百米級超長預(yù)應(yīng)力束張拉試驗(yàn)研究

端茂軍， 魏　洋， 楊歐峰， 李國芬

>(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京　210037)

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百米級超長預(yù)應(yīng)力束張拉試驗(yàn)研究

端茂軍， 魏洋， 楊歐峰， 李國芬

>(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京210037)

[摘要]以常州市S122省道長江路上跨橋?yàn)檠芯繉ο?，通過現(xiàn)場試驗(yàn)，研究百米級超長預(yù)應(yīng)力束的初始張拉力及持荷時(shí)間，根據(jù)孔道摩阻試驗(yàn)得出孔道摩阻系數(shù)對理論模型進(jìn)行檢算。結(jié)果表明，100 m級超長預(yù)應(yīng)力束的初始張拉力宜取張拉控制力的30%，持荷時(shí)間宜取6～8 min，孔道摩阻系數(shù)較規(guī)范值大，造成結(jié)構(gòu)撓度增大及混凝土應(yīng)力儲備減小，但仍在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，實(shí)測孔道摩阻系數(shù)對超長束的設(shè)計(jì)及施工具有重要參考價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]百米級； 超長預(yù)應(yīng)力束； 初始張拉力； 持荷時(shí)間； 孔道摩阻試驗(yàn)

0前言

隨著橋梁建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，橋梁跨徑不斷增大，預(yù)應(yīng)力束的長度也隨之增長，設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了長度在100 m以上的百米級超長預(yù)應(yīng)力束。施工中由于對此類超長束經(jīng)驗(yàn)不足，往往施工控制不當(dāng)，造成預(yù)應(yīng)力損失過大、混凝土預(yù)壓應(yīng)力不足，進(jìn)而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁持續(xù)下?lián)稀㈤_裂[1，2]。

本文結(jié)合常州市新北區(qū)S122省道長江路上跨橋新建工程，對該橋超過100 m的超長預(yù)應(yīng)力束張拉進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究，提出本橋預(yù)應(yīng)力張拉施工控制的建議。同時(shí)也為今后類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供重要的參考。

1工程概況

常州市新北區(qū)S122省道長江路上跨橋主橋?yàn)?38+65+38)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，主梁采用變截面斜腹板單箱雙室構(gòu)造，滿堂支架現(xiàn)澆，橋型布置如圖1所示。

主橋上部結(jié)構(gòu)采用三向預(yù)應(yīng)力體系，其中縱向設(shè)置15φs15.2 mm頂板束、15φs15.2 mm底板束及19φs15.2 mm腹板束，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，預(yù)埋塑料波紋管成孔，兩端張拉，張拉時(shí)采用智能預(yù)應(yīng)力張拉系統(tǒng)，真空管道壓漿。腹板束共12束，包括邊腹板束8束，中腹板束4束，均采用通長布置，長度(130.17～111.52)m，均為百米級超長預(yù)應(yīng)力束，長江路上跨橋腹板束大樣如圖2所示。

圖1　橋型布置圖(單位： m)Figure 1　Overall layout of changjiang road bridge(unit： m)

圖2　腹板超長預(yù)應(yīng)力束大樣(單位： cm)Figure 2　Large drawing of ultra-long prestressed tendons of webs(unit： cm)

腹板束參數(shù)如表1所示。

表1 腹板束參數(shù)Table1 Parametersofprestressedtendonsofwebs位置編號數(shù)量孔道長度/m有效投影長度L/m孔道彎角和/rad邊腹板BW12143.7127.83.46BW22139.6131.83.39BW32135.5135.83.28BW42131.4139.83.18中腹板ZW11140.8127.83.46ZW21136.7131.83.39ZW31132.6135.83.28ZW41128.6139.83.18

2初始張拉力及持荷時(shí)間的確定

長江路上跨橋超長預(yù)應(yīng)力束存在預(yù)應(yīng)力管道長、反彎點(diǎn)多等特點(diǎn)，造成張拉端張拉力傳遞到中跨跨中位置需消耗較長時(shí)間且預(yù)應(yīng)力損失較大。《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50-2011)中規(guī)定，預(yù)應(yīng)力束張拉時(shí)，應(yīng)先調(diào)整到初應(yīng)力σ0，該初應(yīng)力宜為張拉控制應(yīng)力σcon的10%～25%，持荷時(shí)間為5 min[3]。一般認(rèn)為預(yù)應(yīng)力束長度在30 m以下時(shí)，σ0宜取(10%～15%)σcon，長度在(30～60)m時(shí)，σ0宜取(15%～20%)σcon，長度超過60 m時(shí)，σ0宜取25%σcon，但對于超過100 m的超長預(yù)應(yīng)力束而言，初應(yīng)力σ0即使取25%σcon，也可能達(dá)不到初應(yīng)力的目的，5 min的持荷時(shí)間也無法滿足傳力的要求[4]，因此必須通過現(xiàn)場試驗(yàn)來確定百米級超長預(yù)應(yīng)力束的初始張拉力及持荷時(shí)間。

