某大跨度预应力混凝土连续刚构桥孔道摩阻试验

曾凡举马磊

摘要：以某大跨度预应力连续刚构桥为工程背景，详细阐述了预应力筋孔道摩阻测试的基本原理及计算方法，采用最小二乘法对试验结果进行数据处理。通过在施工现场进行孔道摩阻试验，得到了合理的预应力孔道摩阻系数和偏差系数，为施工过程中合理地确定张拉力提供了依据。

关键词：预应力连续刚构桥；孔道摩阻；摩阻系数；偏差系数；最小二乘法

Abstract: Take a large-span prestressed continuous rigid frame bridge engineering as background, elaborated on the basic principles and computation methods of the prestressing tendons channel friction test, take the least squares method to deal with the data processing test results. Channel friction test at the construction site, it has been reasonable Tendon friction coefficient and the coefficient of deviation, provides a basis for the construction process to determine the tensile force.Key words: prestressed continuous rigid frame bridge; pore friction; friction coefficient; deviation coefficient; least squares method

中图分类号：U416.216+.1文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）05-0020-02

1 引言

预应力筋在张拉过程中存在各种损失。混凝土的收缩徐变、预应力筋的应力松弛、预应力筋与台座之间的温差、锚头变形及钢筋回缩和接缝压缩、预应力筋与孔道之间的摩擦等是引起预应力损失的主要因素。而其中预应力筋与孔道之间所引起的损失占很大比例,尤其是弯曲长束孔道的摩阻损失更大。虽然规范中已经提供了摩阻系数及偏差系数的建议值，但是因施工材料及施工工艺的差异，它们的偏差还是较大的。因此，有必要通过现场孔道摩阻试验，确定合理的摩阻系数及孔道偏差系数后，以准确求得预应力孔道摩阻损失，从而为施工中更加准确地确定张拉控制应力及钢束伸长量，为充分发挥预应力钢束的作用提供可靠的依据[1-2]。

2 工程简介

某桥为70+3×125+70m无砟轨道预应力混凝土双线铁路连续刚构梁桥（图1），设计时速250km/h，线路平面位于直线上，桥上未设置声屏障。梁全长516.6m，中支点梁高9.8m，端支点及跨中梁高为4.8m。截面采用单箱单室、变截面直腹板形式。箱梁顶板宽12.0m，底宽7.0m。主墩采用普通钢筋混凝土结构，为双薄壁刚构墩，壁厚1.8m，薄壁间距7.2m。墩横向宽为9.0m，纵向厚度为2.8m。

图1（70+3×125+70）m预应力连续刚构孔跨布置图（cm）

桥梁采用三向预应力体系，纵向和横向预应力采用抗拉标准值为1860Mpa的高强度低松弛钢绞线，公称直径15.2mm。采用BM15-4、BM15-4（P）锚具及锚固体系。管道采用金属波纹管成孔。竖向预应力筋采用Ф32mm预应力混凝土用螺纹钢筋，抗拉强度标准值为830MPa。

3 测试基本原理

3.1 摩阻损失的组成

预应力混凝土箱梁采用后张法施工时，预应力钢绞线布置一般分为直线布置和曲线布置两种。因此孔道摩阻引起的预应力损失也分为长度影响和弯道影响，即孔道偏差效应和曲率效应。理论上讲，直线孔道无摩擦损失，但由于施工时混凝土振捣等原因往往会使孔道不是理想的那么平直，加之预应力钢绞线因自重下垂与孔道产生接触，故当预应力钢绞线与孔道有相对滑动时就会产生摩擦，此项称为孔道走动影响(或偏差影响、长度影响)。除了孔道走动影响之外，还有钢绞线对孔道内壁的径向压力所产生的摩擦，该部分称为弯道影响,随预应力钢绞线弯曲角度的增加而增加。因此曲线孔道的摩擦损失应为孔道偏差效应与曲率效应之和。

3.2 孔道摩阻损失的计算

根据规范[3],后张法构件张拉时,预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失可按下式计算:

