體外預(yù)應(yīng)力鋼束的摩阻損失試驗(yàn)研究

張宏華

（鹽城市第二交通工程處，江蘇 鹽城 224005）

體外預(yù)應(yīng)力鋼束的摩阻損失試驗(yàn)研究

張宏華

（鹽城市第二交通工程處，江蘇 鹽城 224005）

隨著預(yù)制拼裝技術(shù)的發(fā)展，體外預(yù)應(yīng)力鋼束在橋梁設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。文章介紹了體外預(yù)應(yīng)力鋼束的摩阻損失試驗(yàn)方案，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)摩阻系數(shù)進(jìn)行了分析，給出了摩阻系數(shù)的合理取值；試驗(yàn)同時(shí)還驗(yàn)證了體外束的滑移效應(yīng)，結(jié)果表明滑移效應(yīng)很小可忽略，但PE護(hù)套應(yīng)有1 mm的壁厚防止破損影響預(yù)應(yīng)力束的耐久性。

體外預(yù)應(yīng)力；摩阻系數(shù)；滑移效應(yīng)；追隨性；試驗(yàn)

近年來，隨著預(yù)制拼裝施工方法的逐步推廣和應(yīng)用，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用。體外束通常采用無粘結(jié)高強(qiáng)度低松弛環(huán)氧噴涂鋼絞線，外套管選用高密度聚乙烯管或鍍鋅鋼管，預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)的損失計(jì)算不同于體內(nèi)束，摩阻損失的參數(shù)取值宜通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。體外束在轉(zhuǎn)向塊處易發(fā)生滑移，引起預(yù)應(yīng)力的重新分配，這和施工工藝也有較大關(guān)系，可以通過試驗(yàn)手段驗(yàn)證體外束的滑移效應(yīng)或追隨性能［1-4］。

1 試驗(yàn)方案

參照75 m跨徑連續(xù)梁施工圖設(shè)計(jì)圖紙，按模型試驗(yàn)的相似原理設(shè)計(jì)模型梁。模型試驗(yàn)的目的是了解預(yù)制梁采用體外預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)的摩擦損失情況以及鋼束與預(yù)應(yīng)力管道之間的相對(duì)滑移情況。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，同時(shí)便于施工和試驗(yàn)，確定比例尺選用1∶2.5。截面尺寸、錨固塊尺寸、轉(zhuǎn)向塊尺寸均按幾何相似比設(shè)計(jì)。鋼筋數(shù)量、體外束配束量依據(jù)模型和實(shí)橋應(yīng)力應(yīng)變相似的原則設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)構(gòu)件采用強(qiáng)度為C50的混凝土節(jié)段預(yù)制箱梁，梁長30 m，頂寬3.1 m，底寬1.7 m，兩側(cè)懸臂各0.6 m，箱室寬1.0 m，高1.15 m，頂板、底板、腹板的厚度均采用0.35 m，如圖1所示。

圖1 體外束試驗(yàn)構(gòu)件的一般構(gòu)造圖（單位：cm）

體外預(yù)應(yīng)力鋼束轉(zhuǎn)向位置設(shè)置轉(zhuǎn)向塊，順橋向?qū)?8 cm。體外束采用無粘結(jié)聚乙烯高強(qiáng)低松弛光面鋼絞線，單根直徑15.2 mm。

體外束轉(zhuǎn)向塊與錨固塊布置在30 m試驗(yàn)梁頂面，如圖2所示。由于轉(zhuǎn)向塊處預(yù)應(yīng)力損失為單根損失的綜合，且相互損失并不影響，在實(shí)際測(cè)試過程中，每一束鋼束只張拉（錨固）其中6根鋼絞線。

圖2 體外束轉(zhuǎn)向塊錨固塊布置示意圖（單位：cm）

孔道摩阻試驗(yàn)方案示意圖如圖3所示。體外束孔道摩阻試驗(yàn)時(shí)，張拉端和被動(dòng)端各安裝一臺(tái)26 t前卡式千斤頂，并分別布置一個(gè)20 t壓力傳感器，工作錨內(nèi)不安裝夾片，千斤頂內(nèi)也不裝夾片，錨固依靠后面的單孔夾片錨錨固。張拉以控制張拉應(yīng)力的0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0倍為級(jí)數(shù)進(jìn)行。