2.1試驗(yàn)方法

選取中腹板ZW2束及ZW3束進(jìn)行初始張拉力及持荷時(shí)間試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3　試驗(yàn)裝置示意Figure 3　Schematic diagram of test device

考慮到實(shí)際施工情況，試驗(yàn)時(shí)采用兩端張拉，按5%的張拉控制力Fcon進(jìn)行分級張拉，每級荷載張拉到位后進(jìn)行持荷，持荷時(shí)間以智能張拉系統(tǒng)油表讀數(shù)穩(wěn)定為準(zhǔn)。在中腹板中跨跨中處粘貼與中腹板束同一重心位置的應(yīng)變片，以監(jiān)測混凝土的預(yù)壓應(yīng)力變化情況。為保證測試精度，試驗(yàn)采用LJ-ZLB1型智能張拉系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力束張拉，采用掃描1 000通道需0.4 s的TDS-530高速靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)過程中分級記錄張拉力的大小及中腹板中跨中跨處混凝土預(yù)壓應(yīng)力的變化情況。

2.2初始張拉力

智能張拉系統(tǒng)中所錄得的伸長量為千斤頂活塞位移(即鋼絞線兩端錨固點(diǎn)之間的距離再加上鋼絞線在張拉千斤頂中的工作長度所產(chǎn)生的位移)，由于千斤頂行程所限，如需測量整個(gè)張拉過程張拉端之間的鋼絞線伸長量則需在每一次張拉行程完成后拆除千斤頂進(jìn)行測量，實(shí)際操作較為困難，考慮到研究成果能方便指導(dǎo)實(shí)際工程，本文以千斤頂活塞位移為縱坐標(biāo)，張拉力為橫坐標(biāo)繪出千斤頂活塞位移～張拉力關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4　千斤頂活塞位移～張拉力關(guān)系Figure 4　Relationship of tensile force and elongation

由圖4可見：張拉后期張拉力與千斤頂活塞位移成正比，此時(shí)已消除預(yù)應(yīng)力束穿束的松弛及錨具滑移等因素的影響。將張拉力與千斤頂活塞位移成正比的直線關(guān)系線反向延伸，直線與實(shí)測曲線的分離點(diǎn)對應(yīng)的張拉力值即可定為預(yù)應(yīng)力束的初始張拉力。

由現(xiàn)場測試結(jié)果分析可知，ZW2束的實(shí)測初始張拉力為28%Fcon，ZW3束的測初始張拉力為30%Fcon。

表2列出了其他超長預(yù)應(yīng)力束初始張拉力的試驗(yàn)結(jié)果。

表2 其他超長預(yù)應(yīng)力束張拉初始張拉力試驗(yàn)結(jié)果Table2 Otherresultsofultra-longprestressedinitialten-siontests項(xiàng)目孔道長度/m孔道彎角和/rad初始張拉力/10-2Fcon張拉方式某高鐵橋[5]115.54.8920兩端張拉某客運(yùn)橋[5]114.32.3420兩端張拉某鐵路引橋[5]174.42.5725兩端張拉襄樊漢江三橋[6]85.91.2020單端張拉

綜合本橋及表2所示試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)方便現(xiàn)場操作，建議百米級超長預(yù)應(yīng)力束初始張拉力設(shè)置為30%Fcon。

2.3持荷時(shí)間

以持荷時(shí)間數(shù)據(jù)設(shè)為橫坐標(biāo)，各荷載等級下對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力鋼束張拉力及中腹板中跨跨中測點(diǎn)所測得的混凝土預(yù)壓應(yīng)力設(shè)為縱坐標(biāo)，根據(jù)測試結(jié)果繪制成持荷時(shí)間-張拉力-混凝土預(yù)壓應(yīng)力關(guān)系曲線，圖5所示ZW2束測試結(jié)果，ZW3束測試結(jié)果類似。

圖5　持荷時(shí)間-張拉力-混凝土預(yù)壓應(yīng)力曲線Figure 5　Relationship of loading duration and tensile force and concrete pre-stress

由圖5可知：張拉端張拉至設(shè)計(jì)噸位持荷后在前3 min下降的很快，6 min以后趨于平穩(wěn)，相應(yīng)的中腹板中跨跨中處的混凝土預(yù)壓應(yīng)力前3 min逐步增加，6 min后趨于平穩(wěn)。