（1）

式中—预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失；

—主动端预应力钢筋的张拉控制力；

μ—预应力钢筋与孔道壁的摩擦系数；

θ—从张拉端至计算截面的长度上，钢筋弯起角之和（rad）；

k—孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数；

x—孔道直线长度（m）。

经过摩阻损失后距张拉端x处的力筋内力表达式为

（2）

式中：——张拉端拉力；

——距张拉端x处的力筋转角；

，——孔道摩阻系数和偏差系数；

x——直线孔道长度。

为了测定、值，常采用一端张拉一端固定的方法，根据下式计算、值：

(3)

式中：、l——张拉端至固定端的全部转角和索长；

——被动端力。

若选结构配有直束，则=0，可直接得到；若无直束，则借助2根以上索的测试结果利用最小二乘法原理计算得到、值，或假定值，计算值。最小二乘法原理如下：

因试验存在误差是不可避免的，假定式(3)的误差为，则有

(4)

如果测试的力筋有n束，则式(4)变为

(i=1, 2, …,n) (5)

式(5)中的、为第i根索的、l、为项，各索测试误差的平方和为

(6)

欲使试验误差最小，则

， (7)

由式(6)、(7)可得

(8)

通过式(8)，可同时求得和k。

4 孔道摩阻测试内容和方法

4.1 孔道摩阻测试内容

孔道摩擦阻力估算的准确程度直接影响到箱梁的上拱度和结构使用的安全。为此，应尽早进行现场试验以求得可靠的摩擦系数和孔道偏差系数值，以合理确定实际的预应力损失值。

为了尽早得到可靠的摩擦系数和孔道偏差系数，为后续施工提供可靠的计算和施工参数，选择薄壁墩的零号块完成后，对孔道摩阻进行测试。测试选择两条顶板束和两条腹板束进行测试，共四个孔道。

顶板束T0、腹板束F0的竖弯参数（无平弯）见图2、图3及表1。

4.2 孔道摩阻测试方法

孔道摩阻测试过程见图4。测试设备包括：穿心式压力传感器及读数装置两套；相应吨位的张拉千斤顶（含高压油泵）两套；锚具、限位板等。

图4 孔道摩阻测试示意图

试验在现场零号块进行，按示意图安装好测试装置预应力设备与实桥相同。

测试开始前先将被动端油顶伸出6～8 cm ,便于测试完成后拆卸试验装置。在测试过程中保持一端油顶主动,另一端被动的状态。按照控制张拉力的大小分为4～6 级,每级持荷5min ,记录每级主、被动端压力值，直至控制张拉力。取控制张拉力下的P1/P2更接近于施工实际状态。每个孔道测试6次,主、被动端调换前后分别测试3次。最后利用得到的P1/P2值进行孔道摩阻参数的计算。

5 测试结果分析

试验共选择4根孔道进行测试。腹板2根，分别编号为F0-1、F0-2；顶板2根，分别编号为T0-1、T0-2。每根孔道共张拉6次，主、被动端调换前后分别张拉3次。

将四根孔道的基本测试数据通过线性回归确定两端拉力的比值，共得到24组数据。回归分析曲线见图5~图12，整理分析曲线中的Fb/Fa比值见表2。

6 结论

1、根据实测结果，孔道摩阻系数μ=0.2558，局部偏差系数k=0.00283，均在规范值以内，比设计值稍大。

2、设计、施工单位依据测试结果适当调整预应束张拉力的大小。实际工程中，应尽可能的进行现场测试以获取准确的摩阻参数，并根据实测结果进行施工控制。

3、由试验结果可知，本次孔道摩阻试验是成功的，测试原理简明、工艺简单方便，利用最小二乘法原理对数据进行处理，数据准确可靠。比较真实地反映了该梁的孔道摩阻损失，为现场预应力筋的张拉提供了重要的依据。

参考文献

[1] 黄标良. 预应力混凝土结构管道摩阻试验研究[J].铁道建筑,2011(5):9-10

[2]叶敬彬,张楠.预应力孔道摩阻损失试验与参数识别[J].科学技术与工程,2009,9(22):6231-6232

[3] 中华人民共和国铁道部.TB10002.3-2005.铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范.北京:中国铁道出版社,2005:49

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。