預(yù)應(yīng)力混凝土后張梁孔道摩阻損失試驗(yàn)分析

葉恒梅

(湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢　430079)

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預(yù)應(yīng)力混凝土后張梁孔道摩阻損失試驗(yàn)分析

葉恒梅

(湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢430079)

摘要：在后張法預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的建設(shè)中，預(yù)應(yīng)力孔道摩阻損失問題十分突出?？椎滥ψ铚y試對確保橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、安全性和耐久性有著重要意義。以仙葫大橋?yàn)槔诠椒治龅幕A(chǔ)上結(jié)合最小二乘法原理，推導(dǎo)出孔道摩阻參數(shù)的計(jì)算公式，為減少預(yù)應(yīng)力損失，提出了孔道摩阻試驗(yàn)檢測的方案，同時(shí)對該橋現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算和分析。研究結(jié)果可為同類施工提供參考。

關(guān)鍵詞：后張法預(yù)應(yīng)力；孔道摩阻損失；摩阻系數(shù)中圖分類號:TU757.14?

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2016.01.003

1孔道摩阻損失概述

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋需施加的預(yù)應(yīng)力以及施加后在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的有效預(yù)應(yīng)力的確定是保證橋梁結(jié)構(gòu)安全性能的關(guān)鍵。在后張法預(yù)應(yīng)力施工中，預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁之間的摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失所占比例很大。預(yù)應(yīng)力孔道摩阻損失主要考慮孔道彎曲和孔道偏差兩部分影響。由孔道彎曲引起的摩阻損失僅在曲線部分予以考慮，它與摩擦系數(shù)和附加法向力成正比，即摩阻系數(shù)μ；由孔道偏差引起的摩阻損失在直線段和曲線段均需考慮，它與預(yù)應(yīng)力和孔道長度成正比，即偏差系數(shù)k。在工程實(shí)際中，對于彎曲長束孔道摩阻損失往往比設(shè)計(jì)計(jì)算值大，最后導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力施加時(shí)控制張拉力和伸長量雙控與規(guī)范規(guī)定的值相差較大，而這主要是由實(shí)際孔道摩阻系數(shù)和偏差系數(shù)與規(guī)范所規(guī)定的數(shù)據(jù)不相符造成的。因此，在預(yù)應(yīng)力束張拉前，需要通過現(xiàn)場實(shí)測孔道摩阻系數(shù)μ和偏差系數(shù)k，求出預(yù)應(yīng)力孔道的實(shí)際摩阻損失，從而為施工中準(zhǔn)確確定張拉控制應(yīng)力及鋼束伸長量提供可靠依據(jù)，以保證梁體有效預(yù)應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求。

2孔道摩阻損失的計(jì)算原理

由預(yù)應(yīng)力筋孔道摩阻引起的預(yù)應(yīng)力損失，一般按規(guī)范給定公式計(jì)算[1]，計(jì)算公式如下[2]：

σl1=σcon[1-e-(μθ+kx)]

(1)

設(shè)主動端與被動端壓力傳感器測試值分別為P1、P2，l為孔道長度，θ為孔道全長的曲線包角，根據(jù)式(1)推導(dǎo)μ和k的計(jì)算方程式如下：

式(1)兩邊同乘以預(yù)應(yīng)力鋼絞線的有效面積可得：

P1-P2=P1(1-e-(μθ+kx))

即：

P2=P1e-(μθ+kx)

(2)

式(2)兩邊取對數(shù)可得：μθ+kl=-ln(P2/P1)

(3)

令，y=-ln(P2/P1),則μθ+kl=y，故對不同管道的測試可得如下方程式：

μθ1+kl1=y1即μθ1+kl1-y1=0

μθ2+kl2=y2即μθ2+kl2-y2=0

μθn+kln=yn即μθn+kln-yn=0

由于測試存在誤差，上式右邊不會為零，假設(shè)

μθ1+kl1-y1=ΔF1

μθ2+kl2-y2=ΔF2

μθn+kln-yn=ΔFn

(4)

(5)

(6)

式中：yi為第i管道對應(yīng)的(-ln(P2/p1))值；li為第i個(gè)管道對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力筋空間曲線長度，m；θi為第i個(gè)管道對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力筋空間曲線包角，rad；n為實(shí)測的管道數(shù)目。解方程組(6)可得μ、k值。

