基于光纖智能鋼絞線的預(yù)應(yīng)力施工精細(xì)化控制方法

張拉控制應(yīng)力是指預(yù)應(yīng)力鋼筋在張拉時(shí)控制達(dá)到的最大應(yīng)力值。張拉控制應(yīng)力的取值直接影響預(yù)應(yīng)力混凝土的使用效果，由于目前預(yù)應(yīng)力的取值一般是根據(jù)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行的，未考慮不同工程的個(gè)性，以及同一工程中不同位置和不同齡期混凝土的差異，往往預(yù)應(yīng)力值控制較差，會(huì)帶來嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)安全隱患。本文在課題組預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測的研究基礎(chǔ)上提出預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力精細(xì)化施工方法，在不改變原結(jié)構(gòu)施工方案和工藝流程的前提下，采用智能鋼絞線代替普通鋼絞線，通過現(xiàn)場原位試驗(yàn)獲取預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)損失，通過實(shí)時(shí)調(diào)整張拉控制力，以更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力有效應(yīng)力的目的。智能鋼絞線可實(shí)時(shí)獲取鋼絞線的有效應(yīng)力狀態(tài)，準(zhǔn)確把握張拉施工后和服役階段有效應(yīng)力值均，可用于評(píng)估預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。1?基本原理預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)通過有效預(yù)壓應(yīng)力作用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件上來發(fā)揮作用，有效預(yù)應(yīng)力的多少直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性和功能性?，F(xiàn)階段預(yù)應(yīng)力技術(shù)主要通過預(yù)估預(yù)應(yīng)力損失值來確定張拉控制力，以獲取有效預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力損失可分為與時(shí)間無關(guān)的瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失及與時(shí)間強(qiáng)烈相關(guān)的長期預(yù)應(yīng)力損失。通過分析得知，與瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失相比，長期預(yù)應(yīng)力損失主要與時(shí)間和結(jié)構(gòu)材料有關(guān)，其受環(huán)境影響小，不確定性小，容易準(zhǔn)確估算；而瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失主要與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的現(xiàn)場條件有關(guān)，受施工條件影響大，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)成形態(tài)異常。若能通過實(shí)測獲取瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失值，并在現(xiàn)場實(shí)時(shí)修正張拉控制力值即可獲取準(zhǔn)確的有效預(yù)應(yīng)力值。為此，本文在前期研究的基礎(chǔ)上提出基于智能鋼絞線的預(yù)應(yīng)力精細(xì)化張拉控制方法，采用智能鋼絞線代替同類型普通鋼絞線，在大面積張拉前先張拉智能鋼絞線，通過智能鋼絞線的光纖光柵傳感器獲取有效預(yù)應(yīng)力值，經(jīng)多次糾偏后確定實(shí)測預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)損失修正后的張拉控制力；再以該張拉控制力完成全部同類型鋼絞線的施工過程，從而實(shí)現(xiàn)在不改變施工張拉工藝流程和不增加施工工序的前提下，完成張拉控制力的現(xiàn)場標(biāo)定工作，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力精細(xì)化張拉控制。預(yù)應(yīng)力精細(xì)化張拉控制方法流程如圖1所示。圖1??基于智能鋼絞線的精細(xì)化張拉工藝流程1.1基于智能鋼絞線的精細(xì)化張拉控制方法的優(yōu)勢與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力張拉方法相比，基于智能鋼絞線的精細(xì)化張拉控制方法具有如下優(yōu)勢。（1）可通過智能鋼絞線內(nèi)光纖光柵傳感器準(zhǔn)確獲取有效預(yù)應(yīng)力值，定量保證施工質(zhì)量。（2）通過反復(fù)調(diào)整過程，相當(dāng)于在原位進(jìn)行了瞬時(shí)損失標(biāo)定試驗(yàn)，可準(zhǔn)確獲取瞬時(shí)損失，從而獲取張拉控制力，實(shí)現(xiàn)施工精細(xì)化控制。（3）智能鋼絞線不僅具有感知功能還具備受力性能，在受力方面可完全代替普通鋼絞線，對(duì)原結(jié)構(gòu)擾動(dòng)小。（4）智能鋼絞線可延續(xù)至施工后，獲取長期預(yù)應(yīng)力損失值，準(zhǔn)確把握預(yù)應(yīng)力損失狀況，獲取服役前的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。1.2預(yù)應(yīng)力精細(xì)化張拉控制方法調(diào)整計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的有效預(yù)應(yīng)力：σ

