预应力连续梁桥管道摩阻试验研究

王贺庆 金 晶 刘勇志

0 引言

预应力结构中预应力筋的拉应力是一个不断变化的值。在预应力结构的施工及使用过程中,由于张拉工艺、材料特性以及环境条件的影响等原因,预应力筋中的拉应力是不断降低的。这种预应力筋应力的降低,即为预应力损失。满足设计需要的预应力筋中的拉应力,应是张拉控制应力扣除预应力损失后的有效预应力。因此,一方面需要预先确定预应力筋张拉时的初始应力(一般称为张拉控制应力σcon),另一方面需要准确估算预应力损失值[1]。规范[2]规定,后张法预应力混凝土构件预应力损失包括5项,其中预应力钢筋与管道之间的摩阻损失σl1所占比例较大[3]。

1 原理依据

1.1 应力损失机理

预应力钢筋与管道之间的摩阻损失σl1出现在后张法预应力混凝土构件中。在张拉预应力筋时,由于预留管道的位置可能不顺直、管道壁粗糙等原因,使预应力筋与管道壁之间产生摩擦,故通过千斤顶对预应力筋在控制应力下进行张拉而产生的每个截面应力逐渐减小,离张拉端越远,应力减小的越快。而任何两个截面之间的应力差,在短时间内,主要就是由σl1所造成的,可以近似的看成这两个截面之间的预应力管道摩阻损失值[4]。

摩阻损失主要由管道的弯曲和管道的偏差两部分影响所产生的。理论上,直线管道无摩阻损失,但由于施工中管道主要由分布在一定间距上的定位钢筋来固定的,这样任何两个定位钢筋之间的管道必然会产生一定的弧度,因而直线预应力筋在张拉时实际上仍会与周围管道接触、摩擦而引起摩擦损失,此项损失被称为管道偏差影响摩擦损失(偏差系数k),其值较小。主要与预应力筋的长度、管道的施工质量以及管道的材料系数有关。弯道部分除了管道偏差影响外,还有因管道弯曲、张拉时预应力筋对管道内壁的径向垂直挤压力所引起的摩擦损失,此项损失被称为弯道影响的摩擦损失(摩阻系数μ),其值较大,并随预应力筋弯曲角度之和的增加而增加。

根据规范[2],预应力钢筋与管道摩擦引起的预应力损失值σl1,可按下式计算:

其中,θ为从张拉端至计算截面曲线管道部分切线的夹角之和,rad;x为从张拉端至计算截面的管道长度,可近似地取该段管道在构件纵轴上的投影长度,m;其他符号上文已有提及。

同济大学薛伟辰教授[1]也做了相关推导过程。

1.2 试验依据

已知,预应力管道摩阻损失主要是由管道偏差损失和弯道的摩阻损失两部分组成,而且各自反映在偏差系数k和摩阻系数μ上,因此,只要通过确定k,μ就可以计算预应力的摩阻损失。

通过试验量测,可知张拉端的张拉力P和被动端的张拉力P′,则管道摩阻损失力为ΔP:

经变换亦可得:μ θ+kx=ln(P/P′),对于整个主梁,将x=l代入则得:

令yi=ln(Pi/P′i),则利用最小二乘法原理可以得到偏差系数k和摩阻系数μ的求解公式为:

将试验测试数值代入即可求得偏差系数k和摩阻系数μ[5,6]。

2 具体试验

2.1 工程概况

颖河大桥位于阜阳市的北三环路,跨越市内的颖河,是阜阳市城区重要的东西交通要道。颖河大桥主桥为预应力混凝土连续梁结构,全长(70.5+116+70.5)m。采用悬臂法施工。通过对主桥第五节段进行预应力管道的摩阻系数试验,以提供设计施工参考的依据。

2.2 加载方案与测点布置

选取第五节段的2束T6和1束F6作为研究测试对象。首先,在测试预应力束两端依次安装千斤顶和张拉工具锚,并拖动钢绞线证实管道内无阻碍张拉的物体。其次,将B端封闭作为被动端,A端作为主动端,分别张拉千斤顶至 0.2σcon,0.35σcon和0.5σcon,持荷5 min后记录两端油压表读数。之后千斤顶回油,放松钢束。上述测试工作重复3次,然后调换主动端和被动端,再把上述测试工作同样进行3次。最后,将千斤顶移至另一测试预应力束并安装,之后重复前述的操作内容直至各预应力筋束测试完毕。

试验时,为了千斤顶有足够的行程,先在被动端张拉8 cm～10 cm的油缸行程长度,然后锚固被动端,并在主动端分三个工况进行预应力钢绞线张拉的办法来获取考虑管道摩擦损失时两端的张拉力。

其中2束T6为顶板平弯束,无竖弯,1束F6为腹板束,同时有平弯和竖弯(见图1)。

2.3 试验结果

经过18次往返分阶段进行张拉试验之后,得出了试验结果数据。按张拉端和被动端张拉力的大小得出结果如图2～图4所示。

3 误差分析及结论

3.1 误差分析

从上面的试验数据计算分析中可以得到摩阻系数和偏差系数值,但是通过上面的计算分析可以看到很难同时得到符合设计规范要求的μ,k值[2],参考其他桥的摩阻试验,总结出导致误差的几个原因:1)试验条件的限制,由于本桥采用此种方法未能考虑到临时工具锚与预应力钢束之间的磨损,进而可能产生误差;2)由于摩阻试验是对特定的几束钢绞线进行测量,难免会造成取样具有随机性,保证不了精度;3)规范的要求过于理论化,由于实际施工条件的限制不可避免地有误差产生,导致了数据的离散性;4)造成管道摩阻损失的原因复杂,如管道直径及其偏差,钢绞线表面粗糙度及顺直度,特别是成孔管道的定位方式及浇筑混凝土时的振捣等,都使试验难于控制。

3.2 结论

通过对颖河大桥箱梁纵向预应力钢绞线中的3束进行管道摩阻试验,得出实测摩阻系数μ和偏差系数k值分别为0.294和0.004 1,比设计取用的0.14～0.17和0.001 5值都偏大,误差分别为72.9%和173%。建议施工方在后续梁段的施工过程中要准确设置预应力管道的定位钢筋,在弯转部位要加密布置;严格按设计要求进行两端对称张拉,以减少预应力摩擦损失;进行101%～102%的超张拉,同时在达到张拉控制吨位时持荷3 min～5 min。

[1]薛伟辰.现代预应力结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[2]交通部,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3]刘金生.大跨度PC连续梁桥孔道摩阻系数测试研究[J].兰州交通大学学报,2008(30):25-26.

[4]叶见曙.结构设计原理[M].第2版.北京:人民交通出版社,1997.

[5]李毅卉,徐力平,汪军凯.大跨度预应力混凝土桥孔道摩阻试验研究[J].市政技术,2009(25):28-29.

[6]汪良旗,汪益敏,宋 琢.东莞市厚街水道大桥波纹管摩阻系数的测试与分析[J].公路,2003(20):32-35.