3孔道摩阻試驗(yàn)測試與分析

3.1工程概況

南欽鐵路NQ-1標(biāo)段聯(lián)絡(luò)仙葫大橋，該橋主橋上部結(jié)構(gòu)為(36+64+36)m的預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁。箱梁頂寬12.2m，底寬6.7m。該橋橫向預(yù)應(yīng)力筋采用1×7-15.2-1860-GB/T5224-2003鋼絞線和BM15-4(P)錨具，中支點(diǎn)人孔處橫向預(yù)應(yīng)力筋張拉錨具采用DSM15-5低回縮錨具，固定段采用M15A-5P，張拉體系采用YDC240Q型千斤頂，管道形成采用內(nèi)徑70×19mm扁形鍍鋅金屬波紋管成孔；縱向預(yù)應(yīng)力筋采用1×7-15.2-1860-GB/T5224-2003鋼絞線并采用自錨式拉絲體系，管道形成采用鍍鋅金屬波紋管成孔。合攏段預(yù)應(yīng)力筋金屬波紋管采用增強(qiáng)型；豎向預(yù)應(yīng)力筋采用Ф25mm高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋和JLM-25型錨具，張拉體系采用YC60A型千斤頂，孔道形成采用內(nèi)徑Ф35mm鐵皮管成孔。為保證該橋施工質(zhì)量和安全，特對箱梁進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力孔道摩阻試驗(yàn)測試。

3.2測試方案

3.2.1測試內(nèi)容

本次試驗(yàn)測試的預(yù)應(yīng)力鋼束為N11束、N4左、N4右束共計(jì)三束，設(shè)計(jì)張拉控制應(yīng)力為1 302MPa，孔道為金屬波紋管管道。

通過試驗(yàn)測試預(yù)應(yīng)力鋼束張拉時(shí)主動端與被動端的實(shí)測壓力值，再根據(jù)規(guī)范規(guī)定的公式計(jì)算孔道摩阻系數(shù)μ和預(yù)應(yīng)力孔道對設(shè)計(jì)位置的偏差系數(shù)k。

3.2.2測試儀器

張拉端和固定端的力大小采用荷載傳感器和DH3818靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行測試，應(yīng)變測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　應(yīng)變測試系統(tǒng)

3.2.3測試程序

① 錨下安裝力傳感器，然后依次安裝對中環(huán)、千斤頂和工具錨。

② 固端千斤頂主缸進(jìn)油空頂10cm關(guān)閉，兩端預(yù)應(yīng)力鋼束的錨塞均勻楔緊于千斤頂上。

③ 拉端分級加載至張拉控制值，每級張拉時(shí)均記錄兩端力傳感器和油壓的讀數(shù)值。

④ 張拉至第二級起，在鋼束上畫線，逐級測試鋼束伸長量。

⑤ 拉至張拉控制力后，逐漸回油至0，再重復(fù)一次試驗(yàn)。

⑥ 張拉持壓5分鐘，回壓到張拉值，頂塞錨固。記錄錨固前后兩端油壓表讀數(shù)、力傳感器、鋼束延伸量和錨塞外露值。

⑦ 千斤頂回油到0，記錄力傳感器及錨塞外露值。

孔道摩阻測試裝置布置如圖2所示。

3.3測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

將預(yù)應(yīng)力鋼束兩端壓力荷載傳感器測得的數(shù)據(jù)通過傳感器的標(biāo)定曲線換算成對應(yīng)的荷載后，即可計(jì)算得到各級荷載下張拉主動端至被動端的鋼束沿孔道全長的摩阻損失值，結(jié)果見表1～表3。將各預(yù)應(yīng)力鋼束對應(yīng)的轉(zhuǎn)角θ和孔道長度x代入孔道摩阻損失的計(jì)算公式，可解得預(yù)應(yīng)力孔道摩阻系數(shù)μ與偏差系數(shù)k，計(jì)算結(jié)果列于表5。

圖2　孔道摩阻測試裝置布置

序號主動端P1(kN)被動端P2(kN)ΔP=P1-P2(kN)摩阻損失%1165.89142.4223.4714.152308.53272.7335.8011.603654.26563.6490.6313.854964.34825.76138.5814.3751251.161066.67184.5014.7561389.151184.85204.3014.7171505.431278.79226.6415.05

圖3　N11束P2/P1線性回歸分析

序號主動端P1(kN)被動端P2(kN)ΔP=P1-P2(kN)摩阻損失%1168.99112.1256.8733.652331.78213.64118.1535.613669.77440.91228.8634.1741026.36680.30346.0533.7251294.57865.15429.4233.1761486.82993.94492.8833.1571641.861106.06535.8032.63

圖4　N4右束P2/P1線性回歸分析

序號主動端P1(kN)被動端P2(kN)ΔP=P1-P2(kN)摩阻損失%1151.94103.0348.9132.192311.63212.1299.5131.933641.86427.27214.5933.434968.99642.42326.5733.7051293.02834.85458.1735.4361423.26959.09464.1632.6171629.461083.33546.1233.52

