基于光纤智能钢绞线的预应力施工精细化控制方法

张拉控制应力是指预应力钢筋在张拉时控制达到的最大应力值。张拉控制应力的取值直接影响预应力混凝土的使用效果，由于目前预应力的取值一般是根据规范规定进行的，未考虑不同工程的个性，以及同一工程中不同位置和不同龄期混凝土的差异，往往预应力值控制较差，会带来严重的结构安全隐患。

本文在课题组预应力损失监测的研究基础上提出预应力混凝土结构的预应力精细化施工方法，在不改变原结构施工方案和工艺流程的前提下，采用智能钢绞线代替普通钢绞线，通过现场原位试验获取预应力瞬时损失，通过实时调整张拉控制力，以更精准地实现预应力有效应力的目的。智能钢绞线可实时获取钢绞线的有效应力状态，准确把握张拉施工后和服役阶段有效应力值均，可用于评估预应力混凝土结构的安全状态。

1?基本原理

预应力混凝土结构通过有效预压应力作用于结构构件上来发挥作用，有效预应力的多少直接关系到结构构件的安全性和功能性。现阶段预应力技术主要通过预估预应力损失值来确定张拉控制力，以获取有效预应力。预应力损失可分为与时间无关的瞬时预应力损失及与时间强烈相关的长期预应力损失。通过分析得知，与瞬时预应力损失相比，长期预应力损失主要与时间和结构材料有关，其受环境影响小，不确定性小，容易准确估算；而瞬时预应力损失主要与结构构件的现场条件有关，受施工条件影响大，易导致结构成形态异常。

若能通过实测获取瞬时预应力损失值，并在现场实时修正张拉控制力值即可获取准确的有效预应力值。为此，本文在前期研究的基础上提出基于智能钢绞线的预应力精细化张拉控制方法，采用智能钢绞线代替同类型普通钢绞线，在大面积张拉前先张拉智能钢绞线，通过智能钢绞线的光纤光栅传感器获取有效预应力值，经多次纠偏后确定实测预应力瞬时损失修正后的张拉控制力；再以该张拉控制力完成全部同类型钢绞线的施工过程，从而实现在不改变施工张拉工艺流程和不增加施工工序的前提下，完成张拉控制力的现场标定工作，实现预应力精细化张拉控制。

预应力精细化张拉控制方法流程如图1所示。

图1??基于智能钢绞线的精细化张拉工艺流程

1.1　基于智能钢绞线的精细化张拉控制方法的优势

与传统预应力张拉方法相比，基于智能钢绞线的精细化张拉控制方法具有如下优势。

（1）可通过智能钢绞线内光纤光栅传感器准确获取有效预应力值，定量保证施工质量。

（2）通过反复调整过程，相当于在原位进行了瞬时损失标定试验，可准确获取瞬时损失，从而获取张拉控制力，实现施工精细化控制。

（3）智能钢绞线不仅具有感知功能还具备受力性能，在受力方面可完全代替普通钢绞线，对原结构扰动小。

（4）智能钢绞线可延续至施工后，获取长期预应力损失值，准确把握预应力损失状况，获取服役前的结构安全状态。

1.2　预应力精细化张拉控制方法调整计算

预应力混凝土结构的有效预应力：

σ _p = σ _con – σ ₁₁ – σ ₁₂ （1）

式中： σ _p 为有效预应力值（MPa）； σ _con 为张拉控制应力值（MPa）； σ ₁₁ 为预应力瞬时损失（MPa）； σ ₁₂ 为预应力长期损失（MPa）。

按现有规范，有效应力值是设计要求的核心应力值，也是计入结构有限元模型进行数值模拟计算的选取值。张拉控制应力值是由有效应力值+预估的两项预应力损失得来，其中预应力长期损失主要与材料的时间属性有关，在材料确定的情况下较易估计得到且预应力损失的占比较少；预应力瞬时损失主要与现场的施工条件有关，不确定性因素多，往往不易准确控制。若能通过有效测试手段获取实际工程的瞬时损失值，即可在现场修正张拉控制力值，从而实现精细化张拉，即：

σ _conj = σ _con + σ _11j – σ ₁₁ + c （2）

式中： σ _conj 为修正后的张拉控制力（MPa）； σ _11j 为实测的瞬时损失（MPa）； c 为提高张拉控制力后预应力瞬时损失提高补充系数，可根据经验选取。

2　预应力精细化张拉控制方法

2.1　工程概况

本工程分为6大区域，36个施工流水段。预应力筋平面及剖面位置是预应力控制的重点，预应力筋需在混凝土强度达到设计要求的75%后方可张拉，跨后浇带的预应力筋需待后浇带强度达到设计要求的75%后方可张拉。受缓粘结预应力筋张拉适用期的限制，如果张拉时超过张拉适用期限制的时间，将会导致预应力筋无法张拉，影响结构有效应力的建立。

2.2　测点分布

通过带有光纤光栅传感器的智能钢绞线代替普通钢绞线获取有效应力值，理论清楚、实际验证也表明该方法切实可行，但在经济上较难实现，故针对国家会议中心二期项目的钢绞线体量巨大的情况。选择一个折中方法，即通过现场预应力损失标定试验来确定合理的张拉控制力，用于进行其他同类型钢绞线的张拉工作，这样同类型钢绞线的精细化施工控制仅需布设一根智能钢绞线，可大幅度降低施工成本。图2为预应力精细化张拉控制系统智能钢绞线布置示意。

