U梁預(yù)應(yīng)力摩阻試驗(yàn)信息集成與測(cè)試方法研究

梁 娜 董 旭

(1.山東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局信息中心，山東 濟(jì)南 250002； 2.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061)

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U梁預(yù)應(yīng)力摩阻試驗(yàn)信息集成與測(cè)試方法研究

梁 娜1董 旭2*

(1.山東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局信息中心，山東 濟(jì)南 250002； 2.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061)

結(jié)合某城市軌道交通U型梁工程實(shí)例，開(kāi)展了此類(lèi)橋型預(yù)應(yīng)力孔道摩阻損失試驗(yàn)，分析了該試驗(yàn)的測(cè)試原理及信息集成方法，實(shí)測(cè)了預(yù)應(yīng)力孔道摩阻損失值，得到了針對(duì)U型梁預(yù)應(yīng)力束孔道摩阻系數(shù)的取值，為此類(lèi)橋梁預(yù)應(yīng)力施工提供了參考依據(jù)。

U型梁，預(yù)應(yīng)力束，摩阻試驗(yàn)，信息集成

0 引言

后張預(yù)應(yīng)力混凝土梁在張拉過(guò)程中，由于受到預(yù)應(yīng)力孔道摩阻影響，將產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失。目前研究表明，預(yù)應(yīng)力孔道摩阻損失是結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失的主要部分，其損失值與預(yù)應(yīng)力布束形式、孔道種類(lèi)及性質(zhì)、張拉工藝等相關(guān)，最大可達(dá)45%，如施工過(guò)程中不加重視，將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)后期運(yùn)營(yíng)安全[1-5]。工程中一般分別采用預(yù)應(yīng)力孔道摩阻系數(shù)μ和孔道偏差系數(shù)k計(jì)算預(yù)應(yīng)力孔道摩阻損失值，雖然國(guó)內(nèi)現(xiàn)行橋梁規(guī)范給出了孔道摩阻損失計(jì)算參數(shù)μ值和k值的取值范圍[6，7]，但由于不同工程中結(jié)構(gòu)形式、張拉噸位、鋼束束數(shù)及曲率半徑等均有較大差異，由此導(dǎo)致不同工程結(jié)構(gòu)孔道摩阻損失計(jì)算參數(shù)數(shù)值差別較大，因此不宜直接套用規(guī)范取值。應(yīng)在預(yù)應(yīng)力張拉施工前，對(duì)同一工程條件下孔道摩阻系數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定，從而為下一步預(yù)應(yīng)力施工張拉力控制提供依據(jù)。

城市軌道交通U型梁縱向預(yù)應(yīng)力束由于同時(shí)存在平彎和豎彎，具有空間彎曲的復(fù)雜形狀，其預(yù)應(yīng)力孔道摩阻損失必然與傳統(tǒng)混凝土箱梁、T梁橋存在較大差異。本文結(jié)合某城市軌道交通U型梁工程，開(kāi)展了此類(lèi)橋型預(yù)應(yīng)力孔道摩阻損失試驗(yàn)，介紹了其試驗(yàn)方法，分析了測(cè)試原理及信息集成方法，實(shí)測(cè)了預(yù)應(yīng)力孔道摩阻損失值，得到了針對(duì)U型梁預(yù)應(yīng)力束孔道摩阻系數(shù)的取值，為此類(lèi)橋梁預(yù)應(yīng)力張拉控制提供重要參考依據(jù)。

1 工程概況

2 試驗(yàn)原理

2.1 測(cè)試方法

采用壓力傳感器測(cè)量張拉端和被張拉端的壓力值，同時(shí)在傳感器外布置約束墊板，以保證所測(cè)數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映孔道部分的摩阻影響。其試驗(yàn)原理及測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