圖5　N4左束P2/P1線性回歸分析

鋼束編號li(m)θi(rad)P2/P1yiθ2iθi·liyiθil2iyiliN1128.500.84650.16660.00000.000.000812.254.749N4左28.940.6980.66090.41420.487220.200.289837.5211.986N4右28.940.6980.67510.39290.487220.200.274837.5211.370Σ0.974440.400.5632487.3028.105

表5　預(yù)應(yīng)力鋼束與孔道壁的摩阻系數(shù)

針對被動端與主動端比值(P2/P1)的線性回歸分析結(jié)果，如圖3～圖5所示。

綜合以上數(shù)據(jù)分析可得被動端與主動端比值的線性回歸值(見表4)，再根據(jù)最小二乘法原理，將表4中的實(shí)測線性回歸結(jié)果代入方程組(6)計(jì)算出孔道摩阻參數(shù)的值。實(shí)測計(jì)算值與設(shè)計(jì)值的比較如表5所示。通過對N11束、N4左和N4右束預(yù)應(yīng)力孔道的摩阻試驗(yàn)測試，得到實(shí)測的預(yù)應(yīng)力孔道摩阻系數(shù)μ=0.336，偏差系數(shù)k=0.0058。μ，k的實(shí)測值均大于設(shè)計(jì)值。主要原因分析和采取的對策如下：(1)預(yù)應(yīng)力筋孔道定位不準(zhǔn)確，孔道成型不順直，尤其在節(jié)段連接處易產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，故在施工中應(yīng)確?？椎腊惭b的精度和孔道成型良好；(2)在加壓時(shí)由于壓力表的振動導(dǎo)致實(shí)際讀數(shù)與理論計(jì)算值存在誤差，故在讀數(shù)時(shí)應(yīng)讀出壓力表實(shí)際達(dá)到的壓力值，而不能通過回油調(diào)整壓力值[3]；(3)整理數(shù)據(jù)過程中未考慮張拉機(jī)具內(nèi)部摩阻力的影響，故在整理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)對千斤頂和油泵重新進(jìn)行標(biāo)定，以消除張拉機(jī)具系統(tǒng)內(nèi)摩阻的影響。

4結(jié)語

通過現(xiàn)場對仙葫大橋的孔道摩阻試驗(yàn)檢測及數(shù)據(jù)分析，可得以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)為保證后張法預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的有效預(yù)應(yīng)力，通過現(xiàn)場試驗(yàn)測試來準(zhǔn)確估計(jì)孔道摩阻參數(shù)引起的預(yù)應(yīng)力損失十分必要，而現(xiàn)場采用的試驗(yàn)方法和線性回歸原理識別摩阻參數(shù)的方法亦簡單可靠[3]。

(2)試驗(yàn)表明，受施工工藝等諸多因素的影響，孔道摩阻參數(shù)實(shí)測值往往略大于設(shè)計(jì)值，這將導(dǎo)致給梁體施加預(yù)應(yīng)力時(shí)的實(shí)際張拉力比設(shè)計(jì)值小，因此，在正式張拉時(shí)應(yīng)按孔道摩阻參數(shù)的實(shí)測值計(jì)算控制張拉力。

(3)在后張法預(yù)應(yīng)力施工過程中，建議嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行兩端對稱張拉，以減少孔道摩阻損失。同時(shí)，應(yīng)保證預(yù)應(yīng)力筋張拉及孔道壓漿的質(zhì)量，從而滿足設(shè)計(jì)要求的預(yù)應(yīng)力值。

參考文獻(xiàn)

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Research on the Experiment Test of Frictional Resistance Loss in Post-tensioning Pre-stressed Concrete Beam Pipe

YE Heng-mei

(Hubei Communications Technical College, Wuhan 430079, China)

Abstract:The loss of frictional resistance in post-tesioning pre-stressed concrete beam pipe is a big problem during the construction of post-tesioning pre-stressed concrete bridge. The test of frictional resistance loss is important to the quality security and persistence of bridge construction. The formula of beam pipe frictional resistance loss co-efficient was calculated by least square method. This formula was applied on the xianhu bridge construction, then the project of frictional resistance loss test of beam pipe was proposed to reduce the loss of pre-stress and analyze the practical data in the xianhu bridge construction.

Key words:post-tesioning pre-stress; loss of beam pipe frictional resistance; frictional resistance co-efficient

收稿日期：2015-12-20

作者簡介：葉恒梅(1983-)，女，湖北黃石人，講師，碩士，E-mail：187213169@qq.com。

文章編號：1671-234X(2016)01-0013-04