p

=

σ

con

–

σ

11

–

σ

12

（1）式中：

σ

p

為有效預(yù)應(yīng)力值（MPa）；

σ

con

為張拉控制應(yīng)力值（MPa）；

σ

11

為預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)損失（MPa）；

σ

12

為預(yù)應(yīng)力長期損失（MPa）。按現(xiàn)有規(guī)范，有效應(yīng)力值是設(shè)計(jì)要求的核心應(yīng)力值，也是計(jì)入結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的選取值。張拉控制應(yīng)力值是由有效應(yīng)力值+預(yù)估的兩項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失得來，其中預(yù)應(yīng)力長期損失主要與材料的時(shí)間屬性有關(guān)，在材料確定的情況下較易估計(jì)得到且預(yù)應(yīng)力損失的占比較少；預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)損失主要與現(xiàn)場的施工條件有關(guān)，不確定性因素多，往往不易準(zhǔn)確控制。若能通過有效測試手段獲取實(shí)際工程的瞬時(shí)損失值，即可在現(xiàn)場修正張拉控制力值，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化張拉，即：σ

conj

=

σ

con

+

σ

11j

–

σ

11

+

c

（2）式中：

σ

conj

為修正后的張拉控制力（MPa）；

σ

11j

為實(shí)測的瞬時(shí)損失（MPa）；

c

為提高張拉控制力后預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)損失提高補(bǔ)充系數(shù)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。2預(yù)應(yīng)力精細(xì)化張拉控制方法2.1工程概況本工程分為6大區(qū)域，36個(gè)施工流水段。預(yù)應(yīng)力筋平面及剖面位置是預(yù)應(yīng)力控制的重點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力筋需在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的75%后方可張拉，跨后澆帶的預(yù)應(yīng)力筋需待后澆帶強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的75%后方可張拉。受緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋張拉適用期的限制，如果張拉時(shí)超過張拉適用期限制的時(shí)間，將會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋無法張拉，影響結(jié)構(gòu)有效應(yīng)力的建立。2.2測點(diǎn)分布通過帶有光纖光柵傳感器的智能鋼絞線代替普通鋼絞線獲取有效應(yīng)力值，理論清楚、實(shí)際驗(yàn)證也表明該方法切實(shí)可行，但在經(jīng)濟(jì)上較難實(shí)現(xiàn)，故針對(duì)國家會(huì)議中心二期項(xiàng)目的鋼絞線體量巨大的情況。選擇一個(gè)折中方法，即通過現(xiàn)場預(yù)應(yīng)力損失標(biāo)定試驗(yàn)來確定合理的張拉控制力，用于進(jìn)行其他同類型鋼絞線的張拉工作，這樣同類型鋼絞線的精細(xì)化施工控制僅需布設(shè)一根智能鋼絞線，可大幅度降低施工成本。圖2為預(yù)應(yīng)力精細(xì)化張拉控制系統(tǒng)智能鋼絞線布置示意。圖2預(yù)應(yīng)力精細(xì)化張拉控制系統(tǒng)智能鋼絞線布設(shè)示意2.3緩粘結(jié)光纖光柵智能鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)按不同的施工工藝分為有粘結(jié)體系和無粘結(jié)體系。由于預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)存在預(yù)應(yīng)力摩擦損失和灌漿質(zhì)量問題，常給后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的安全帶來隱患。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)雖可減少預(yù)應(yīng)力筋張拉和灌漿產(chǎn)生的隱患，也解決了在狹窄空間內(nèi)布筋的難題，但由于結(jié)構(gòu)方式的缺陷，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的極限抗拉強(qiáng)度比同條件設(shè)計(jì)的有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件弱30%左右。為規(guī)避傳統(tǒng)的后張法有粘結(jié)和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)各自無法避免的缺點(diǎn)，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系結(jié)合了無粘結(jié)和有粘結(jié)2種體系的優(yōu)勢。在緩粘結(jié)體系中采用緩粘劑包裹應(yīng)力鋼絞線，其前期無粘結(jié)力，與無粘結(jié)體系相同，隨時(shí)間增長緩粘劑粘結(jié)力增大，形成了有粘結(jié)體系。因本項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力混凝土空心板采用此種緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土體系，故要求用于監(jiān)測預(yù)應(yīng)力損失的智能鋼絞線同樣采用緩粘結(jié)智能鋼絞線，以減少對(duì)工程結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。緩粘結(jié)智能鋼絞線以智能鋼絞線

為主體，通過緩粘結(jié)鋼絞線專業(yè)機(jī)械制作成型（圖3）。（a）

（b）（c）（d）（e）圖3?緩粘結(jié)智能鋼絞線成型過程（a）智能傳感筋；（b）纏繞銅薄片；（c）組裝智能鋼絞線；（d）拉擠成型裝置；（e）成型緩粘結(jié)智能鋼絞線3預(yù)應(yīng)力精細(xì)化張拉控制系統(tǒng)的實(shí)施3.1智能鋼絞線布設(shè)國家會(huì)議中心二期工程中，主要針對(duì)實(shí)現(xiàn)鋼絞線有效應(yīng)力的施工定量問題并考慮本項(xiàng)目為科研項(xiàng)目，及以后應(yīng)用的可操作性，盡量減少對(duì)現(xiàn)有裝備和工藝的影響，未增加施工流程，也未改變穿筋和張拉過程的設(shè)備及人員，僅進(jìn)行了施工交底工作。圖4為部分智能鋼絞線和普通鋼絞線的施工過程。（a）