表3所示為其他超長預(yù)應(yīng)力持荷時(shí)間測試結(jié)果。

表3 其他超長預(yù)應(yīng)力束張拉持荷時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果Table3 Otherresultsofultra-longprestressedloadingdu-rationtests項(xiàng)目孔道長度/m孔道彎角和/rad張拉力穩(wěn)定時(shí)間/s滬蓉西高速公路94.70.52360連續(xù)剛構(gòu)橋[5]94.60.26360合武鐵路1164.89900單線連續(xù)梁[5]1154.89900天興洲長江大橋113.53.07840鐵路引橋[5]127.63.54870襄樊漢江三橋[6]85.91.20220 注:張拉方式:單端張拉。

綜合本橋及表3所示試驗(yàn)結(jié)果，100 m級超長束預(yù)應(yīng)力鋼束的持荷時(shí)間應(yīng)不少于6 min，考慮到現(xiàn)場施工的情況，建議取8 min。

3孔道摩阻損失

實(shí)際工程中由于施工工藝的影響，預(yù)應(yīng)力束與管道壁的摩擦系數(shù)μ值和管道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù)k值與規(guī)范值比規(guī)范值要大[7-10]，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力孔道摩阻損失往往比超過理論計(jì)算值，特別是對于超長束而言其孔道摩阻損失更加明顯。因此通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定孔道摩阻系數(shù)μ和k的大小，充分考慮實(shí)際情況對理論模型進(jìn)行修正，從而有效的實(shí)施施工監(jiān)控，對保證成橋線形和受力滿足設(shè)計(jì)要求有著重要意義。

根據(jù)規(guī)范[11]中預(yù)應(yīng)力束與管道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算公式，可推導(dǎo)出μ和k的計(jì)算公式[5]：

F1=F2e-μθ+kx

(1)

式中：F1為計(jì)算截面預(yù)應(yīng)力束的拉力，kN；F2為張拉端預(yù)應(yīng)力束的拉力，kN；θ為從張拉段至計(jì)算截面曲線孔道部分切線的夾角之和，rad；x為從張拉端至計(jì)算截面的孔道長度，可近似取該段孔道在構(gòu)件縱軸上的投影長度，m。

式(1)可以進(jìn)一步表示成：

μθ+kx-Y=0

(2)

(3)

根據(jù)式(3)即可得到μ和k的值。

3.1試驗(yàn)方法

由計(jì)算理論分析可知：要測試出μ和k的值至少需要兩組不同管道類型的預(yù)應(yīng)力束。實(shí)際工程中智能張拉系統(tǒng)的千斤頂一次量程僅為20 cm，如采用超長束試驗(yàn)，張拉端的張拉力僅能達(dá)到20%Fcon，無法達(dá)到試驗(yàn)效果，因此選用頂板束T2、底板束B2進(jìn)行孔道摩阻測試，根據(jù)實(shí)測μ值和k值以研究超長束預(yù)應(yīng)力損失大小。試驗(yàn)預(yù)應(yīng)力束大樣見圖6。

圖6　孔道摩阻試驗(yàn)預(yù)應(yīng)力束大樣(單位： cm)Figure 6　Large drawing of ultra-long prestressed tendons of friction tunnel test(unit： cm)

T2、B2束均采用15□s15.2 mm鋼絞線，兩端張拉。T2束孔道彎角θ=0.162 0 rad，x=16 m；B2束孔道彎角θ=0.152 7 rad，x=17.5 m。

試驗(yàn)步驟按以下程序進(jìn)行：

① 安裝試驗(yàn)設(shè)備，如圖7所示。

圖7　孔道摩阻試驗(yàn)裝置示意Figure 7　Schematic diagram of friction tunnel test device

為了測量被動端張拉力，試驗(yàn)定制了六弦壓力環(huán)(見圖8)放置在被動端，確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和精度。根據(jù)以往孔道摩阻試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中工作錨、壓力環(huán)、千斤頂三者很難對中，嚴(yán)重影響測試精度，而且易產(chǎn)生橫向滑移導(dǎo)致試驗(yàn)無法進(jìn)行，為了解決這一難題，特意定制了“套環(huán)”(見圖9)，套環(huán)前后均有槽口可以有效的卡住工作錨和壓力環(huán)，確保對中問題也同時(shí)防止試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的滑移現(xiàn)象，確保試驗(yàn)順利進(jìn)行。

圖8　壓力環(huán)

圖9　套環(huán)

② 將測試束兩端同時(shí)張拉至15%Fcon并固定被動端。

③ 主動端進(jìn)行分級張拉(20%Fcon、30%Fcon、40%Fcon、50%Fcon、60%Fcon)，每級張拉到位待智能張拉系統(tǒng)油壓表讀數(shù)穩(wěn)定后讀取被動端壓力環(huán)讀數(shù)。