圖3 孔道摩阻試驗(yàn)方案示意圖

體外束為薄環(huán)氧涂層鋼絞線，外側(cè)涂一層油脂，然后再外包PE護(hù)套。PE護(hù)套與鋼絞線之間存在一定的摩阻，在轉(zhuǎn)向區(qū)段受徑向局部側(cè)壓力，如果摩擦較大，PE護(hù)套內(nèi)壁有可能追隨鋼絞線移動(dòng)，加上PE外壁被轉(zhuǎn)向器的內(nèi)壁摩擦，可能造成“起皮”效應(yīng)，影響外觀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞PE護(hù)套，削弱對(duì)鋼絞線的保護(hù)。驗(yàn)證體外束的滑移效應(yīng)或追隨性能，采用的試驗(yàn)方法為：預(yù)應(yīng)力束張拉到10%控制應(yīng)力時(shí)，預(yù)應(yīng)力束已經(jīng)繃緊，此時(shí)在外露段PE護(hù)套設(shè)做一個(gè)標(biāo)記，記錄其位置。當(dāng)張拉至100%控制應(yīng)力后，再記錄其位置，比較前后位置的變化情況。由于試驗(yàn)用的預(yù)應(yīng)力束較短，為了和實(shí)際情況吻合，張拉前將被動(dòng)端千斤頂打出一定行程（15 cm左右），張拉端張拉時(shí)，被動(dòng)端緩慢回油，模擬實(shí)際情況。張拉后抽出鋼絞線，觀察PE護(hù)套的外觀是否受損。

2 結(jié)果分析

2.1 孔道摩阻試驗(yàn)

體外預(yù)應(yīng)力鋼束配置在混凝土結(jié)構(gòu)外部，其鋼束線形由轉(zhuǎn)向位置或錨固位置的曲線段和其間的直線段組成。對(duì)于直線段，由于鋼束管道線形和外觀不受施工因素的影響，這部分的摩阻損失可以忽略不計(jì)。

式中：σcon為張拉預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)的錨下控制應(yīng)力；μ為體外預(yù)應(yīng)力鋼束與管道壁的摩擦系數(shù)；θ為張拉端到計(jì)算位置處的鋼束轉(zhuǎn)角之和，如果有平彎，應(yīng)取空間夾角。

本次試驗(yàn)共張拉12根鋼絞線，測(cè)得的孔道摩阻系數(shù)在不同的荷載張拉力作用下的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 孔道摩阻系數(shù)隨張拉荷載等級(jí)的變化關(guān)系

將各根鋼束在不同張拉力作用下的摩阻系數(shù)取平均值，然后繪制成變化曲線如圖5所示。

圖5 不同鋼束孔道摩阻系數(shù)變化曲線

綜合以上體外束鋼絞線的試驗(yàn)結(jié)果，由圖4、圖5可以看出，體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線的摩阻系數(shù)μ值基本在0.12～0.17變化，平均值為0.13。

體外預(yù)應(yīng)力束的摩擦損失主要在轉(zhuǎn)向塊和錨固塊處，孔道偏差摩擦損失系數(shù)k可近似取0，主要考慮孔道彎曲摩擦系數(shù)μ。

美國AASHTO橋梁規(guī)范對(duì)于有粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力束的摩擦系數(shù)取0.25，日本體外索結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件工法設(shè)計(jì)施工規(guī)范中規(guī)定有粘結(jié)的PE管道取值0.23，而我國《建筑工程預(yù)應(yīng)力施工規(guī)程》（CECS 180∶2005）中μ值為0.15～0.20，OVM提供的μ值為0.12～0.15，同濟(jì)大學(xué)預(yù)應(yīng)力研究中心則建議單根無粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力鋼束的摩擦系數(shù)μ值取0.08～0.10。本次試驗(yàn)測(cè)得的摩阻系數(shù)μ值為0.13，處于國內(nèi)各種規(guī)范給定的取值范圍之內(nèi)，建議施工計(jì)算據(jù)此進(jìn)行。

2.2 鋼束滑移效應(yīng)

體外預(yù)應(yīng)力束PE套管的張拉追隨性是指張拉預(yù)應(yīng)力束時(shí)，PE套管跟隨鋼絞線移動(dòng)的性能。由于體外預(yù)應(yīng)力體系的摩擦主要在轉(zhuǎn)向塊和錨固塊中，如果追隨性較大，在轉(zhuǎn)向塊和錨固塊處的PE套管容易產(chǎn)生“起皮”現(xiàn)象，影響外觀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損傷套管，影響體外預(yù)應(yīng)力束的耐久性［5-8］。