（b）（c）

（d）

圖4??鋼結(jié)構(gòu)大跨度梁的施工安裝過程（a）鋪板筋；（b）智能鋼絞線所在位置；（c）鋼絞線傳輸線保護(hù)方式；（d）最終調(diào)整

3.2預(yù)應(yīng)力張拉精細(xì)化施工監(jiān)控過程國家會(huì)議中心二期項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力精細(xì)化施工的核心目的是使預(yù)應(yīng)力施工后預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效應(yīng)力等于或十分接近設(shè)計(jì)有效應(yīng)力。為探索預(yù)應(yīng)力定量控制施工工藝，在原施工控制的基礎(chǔ)上以地下1層頂板E區(qū)的鋼絞線作為研究對(duì)象。按以下步驟進(jìn)行施工和測試。（1）步驟一：油表值達(dá)到設(shè)計(jì)張拉控制力后持荷2?min后進(jìn)行放張錨固。（2）步驟二：若有效應(yīng)力不符合設(shè)計(jì)要求，應(yīng)調(diào)整確定達(dá)到有效應(yīng)力值時(shí)的油表值。（3）步驟三：以步驟二確定的油表值和步驟一所用的方法對(duì)普通鋼絞線進(jìn)行一次張拉。將根據(jù)式（1）（2）算得的整個(gè)預(yù)應(yīng)力張拉精細(xì)化施工控制過程的有效應(yīng)力值見表1。表1地下1層頂板E區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼絞線

精細(xì)化施工數(shù)據(jù)

MPa由表1的修正和計(jì)算過程可知，以設(shè)計(jì)值為依據(jù)，并以實(shí)測有效應(yīng)力值進(jìn)行合格判定，通過智能鋼絞線中光纖光柵傳感器獲取的預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)損失比設(shè)計(jì)值大，其主要原因?yàn)楸卷?xiàng)目鋼絞線長達(dá)40?m，單端張拉且樓板厚度大，樓板內(nèi)鋼絞線可能有過多的彎曲情況。瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失的增大會(huì)導(dǎo)致有效應(yīng)力無法滿足實(shí)際工程需要，通過式（2）的修正方法可獲得新的張拉控制力，最終通過對(duì)比實(shí)測的有效應(yīng)力值與設(shè)計(jì)值，在可控范圍內(nèi)驗(yàn)證修正后的張拉控制力準(zhǔn)確可靠，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力張拉精細(xì)化控制。4基于智能鋼絞線的有效預(yù)應(yīng)力服役狀態(tài)分析預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉錨固后，預(yù)應(yīng)力樓板雖未承力，但隨著混凝土的收縮徐變和預(yù)應(yīng)力筋的松弛，預(yù)應(yīng)力長期損失已開始發(fā)展，采用智能鋼絞線中光纖光柵傳感器數(shù)據(jù)分析預(yù)應(yīng)力樓板預(yù)應(yīng)力鋼絞線有效應(yīng)力在無外力作用下的演化規(guī)律，如圖5所示。圖5無外力作用下有效應(yīng)力值變化規(guī)律由圖5可知，隨著時(shí)間增加預(yù)應(yīng)力長期損失逐漸增大，且前期（約2?d）的變化率較大，2?d后逐漸平緩。10?d后的預(yù)應(yīng)力損失值約為50?MPa。相應(yīng)的有效預(yù)應(yīng)力值在前期減少較多，10?d后預(yù)應(yīng)力樓板的有效預(yù)應(yīng)力約為1?060?MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。5結(jié)束語現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力的施工方法主要是在預(yù)估預(yù)應(yīng)力損失后確定張拉控制力，該預(yù)估值是否準(zhǔn)確成為施工成敗的關(guān)鍵，而受施工現(xiàn)場條件不確定性的影響，準(zhǔn)確估計(jì)預(yù)應(yīng)力損失難度較大，嚴(yán)重地限制了預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。針對(duì)以上問題，本文在不改變原結(jié)構(gòu)施工方案和工藝流程的前提下，采用智能鋼絞線代替普通鋼絞

線，通過現(xiàn)場原位試驗(yàn)獲取預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)損失，并實(shí)時(shí)調(diào)整張拉控制力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)應(yīng)力施工過程的精細(xì)化控制，并得到結(jié)論如下。（1）智能鋼絞線的幾何和力學(xué)性能與普通鋼絞線接近，無需改變原有預(yù)應(yīng)力施工工藝和儀器設(shè)