3.2孔道摩阻試驗(yàn)結(jié)果分析

由孔道摩阻測試結(jié)果可知：主被動端張拉力呈線性關(guān)系，將兩者進(jìn)行線性回歸后可得T2束和B2束的線性回歸方程，見表4。

表4 試驗(yàn)結(jié)果匯總Table4 Thesummarizeoftestresults測試工況T2束B2束F2實(shí)測值/kNF1實(shí)測值/kNF2實(shí)測值/kNF1實(shí)測值/kN20%Fcon56737754635430%Fcon89158686156340%Fcon1164781108772550%Fcon14551003135991860%Fcon1745121816491132回歸方程F1=0.7178F2-34.183F1=0.6736F2+2.2573

由表4所得回歸方程，將F1/F2線性回歸值代入式(3)即可計(jì)算出μ和k的試驗(yàn)值。試驗(yàn)值與規(guī)范值對比如表5所示。

表5 孔道摩阻系數(shù)對比Table5 Comparisonofchannelfrictionfactors項(xiàng)目μk規(guī)范值[11]0.14～0.170.0015實(shí)測值0.420.006

由表5可見：μ和k的實(shí)測值均比規(guī)范值要大，其中μ值是規(guī)范上限值的2.47倍，k值是規(guī)范值的4倍，說明實(shí)際的預(yù)應(yīng)力損失偏大從而導(dǎo)致施加于梁體的實(shí)際預(yù)應(yīng)力小于設(shè)計(jì)值。

為保證橋梁安全，根據(jù)實(shí)測值對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了修正，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 實(shí)測孔道摩阻系數(shù)對橋梁受力及變形的影響Table6 Theinfluenceofactualmeasuredvalueofchannelfrictionfactorsonforceanddeformationofbridges計(jì)算值工況μ=0.15k=0.0015μ=0.42k=0.006中跨跨中最大撓度/mm15.729.7混凝土最小預(yù)壓應(yīng)力/MPa9.57.1

由表6可見：孔道摩阻系數(shù)按實(shí)測值，撓度增加了89.8%，但仍小于規(guī)范允許值108.3 mm?；炷令A(yù)壓應(yīng)力減小了25.1%，但仍然為壓應(yīng)力，符合全預(yù)應(yīng)力混凝土的要求。建議在施工中采用超張拉的方式以減少預(yù)應(yīng)力損失，增加混凝土預(yù)壓應(yīng)力儲備。

4結(jié)論

① 對于超過100 m的超長預(yù)應(yīng)力束而言，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)確定張拉方案，以減小預(yù)應(yīng)力損失，保證混凝土預(yù)壓應(yīng)力儲備滿足規(guī)范要求。

② 初應(yīng)力σ0即使取25%σcon，也達(dá)不到初應(yīng)力的目的，建議100 m以上的超長預(yù)應(yīng)力束初應(yīng)力σ0取30%σcon。

③ 為保證百米級超長預(yù)應(yīng)力束的傳力要求，張拉時(shí)建議持荷時(shí)間取6～8 min。

④ 實(shí)測孔道摩阻系數(shù)μ=0.42，k=0.006，均大于規(guī)范值，經(jīng)檢算雖然會造成撓度增大及混凝土預(yù)壓應(yīng)力減小，但仍能滿足規(guī)范要求。本文實(shí)測孔道摩阻試驗(yàn)樣本較少，但對超長束的設(shè)計(jì)及施工具有重要參考價(jià)值，為進(jìn)一步研究超長束的預(yù)應(yīng)力損失提供了依據(jù)。

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Experimental Study on Tension of Hectometer-ultra-long Prestressed Tendons

DUAN Maojun， WEI Yang， YANG Oufeng， LI Guofen

(College of Civil Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing， Jiangsu 210037， China )

[Abstract]With the study of viaduct across the Changjiang Road in S122 provincial highway in Changzhou，the initial tension and loading duration of hectometer-ultra-long prestressed tendons were researched based on the field test，from which the channel friction coefficient used to check the theoretical model was achieved.The results indicate that the initial tension value of hectometer-ultra-long prestressed tendons should be 30% of the control stress for prestressing and the loading duration should be 6～8 minutes.Although the channel friction coefficient is beyond the code value which causes the increasement of structure deflection and decreasement of stress reserve of concrete，it is still within permissible range of the code，the measured channels friction coefficient value is significantreference for design and construction of ultra-long prestressed tendons.

[Key words]hectometer； ultra-long prestressed tendons； Initial tension； loading duration； channel friction test

[收稿日期]2015-12-21

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金(51208262)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2011-K2-9)。

[作者簡介]端茂軍(1981-)，男，江蘇溧水人，研究生，講師，研究方向：混凝土橋梁力學(xué)行為研究。

[中圖分類號]U 448.21+5

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)03-0031-04