；张拉力为100即压力表读数为50MPa。 2.5.3张拉工艺要求 a.张拉力及伸长值按设计要求张拉力值进行张拉，张拉伸长值应与设计理论伸长值进行校核。发现异常时及时处理，分析原因，采取可靠措施后方可继续张拉。 b.张拉顺序锚杆的张拉顺序，应使砼及钢柱构件不产生超应力、构件不扭转与侧弯、结构不变位等。同时，还应考虑到尽量减少张拉设备的移动次数为原则。张拉顺序按设计要求进行。 c.实际伸长值与计算伸长值偏差应在-6～6范围内，超出时，应停止张拉，检查原因，采取措施后才能继续张拉。 2.5.4质量、安全保证措施 为了保证张拉精度和操作安全,在进行预应力张拉时,应严格执行以下几点 a.张拉前对所用设备进行计量标定，保证张拉数据可靠。 b.所有张拉施工人员经过施工技术交底和安全教育并经考核合格。 c. 保证各设备的连接可靠，特别是高压油泵与千斤顶的进出油连接处，要紧密连接防止漏油。 e.高压油泵在初运行时要进行空转，直到无气泡为止。 f.高压油泵加压时速度不宜过快，要做到均匀稳定。当接近规定压力时，要放慢速度，使压力能缓慢地达到规定压力值。高压油泵卸载时,也应做到均匀稳定卸载,速度不能过快。 2.6技术难点 2.6.1由于结构上的原因，锚杆并不是垂直布置，而是偏斜一定角度，不同位置的锚杆倾斜角度和方向均不一样。典型的为双向6倾斜，即倾斜角度为8.4545。如表3所示，α6，β6，θ8.4545。第二类为单向6倾斜，即α6，β0或α0，β6。第三类为α0， 0＜β＜6或0＜α＜6,β6。设计的张拉端垫板为单向倾斜6。因此除了第二类锚杆与张拉端垫板上表面垂直，不需要采取措施就能够保证张拉力与锚杆同一条轴线，其它的锚杆如果直接张拉，张拉力与锚杆不在同一条轴线上，锚杆张拉时受力不均，会受弯矩，同时千斤顶也会有较大的偏心，最大会达到6，不仅张拉力不准确，对千斤顶本身也会产生较大的不良影响。 表3 锚杆倾斜角度说明 锚杆 锚杆倾斜角度 锚杆倾斜角度示意图 合成角度θ 分解角度α 分解角度β 锚杆 第一类 8.4545 6 6 第二类 6 6 0 0 6 第三类 6＜θ＜8.4545 6 0＜β＜6 0＜α＜6 6 为了减小锚杆与张拉力不在一条轴线会对张拉产生的不良影响，我们设计了2、4、6三种不同的楔铁，分别用于不同倾斜角度的锚杆，张拉时置于张拉端垫板和撑脚之间，减小锚杆轴线与张拉力之间角度。因为两个分解角度至少有一个等于6，因此以α6为例，使用楔铁方法见表4。采取此项措施后，锚杆轴线与张拉力之间最大角度减小为1，影响可以忽略不计。 表4 楔铁使用说明 分解角度β 0≤β≤1 1＜β≤3 3＜β≤4 4＜β≤6 使用楔铁 不加楔铁 2楔铁 4楔铁 6楔铁 2.6.2现场情况比较复杂，有的柱脚加劲板之间距离太小，有的柱脚加劲板与锚杆倾斜角度不同，很多特殊情况使得千斤顶无法放入加劲板之间，按照原有的张拉方案无法进行张拉，因此根据不同情况对张拉方案进行了修改，增加了几种适用于特殊情况的工装，见图4在加劲板上放置钢板并垫平作为千斤顶的张拉支座；在加劲板上焊接牛腿，再放置钢板并垫平作为千斤顶的张拉支座；使用厚壁钢管作为加长撑脚。 