南水北调沙河U型槽环向预应力筋测力系统研究

程德虎

南水北调中线干线工程建设管理局,北京100038

赵海涛

河海大学土木与交通学院,南京 211169

冯光伟

河南省水利勘测设计研究有限公司,郑州 450016

李乔

南水北调中线干线工程建设管理局,北京100038

沙河U型渡槽为南水北调中线工程中的大型U型预应力渡槽之一，也是中线工程中最长的梁式渡槽和唯一采用预制吊装方式施工的渡槽。该槽单槽跨度30m，跨中断面净高7.4m，侧墙厚0.35m，底板厚0.9m，总高8.3m；端部断面侧墙厚0.6m，总高9.2m。槽身为双向有黏结预应力混凝土结构，槽身环向布置71孔5Ф_s15.2钢绞线，采用扁形锚具、扁形波纹管，双向张拉，槽身预应力筋布置如图1所示。我国在东深供水工程中曾采用过预应力U型渡槽结构［1］，为渡槽预应力张拉以及预应力损失测试提供了经验，同时桥梁、工民建等行业预应力张拉及测力系统测试也有丰富的实践经验［2-5］。但类似沙河渡槽如此超大结构尺寸的国内外渡槽工程实例不多，其环向预应力对槽体承载力、工作性态十分重要，且其具有断面大、薄壁、环向预应力多束扁形布置等特点，如何准确、可靠开展环向预应力钢筋应力损失测试并进行分析评价十分重要。为监测预应力筋有效应力，沙河U型渡槽共设置13榀监测槽，单榀监测槽布置锚索环向测力计8台。

1 原测力系统存在的问题

根据现场工程槽张拉施工测力计测试成果（例如第5榀槽），预应力筋放张时部分测力计数值较设计值偏差较大，最大时可达48%，测力计测值与千斤顶油表值不一致。测力计反映的预应力损失远远超过设计允许值，因此分析测力计值是否真实反映了预应力筋受力状态成为沙河渡槽设计和施工的关键问题之一。通过大量工程槽（26榀、28榀及44榀）以及环形试验台扁锚张拉试验，分析导致扁锚测力计读数偏差较大主要有以下几个原因：

图1 槽身预应力筋布置图（单位：mm）

（1）单孔布置环向扁锚绞线5根，采用5孔测力计，每根绞线单独穿过测力计（见图2），绞线张拉或放张时与测力计间产生摩擦，从而影响测力计读数。

（2）预应力钢筋、锚垫板、测力计、工作锚及千斤顶很难对中，张拉施工时测力计存在偏压现象，测力计4根振弦读数相差较大，会导致测力计值失真。

（3）测力计属精密仪器，对外界受力环境尤其是受压面平整度要求较高，扁锚锚垫板与测力计接触面未经过处理，较粗糙，个别锚垫板顶部凹凸不平（见图3），对测力计测值也会造成较大影响。

图2 5孔测力计

图3 扁锚锚垫板

（4）测力计出厂前进行了单独率定，千斤顶与油表也进行了联合率定，但两套测力系统未进行联合率定，存在系统间误差。

（5）操作人员熟练程度等其他原因。由上述分析及现场试验成果可知，环向预应力测力计测值与设计值偏离较大的主要原因在于测力系统本身未反映环向预应力筋实际受力状态，需要对测力系统进行改进与完善。

2 测力系统的改进

2.1 测力计

沙河U型渡槽单孔环向扁锚绞线为5根，原计划采用5孔测力计，每根预应力钢绞线分别穿过测力计5孔（图2），钢绞线张拉或放张时会与测力计产生摩擦，影响测力计读数。为减少钢绞线与测力计之间的摩擦，在不改变测力计基本尺寸的情况下，把5孔测力计改为仅有一个中孔的中孔测力计，但与测力计厂家协商沟通后认为，中孔测力计在结构受力上存在缺陷。经参建各方研究并通过厂家试验测试，最终采用3孔测力计，即在原5孔基础上，保留中孔，两侧各2孔合并为1孔，设计图与实物图如图4所示。

2.2 定位器

在工程槽或者环形试验台上进行预应力张拉时，预应力钢绞线、锚垫板、测力计、工作锚及千斤顶不容易对中，张拉施工时测力计存在偏压现象，导致测力计测值失真。为解决测力计与工作锚不同轴的问题，自行设计并定做定位器，该定位器可保证工作锚与测力计的对中误差不超过2mm，如图5所示。

图4 改进后的3孔测力计（单位：mm）

图5 定位器

2.3 锚垫板与中空垫板

锚垫板凹槽表面未经处理、较粗糙，若测力计直接与锚垫板接触，势必影响测力计测量精度。因此，通过加大锚垫板尺寸（较测力计尺寸大1～2mm），并铣平垫板凹槽表面，改善测力计受力面；同时自行设计并加工中空加厚（35mm）垫板（图6），安装于锚垫板与测力计之间，改善受力条件。

2.4 其他措施

（1）对测力计和油压千斤顶进行配套联合率定，减小两套系统间误差。

（2）进行环形试验台试验时，利用水平尺逐步校核锚垫板、测力计、工具锚、限位板、垫块、过渡环及千斤顶等设备的安装情况，保证其受力面水平，如图7所示。

（3）更换压力表，由1.6级不防震压力表更换为0.4级防震压力表。

2.5 测力计测试流程

建议改进后的工程槽及环形试验台测力计测试流程如图8所示，典型测力系统安装如图9所示。通过完善后的测力系统，由测力计反映的U型工程槽环向预应力损失由最大48%降到20%左右，真实反映了张拉后环向预应力受力状态。

图6 中空加厚垫板

图7 水平尺校平

图8 测试流程

图9 典型测力系统安装

3 结语

沙河渡槽工程槽和环形试验台环形预应力张拉试验表明，在环向测力系统及测试方法完善之前，测力计所测预应力值未反映其实际受力状态。通过改进测力计，自行研发定位器、中空垫板等测量装置，以及制定可行的测试流程，完善了大型U型渡槽环向预应力筋测力系统，测试结果能够反映环向预应力筋真实受力状态，为工程设计和施工提供了经验。

参考文献

［1］程瓦，潘登宇.大型双向预应力混凝土U型薄壳渡槽设计［J］.人民长江，2008，39（24）：38-40.

［2］党海军，朱尔玉.35m预应力混凝土箱梁锚垫板张拉破坏事故分析与处理［J］.铁道建筑技术，2010（4）：59-61.

［3］李准华，刘钊.大跨度预应力混凝土梁桥预应力损失及敏感性分析［J］.世界桥梁，2009（1）：36-39.

［4］吕志涛，孟少平.现代预应力设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998.

［5］李国平.预应力混凝土结构设计原理［M］.北京：人民交通出版社，2000.