1 钢束分批张拉对预应力损失影响及张拉工艺优化 1.1 预应力钢束分批张拉对预应力损失的影响 为分析预应力筋分批张拉对明挖隧道结构预应力损失的影响，构建明挖预应力隧道顶板梁计算模型，并按照结构分析所设定的预应力钢筋量配置预应力筋。将预应力筋按照拟分批张拉的需求分为3批，分别按照同时张拉和分批次张拉进行计算，并提取预应力钢筋的内力分布情况进行对比。 以明挖隧道结构上顶板作为分析构件，建立空间分析模型，如图1所示。在模型中，忽略底板预应力筋的布置。本研究不考虑覆土荷载的影响，单纯分析预应力筋分批次张拉和一次性张拉完毕对结构内力、变形的影响。其中，分批次张拉的方式是在1 m板带范围内，按照3根–3根–2根预应力筋的方式进行张拉，左右对称施工，预应力筋在两跨间的布置为交错布置，以满足正常施工布筋及张拉所需的实际情况。以所建结构的中间跨，第三批张拉的预应力筋为分析对象，对比一次张拉和分批张拉的预应力筋轴力分布。 图1 分析模型示意 不考虑外加荷载的情况下，一次性张拉完毕工况下和分批张拉的结构上表面弯矩分布情况对比如图2所示。其中，图2（a）和图2（b）是不考虑收缩、徐变及钢筋松弛影响的计算结果，图2（c）和图2（d）是考虑上述影响的计算结果。由图2可知，在不考虑竖向荷载影响的情况下，单纯的分批次张拉对预应力筋的轴力分布的影响很小，几乎可以忽略不计。 （a） （b） （c） （d） 图2 预应力筋轴力分布对比 （a）不考虑其他影响的一次张拉工况；（b）不考虑其他影响的分批张拉工况；（c）考虑损失因素影响的一次张拉工况；（d）考虑损失因素影响的分批张拉工况 分别针对一次张拉和分批次张拉的工况施加重力荷载和水平土压力。预应力筋的布置和张拉方案与前一节一致，在分批次张拉模型中，覆土荷载和土压力按照分批填实方案施加。一次性张拉完毕工况下和分批张拉的预应力筋轴力分布情况对比如图3所示。 图3 预应力筋轴力分布对比 （a）不考虑其他影响的一次张拉工况；（b）不考虑其他影响的分批张拉工况；（c）考虑损失因素影响的一次张拉工况；（d）考虑损失因素影响的分批张拉工况 由图3可知，考虑竖向荷载和土压力耦合影响的情况下，单纯地分批次张拉对预应力筋的轴力分布的影响数值略有增大，但在结构整体分析中仍未造成重大影响。汇总以上各工况的计算数据，见表1。 表1 预应力筋分批张拉对预应力损失的影响 分析结果表明，在所构建模型下，分批张拉完成后，预应力筋总的内力与一次性张拉所得内力相差不大，具体数值上的差异可以近似忽略。通过本项目工程案例的简化模型可知，在考虑竖向荷载和水平土压力耦合影响的情况下，预应力筋分批张拉对构件预应力损失的影响仍较小，计算过程中可以近似忽略。但由于明挖隧道存在上覆水土荷载大小波动性大、侧向土压力的作用不确定性高及地基刚度作用的不确定性大等特点，在预应力明挖隧道结构设计过程中，仍需加强对分批张拉预应力损失的关注，通过优化张拉工艺控制预应力损失影响。 1.2 基于预应力损失控制的张拉工艺优化 根据上述分析结果，分批张拉效果与同时张拉最终效果的差距较小，在以kN为单位的计量单位下，在工程中这一差距可以忽略。因此，预应力钢筋的张拉顺序和张拉工艺可以重点考虑施工中的需求进行分配。 在预应力张拉顺序方面，可根据施工面的要求，选择预应力钢筋的隔跨张拉方案；对于两跨的隧道结构，可以在单一计算单元（以1 m宽为一个单元）的范围内，对称布置预应力钢筋张拉位置，并分别张拉。 本项目算例中，单一计算单元布置了8束钢绞线，分为3束、3束、2束进行张拉。其中，在两跨内，两个3束组先对称同步张拉，一个2束组同时同步张拉，可以保障预应力筋的张拉效果。对于两跨长度不对称的情况，可以先张拉长跨预应力筋，再张拉短跨预应力筋，并在张拉短跨预应力筋时通过千斤顶、传感器等装置监测长跨预应力筋的应力损失情况，可以保证张拉效果。 在张拉力分级方面，重点应考虑上覆土层对预应力张拉过程的影响。应在逐步施加上覆土层的过程中，分阶段施加张拉力。张拉力的控制可伴随上覆土回填量占总覆土层需求量的比重进行张拉，具体可按照施工顺序进行同步设计。在常规张拉力分级方面，可参照以下标准进行。 