2.2 計(jì)算方法與參數(shù)識(shí)別

孔道摩阻損失是由于采用后張法張拉預(yù)應(yīng)力梁體時(shí)，力筋與孔道壁的相互接觸以及力筋沿孔道的滑動(dòng)而產(chǎn)生的。規(guī)范給出了分析孔道摩阻損失需考慮的6項(xiàng)因素，但通常主要考慮預(yù)應(yīng)力筋曲線(xiàn)段孔道的彎曲因素、直線(xiàn)孔道的走動(dòng)及位置偏移因素兩個(gè)方面的影響。理論上，理想直線(xiàn)孔道不產(chǎn)生摩擦損失，但施工振動(dòng)等多種因素會(huì)致使孔道發(fā)生滑動(dòng)和扭轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)波形；預(yù)應(yīng)力筋的自重會(huì)使鋼束下垂，與孔道發(fā)生相互接觸。因此，當(dāng)張拉力筋與孔道發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生摩擦而引起摩阻損失，稱(chēng)為直線(xiàn)孔道走動(dòng)及位置偏移影響(或偏差影響、長(zhǎng)度影響)。由于孔道的彎曲，會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋對(duì)孔道內(nèi)壁作用有徑向壓力，進(jìn)而引起摩阻力，并隨彎曲角度的逐漸增加而不斷增大，稱(chēng)為曲線(xiàn)彎道的彎曲影響。由此可見(jiàn)，曲線(xiàn)孔道受上述兩部分因素摩擦的影響，故其摩阻損失較之僅受單一長(zhǎng)度影響的直線(xiàn)孔道大得多。

根據(jù)我國(guó)規(guī)范，本研究將空間曲線(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋的孔道摩阻損失計(jì)算方法與僅有平彎的平面曲線(xiàn)孔道摩阻損失的計(jì)算方法相統(tǒng)一，確定為：

σs4=σk(1-e-(μθ+kx))

(1)

其中，θ為曲線(xiàn)包角，表示預(yù)應(yīng)力筋的張拉端曲線(xiàn)的切線(xiàn)與計(jì)算截面曲線(xiàn)孔道部分的切線(xiàn)之間的夾角，rad；x為預(yù)應(yīng)力筋的張拉端至計(jì)算截面的孔道長(zhǎng)度，m；μ為預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁之間的孔道摩擦系數(shù)；k為考慮每米孔道對(duì)其設(shè)計(jì)位置的孔道偏差系數(shù)。

考慮計(jì)算精度的要求，空間曲線(xiàn)包角的計(jì)算公式依據(jù)綜合法：

(2)

其中，θH為空間曲線(xiàn)在水平投影面內(nèi)的投影曲線(xiàn)的切線(xiàn)角之和；θV為空間曲線(xiàn)在豎向投影面內(nèi)展開(kāi)的豎向投影曲線(xiàn)的切線(xiàn)角之和。

根據(jù)圖2所示測(cè)試方法的原理及式(1)的計(jì)算方法，本研究假設(shè)預(yù)應(yīng)力筋張拉端的壓力傳感器測(cè)試值為P1，被動(dòng)端的測(cè)試值為P2，孔道全長(zhǎng)的曲線(xiàn)包角為x，孔道長(zhǎng)度為l。將式(1)兩側(cè)同時(shí)乘預(yù)應(yīng)力筋的有效截面面積，得到：

P2=P1e-(μθ+kl)

(3)

兩邊取對(duì)數(shù)可得：

μθ+kl=-ln(P2/P1)=c

(4)

由于同一工程預(yù)應(yīng)力孔道制孔方法相同，孔道質(zhì)量相差不大，因此可不考慮摩阻系數(shù)μ和k的變異影響，利用最小二乘原理，根據(jù)式(5)，式(6)可使孔道摩阻系數(shù)μ和k試驗(yàn)誤差取得最小值：

(5)

故有：

(6)

其中，li為第i個(gè)孔道對(duì)應(yīng)的力筋空間曲線(xiàn)長(zhǎng)度,m；ci為第i個(gè)孔道對(duì)應(yīng)的值，ci=-ln(P2/P1)；θi為第i個(gè)孔道對(duì)應(yīng)的力筋空間曲線(xiàn)包角，rad；n為實(shí)際測(cè)試的孔道數(shù)目，且不同線(xiàn)形的力筋數(shù)目不小于2。

實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)代入式(6)，聯(lián)立求得摩阻系數(shù)μ和k。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果信息集成分析

3.1 測(cè)試內(nèi)容

選擇了空間彎曲形狀較復(fù)雜的腹板N1,N1′鋼束以及彎曲幅度較小的底板N3,N3′鋼束進(jìn)行U型梁預(yù)應(yīng)力孔道摩阻損失測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

孔道摩阻試驗(yàn)的基本步驟：

1)測(cè)試前，對(duì)油壓表及壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，以保證讀數(shù)準(zhǔn)確。