图4 特殊情况张拉工装示意图 2.7张拉结果及误差分析 2.7.1计算实例 以某根柱脚的8根锚杆为例，表5列出了其中一根锚杆伸长量的计算值和实测值，表6列出了8根锚杆的实测伸长值，误差均在6的范围内， 表5 计算实例 计算值 实测值 Lmm 6307 油缸第一次伸出量mm 5.0 L1mm 6151 油缸第二次伸出量mm 14.7 L2mm 5747 △Lmm 9.36 实测油缸伸出量 mm 9.7 L3mm 404 △L3mm 0.69 推算伸长量△L0 mm 12.13 L4mm 220 △L4mm 0.38 实测预应力锚杆伸长量mm 10.46 L5mm 752 △L5mm 1.29 △Lmm 10.05 误差 4.1 表6 计算实例 锚杆编号 理论伸长量 1 2 3 4 5 6 7 8 伸长量mm 10.05 10.46 9.88 9.60 10.32 10.40 10.35 9.68 10.30 误差 4.1 1.7 4.5 2.7 3.5 3.0 3.7 2.5 2.7.2误差分析 实际张拉时产生误差的原因非常多，主要有以下几条 由于预应力锚杆在张拉前,柱基高强混凝土已浇筑完毕,强度也已达到设计等级,柱脚底板与柱基均严密接触,群体锚杆在张拉过程中的互相影响很小,可以不计。 a.张拉工装中的各个部件会产生一定的变形，存在累计误差； b.安装时，锚杆的角度根舍己的角度之间会存在一定误差，使用楔铁找平后，锚杆轴线仍然不完全与张拉力垂直； c.混凝土发生弹性变形； d.张拉端螺母拧紧后，拆卸工装后锚杆会发生内缩； e设备及仪表本身存在误差，读数也存在误差。 每一个因素各自对张拉的影响都很微小，但是累积起来就会对伸长量产生不小的影响。 3预应力锚杆灌浆 所有锚杆张拉完毕后应及时灌浆。 3.1灌浆材料 a.灌浆用水泥采用P.o. 42.5普通硅酸盐水泥, 水泥浆体标准强度大于40MPa。 b.灌浆用水泥浆的水灰比采用0.4。水泥浆中可掺入减水剂以增加流动度，便于灌浆。搅拌后三小时的泌水率控制在2％以内，流动度符合规范要求. c.为增加孔道灌浆的密实性，在水泥浆中应掺入适量外加剂。达到减水、缓凝、膨胀的效果。 3.2灌浆 灌浆前先检查锚栓的灌浆管与护管连接是否畅通,锚栓上端球形螺母是否能正常透气；严格按照要求W/C 0.44的配和比标准搅拌超细膨胀水泥浆,调制均匀并做到没有水泥团现象。 从预留灌浆管向护管内灌浆，待球形螺母上端的排气孔出浓浆后, 封闭排气孔，继续加压至0.5～0.6MPa，封闭灌浆孔截门，待水泥浆凝固后，拆卸连接接头，按设计要求对张拉端进行封端。在灌浆过程中要不停搅拌水泥浆,防止水泥浆泌水。 3.3灌浆工艺要求 a.灌浆应缓慢均匀地进行，不得中断，并应排气通顺。 b.水泥浆自调制至灌入孔道的延续时间不宜超过30min。 c.灌浆采用手动灌浆泵和PJ02型搅拌机。灌浆前，应进行机具准备和试车, 检查灌浆管及护管内是否通畅、洁净。灌浆前应按配比要求用量具盛取水泥及其它材料，在磅秤上进行称重，做好标记。施工时按标记量取材料，确保配比准确。 4结束语 由于钢柱是整体结构的基础，钢柱锚固的可靠性对整个工程具有极其重要的作用，因此预应力锚杆的安装、张拉、灌浆，每一道工序的质量和施工过程都必须严格控制，确保预应力锚杆张拉的质量，否则，将给结构带来巨大的安全隐患。 参考文献 [1] 王恒，魏成权，张全民，高强预应力锚栓预埋、先张法张拉及后灌浆技术，建筑钢结构进展 2005年6月第3期 [2] 于礼泽，李健，三峡永久船闸人字门顶枢锚杆安装及预应力张拉，水利电力机械，2004年2月第1期 [3] 樊启祥，胡新民，姚秀全，三峡船闸人字门顶枢预应力锚杆安装及张拉，中国三峡建设，2001年9月