第一级张拉：通常为设计张拉力的0.5倍；第二级张拉：为设计张拉力的0.75倍；第三级张拉：为设计张拉力的1.1倍；锚固值：在达到设计张拉力的1.1倍后，保持一段时间（通常为10 min），然后松弛至锚固值。 2 运营期混凝土收缩徐变对预应力损失影响研究 分析混凝土收缩对预应力损失的影响，依据图1所示的模型，分别构建不考虑混凝土收缩与考虑混凝土收缩两种工况，按照分步加荷分批张拉的方式进行加载，并提取代表性截面的预应力筋轴力分布情况，相关计算结果见表2。 表2 混凝土收缩对预应力损失的影响 对比两种工况可以发现，混凝土收缩带来的预应力损失对两端锚固区的影响相对较大，对中部的影响相对较弱，但总体影响的误差为4.41 %~6.20 %，在可接受范围内。设计时应综合考虑混凝土收缩对预应力损失的影响，优选锚具和混凝土强度。 分别构建不考虑混凝土徐变与考虑混凝土徐变两种工况，按照分步加荷分批张拉的方式进行加载，并提取代表性截面的预应力筋轴力分布情况（表3）。 表3 混凝土徐变对预应力损失的影响 对比两种工况可以发现，混凝土徐变带来的预应力损失影响与收缩类似，对两端锚固区的影响相对较大，对中部的影响相对较弱，但总体的影响量在5 %以下，实际设计过程中的影响可以忽略。设计时应综合考虑混凝土徐变对预应力损失的影响，优选锚具和混凝土强度。 3 运营期间火灾高温对预应力损失的影响 分析预应力明挖隧道在高温下的预应力损失，依据图1所示的模型，分别对钢束和框架施加高温荷载，并提取代表性截面的预应力筋轴力分布情况，如图4所示，见表4。 图4 预应力筋轴力分布对比 （a）高温下500 ℃工况（不考虑构件升温）； （b）高温500 ℃工况（考虑构件同步升温）； （c）高温1000 ℃工况（考虑构件同步升温）； （d）一般工作的工况 表4 高温对预应力损失的影响 对比两种工况可以发现，高温导致的预应力损失很大，在周边混凝土构件被同步加温的情况下，预应力筋受力峰值约为正常工作情况下的84 %，端部锚固区有效荷载下降30 %以上。随着温度升高到1 000 ℃，锚固区附近的预应力筋甚至会完全松弛。设计时应综合考虑防火措施，以避免火灾、高温等突发事故对结构整体内力和变形造成不利影响。 4 结论 针对混凝土明挖隧道结构预应力损失及其应对方法展开研究，从施工期和运营期预应力损失规律入手，提出预应力损失影响因素和降低预应力损失影响的方案。具体研究结论如下。 （1）在考虑竖向荷载和水平土压力耦合影响的情况下，预应力筋分批张拉会形成构件预应力损失，但损失值较小。但由于明挖隧道存在上覆水土荷载大小波动性大、侧向土压力的作用不确定性高及地基刚度作用的不确定性大等特点，在预应力明挖隧道结构设计过程中，仍需加强对分批张拉预应力损失的关注，通过优化张拉工艺控制预应力损失影响。 （2）钢束摩擦对预应力筋轴力产生的影响约15 %~30 %；提高张拉控制应力可以使预期有效预应力提升至不考虑摩擦损失工况下的90 %以上，可以实现有效预应力的优化。预应力筋转弯位置处存在较明显的摩擦损失，且随着张拉端转弯角度的增加，预应力损失也会明显上升。随着预应力钢筋外伸长度的增加，由摩擦引起的预应力损失也会逐渐增大。将预应力筋张拉控制应力由0.75 fptk提升至0.78 fptk，可以使预应力损失降低到预期范围之内。 （3）混凝土收缩带来的预应力损失对两端锚固区的影响相对较大，对中部的影响相对较弱，但总体影响率为4.41 %~6.20 %。混凝土徐变带来的预应力损失影响与收缩类似，对两端锚固区的影响相对较大，对中部的影响相对较弱，总体的影响量在5 %以下。设计时应综合考虑混凝土收缩、徐变对预应力损失的影响，优选锚具和混凝土强度，设置结构预拱值。 （4）高温导致的预应力损失较大，在周边混凝土构件被同步加温的情况下，预应力筋轴力峰值约为正常工作情况下的84 %，端部锚固区有效荷载下降30 %以上；若结构温度升高到1 000 ℃，锚固区附近的预应力筋甚至会完全松弛。设计时应综合考虑隧道内壁防火措施，避免火灾、高温等突发事故对结构整体内力和变形造成不利影响。 （5）预应力损失较大、但锚固体系没有损坏的结构，在保证锚索设计强度的前提下，可采用较大的吨位对既有钢束进行补偿张拉的措施进行预应力损失补偿。在工程实践中，还应加强对既有张拉预应力钢束进行定期监测和检测，切实掌握工程在全生命周期的工作状态。