測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。由表可知體外預(yù)應(yīng)力束的外包PE護(hù)套在張拉過程中基本不隨鋼絞線移動(dòng)。說明PE護(hù)套和鋼絞線之間填充了油脂，二者之間摩阻較小，而PE護(hù)套外壁與轉(zhuǎn)向器之間有足夠的摩擦力防止PE護(hù)套隨鋼絞線一起移動(dòng)，因此不會(huì)產(chǎn)生“起皮”現(xiàn)象。

表1 體外束滑移位移量 mm

對(duì)張拉后的體外預(yù)應(yīng)力束PE護(hù)套的外觀檢查可知，護(hù)套沒有產(chǎn)生起皮現(xiàn)象。但在轉(zhuǎn)向塊及錨固塊處，由于護(hù)套受到鋼絞線的擠壓，護(hù)套產(chǎn)生了一定的損傷（護(hù)套表面產(chǎn)生了一些壓痕，但護(hù)套沒有破損），根據(jù)OVM提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，PE管的壁厚在0.8～1.2 mm，建議壁厚應(yīng)不小于1 mm，避免PE管過薄而破損，影響體外預(yù)應(yīng)力束的使用壽命。

由于本次所用的體外束為薄環(huán)氧涂層鋼絞線，其錨固夾片與普通夾片基本相同，因此須將張拉端的PE護(hù)套剝除。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，外包PE護(hù)套在張拉過程中基本不隨鋼絞線移動(dòng)，因此在和OVM廠方技術(shù)人員交流后，決定張拉端護(hù)套剝除長度應(yīng)在滿足張拉設(shè)備需要的前提下，再在孔道內(nèi)多剝出10～15 cm即可滿足施工需要。

本項(xiàng)試驗(yàn)通過實(shí)際模擬體外預(yù)應(yīng)力束的張拉過程，驗(yàn)證了項(xiàng)目所用體外束PE套管的張拉追隨性較小，完全滿足施工需要。

由于本次施工所用的體外束鋼絞線為OVM公司提供的薄環(huán)氧涂層鋼絞線，預(yù)埋件轉(zhuǎn)向器等也都是OVM提供的，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果可看出體外束孔道摩擦系數(shù)與OVM所提供的參考值基本吻合。

3 結(jié)論

現(xiàn)行橋梁施工規(guī)范中尚未對(duì)體外束的孔道摩阻系數(shù)作出明確規(guī)定，建議參考國內(nèi)相關(guān)規(guī)范和施工經(jīng)驗(yàn)取值進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。實(shí)際工程有條件時(shí)，可進(jìn)行摩阻損失試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果取值并進(jìn)行施工計(jì)算。實(shí)際施工過程中，也可通過實(shí)測(cè)的有效預(yù)應(yīng)力反算摩阻損失，用以校核試驗(yàn)結(jié)果。

體外預(yù)應(yīng)力鋼束在張拉過程中的滑移效應(yīng)較小，一般情況下，設(shè)計(jì)和施工中可不予考慮。雖然體外預(yù)應(yīng)力束的外包PE護(hù)套在張拉過程中基本不隨鋼絞線移動(dòng)，但是為避免PE護(hù)套在轉(zhuǎn)向塊及錨固塊處由于摩擦擠壓而破損，建議PE管壁厚應(yīng)不小于1 mm，實(shí)際生產(chǎn)的PE套管都能滿足該項(xiàng)壁厚的要求。

［1］方德平，王全鳳.體外預(yù)應(yīng)力梁的摩擦單元與摩擦效應(yīng)分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2012（3）:123-124.

［2］董斌.考慮次軸力影響的體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁的試驗(yàn)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2009.

［3］胡彥君.重載鐵路橋梁體外預(yù)應(yīng)力加固法的關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2015.

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Experimental Study on Friction Loss of External Pre-stressed Tendon

Zhang Honghua
（The Second Traffic Engineering Department of Yancheng City, Yancheng 224005, China）

With the development of the pre-stressed assembly technology, the external pre-stressed tendons have been widely applied in bridge design.Firstly it introduces the friction loss of externally pre-stressed tendons testing scheme.And then according to the test results, the friction coefficient are analyzed. At last, it gives the reasonable values of friction coefficient. Meanwhile the test also verifies the slip effect of the external pre-stressed tendons.Results show that the slippage effect is very small and can be ignored, but PE sheath should be 1 mm wall thickness to prevent to be damaged, which affect the durability of external pre-stressed tendons.

external pre-stressed tendon；friction coefficient; slippage effect; tracing ability; test

U443.38

A

1672-9889（2016）06-0052-03

2015-12-29）

張宏華（1972-），男，江蘇鹽城人，工程師，主要從事道橋技術(shù)管理工作。