图2　预应力精细化张拉控制系统智能钢绞线布设示意

2.3　缓粘结光纤光栅智能钢绞线

预应力混凝土结构按不同的施工工艺分为有粘结体系和无粘结体系。由于预应力筋张拉时存在预应力摩擦损失和灌浆质量问题，常给后张法有粘结预应力混凝土结构的安全带来隐患。无粘结预应力技术虽可减少预应力筋张拉和灌浆产生的隐患，也解决了在狭窄空间内布筋的难题，但由于结构方式的缺陷，无粘结预应力构件的极限抗拉强度比同条件设计的有粘结预应力构件弱30%左右。

为规避传统的后张法有粘结和无粘结预应力混凝土结构各自无法避免的缺点，缓粘结预应力体系结合了无粘结和有粘结2种体系的优势。在缓粘结体系中采用缓粘剂包裹应力钢绞线，其前期无粘结力，与无粘结体系相同，随时间增长缓粘剂粘结力增大，形成了有粘结体系。因本项目预应力混凝土空心板采用此种缓粘结预应力混凝土体系，故要求用于监测预应力损失的智能钢绞线同样采用缓粘结智能钢绞线，以减少对工程结构的扰动。缓粘结智能钢绞线以智能钢绞线 为主体，通过缓粘结钢绞线专业机械制作成型（图3）。

（b）

（c）

（d）

（e）

图3?缓粘结智能钢绞线成型过程

（a）智能传感筋；（b）缠绕铜薄片；（c）组装智能钢绞线；（d）拉挤成型装置；（e）成型缓粘结智能钢绞线

3　预应力精细化张拉控制系统的实施

3.1　智能钢绞线布设

国家会议中心二期工程中，主要针对实现钢绞线有效应力的施工定量问题并考虑本项目为科研项目，及以后应用的可操作性，尽量减少对现有装备和工艺的影响，未增加施工流程，也未改变穿筋和张拉过程的设备及人员，仅进行了施工交底工作。图4为部分智能钢绞线和普通钢绞线的施工过程。

（a）      （b）

（c）      （d）  

图4??钢结构大跨度梁的施工安装过程

（a）铺板筋；（b）智能钢绞线所在位置；（c）钢绞线传输线保护方式；（d）最终调整 

3.2　预应力张拉精细化施工监控过程

国家会议中心二期项目预应力精细化施工的核心目的是使预应力施工后预应力钢筋的有效应力等于或十分接近设计有效应力。为探索预应力定量控制施工工艺，在原施工控制的基础上以地下1层顶板E区的钢绞线作为研究对象。按以下步骤进行施工和测试。

（1）步骤一：油表值达到设计张拉控制力后持荷2?min后进行放张锚固。

（2）步骤二：若有效应力不符合设计要求，应调整确定达到有效应力值时的油表值。

（3）步骤三：以步骤二确定的油表值和步骤一所用的方法对普通钢绞线进行一次张拉。

将根据式（1）（2）算得的整个预应力张拉精细化施工控制过程的有效应力值见表1。

表1　地下1层顶板E区预应力钢绞线 精细化施工数据     MPa

由表1的修正和计算过程可知，以设计值为依据，并以实测有效应力值进行合格判定，通过智能钢绞线中光纤光栅传感器获取的预应力瞬时损失比设计值大，其主要原因为本项目钢绞线长达40?m，单端张拉且楼板厚度大，楼板内钢绞线可能有过多的弯曲情况。

瞬时预应力损失的增大会导致有效应力无法满足实际工程需要，通过式（2）的修正方法可获得新的张拉控制力，最终通过对比实测的有效应力值与设计值，在可控范围内验证修正后的张拉控制力准确可靠，可以实现预应力张拉精细化控制。

4　基于智能钢绞线的有效预应力服役状态分析

预应力钢筋张拉锚固后，预应力楼板虽未承力，但随着混凝土的收缩徐变和预应力筋的松弛，预应力长期损失已开始发展，采用智能钢绞线中光纤光栅传感器数据分析预应力楼板预应力钢绞线有效应力在无外力作用下的演化规律，如图5所示。

图5　无外力作用下有效应力值变化规律

由图5可知，随着时间增加预应力长期损失逐渐增大，且前期（约2?d）的变化率较大，2?d后逐渐平缓。10?d后的预应力损失值约为50?MPa。相应的有效预应力值在前期减少较多，10?d后预应力楼板的有效预应力约为1?060?MPa，满足设计要求。

5　结束语

现有预应力的施工方法主要是在预估预应力损失后确定张拉控制力，该预估值是否准确成为施工成败的关键，而受施工现场条件不确定性的影响，准确估计预应力损失难度较大，严重地限制了预应力技术的应用和发展。

针对以上问题，本文在不改变原结构施工方案和工艺流程的前提下，采用智能钢绞线代替普通钢绞 线，通过现场原位试验获取预应力瞬时损失，并实时调整张拉控制力，实现了对预应力施工过程的精细化控制，并得到结论如下。

（1）智能钢绞线的几何和力学性能与普通钢绞线接近，无需改变原有预应力施工工艺和仪器设备。

（2）智能钢绞线内光纤光栅传感器可获取施工阶段和服役阶段的有效预应力值。

（3）本文提出的基于现场实测预应力瞬时损失来调整张拉控制力，实现预应力有效应力定量控制的方法理论清楚，切实可行，已通过北京鲜活农产品流通中心等工程得到了验证。

（4）智能钢绞线不仅可获取施工阶段的钢绞线有效应力，还可将其延伸至长期预应力损失阶段及服役阶段，用以考察预应力混凝土结构有效预应力的演化规律，从而评估结构的安全状态。