2)依據(jù)試驗(yàn)方案，依次安裝壓力傳感器、約束墊板、千斤頂及錨具。

3)錨固端千斤頂空頂5 cm～10 cm后關(guān)閉，楔緊千斤頂兩端預(yù)應(yīng)力鋼束，并保證預(yù)應(yīng)力鋼束、千斤頂、壓力傳感器對(duì)中。

4)兩端千斤頂同時(shí)充油，使兩端預(yù)應(yīng)力同時(shí)保持約4 MPa的初始應(yīng)力。

5)甲端封閉，乙端分級(jí)張拉。張拉過(guò)程中逐級(jí)讀取兩端傳感器讀數(shù)，并測(cè)量鋼絞線(xiàn)伸長(zhǎng)值，張拉至控制應(yīng)力后，停止張拉，持荷3 min，記錄數(shù)據(jù)并回油退錨。每個(gè)孔道重復(fù)張拉3次。

6)按照上述步驟，乙端封閉，甲端張拉，復(fù)張拉3次，完成此孔道鋼絞線(xiàn)的測(cè)試。

每級(jí)荷載下均需記錄的測(cè)試數(shù)據(jù)有：主動(dòng)端與被動(dòng)端壓力傳感器讀數(shù)、張拉端的油缸伸長(zhǎng)量、油表讀數(shù)、張拉端夾片外露量，所測(cè)數(shù)據(jù)均應(yīng)及時(shí)記錄。

3.2 測(cè)試結(jié)果信息集成

將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行信息集成整理后，將實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)代入式(6)，聯(lián)立求得本次實(shí)測(cè)的孔道局部偏差影響系數(shù)k=0.002 6，摩擦系數(shù)μ=0.28。本次試驗(yàn)測(cè)試基本數(shù)據(jù)如表1所示，測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表2所示。

表1 基本資料和測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某城市軌道交通U型梁工程，開(kāi)展了此類(lèi)橋型預(yù)應(yīng)力孔道摩阻損失試驗(yàn)。試驗(yàn)主要結(jié)論如下：

1)經(jīng)對(duì)U型梁預(yù)應(yīng)力束進(jìn)行摩阻試驗(yàn)，建議對(duì)該工程孔道局部偏差影響系數(shù)取0.002 6，摩擦系數(shù)取0.28。

2)由于腹板預(yù)應(yīng)力束同時(shí)存在平彎和豎彎，曲線(xiàn)包角計(jì)算應(yīng)考慮空間曲線(xiàn)在水平及豎向切線(xiàn)投影切線(xiàn)角度，并以綜合法進(jìn)行計(jì)算。

3)腹板由于空間彎曲形狀復(fù)雜孔道摩阻引起的預(yù)應(yīng)力損失較大，底板預(yù)應(yīng)力損失較小，這與實(shí)際情況相符。

[1] 司德嶸,劉 輝.石武客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)懸臂施工摩阻試驗(yàn)探討[J].山西建筑,2013,39(30):155-157.

[2] 高小華,成劍波,張 峰,等.斜拉橋索塔U形預(yù)應(yīng)力束摩阻試驗(yàn)研究[J].中外公路,2016(2):82-85.

[3] 操尚銀,方衛(wèi)東,何裕仁，等.環(huán)形預(yù)應(yīng)力束的有效預(yù)應(yīng)力分布及回縮量計(jì)算[J].橋梁建設(shè),2001(6):25-27.

[4] 蘇傳海.微段法分析空間彎曲鋼束的摩阻損失[J].橋梁建設(shè),2010(5):24-27.

[5] 王立軍,李全堂.廣珠鐵路北江特大橋連續(xù)梁摩阻系數(shù)測(cè)試研究[J].山西建筑,2011,37(20):170-171.

[6] TB 10203—2002，鐵路橋涵施工規(guī)范[S].

[7] TB 10002.3—2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Research on the frictional resistance loss test information integration and method of prestress duct of U-shaped girder

Liang Na1Dong Xu2*

(1.ShandongBureauofQualityandTechnicalSupervision,Jinan250002,China; 2.GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061,China)

In this paper,according to an urban rail transit U-shaped girder engineering,we conducted a test on the frictional resistance loss of prestress duct of rail transit U-shaped girder.The test principle and information integration method were analyzed.The frictional resistance loss values of prestress duct were measured,and the friction resistance coefficient of prestress duct was obtained.This test can be used as an important reference of prestress tension of the similar bridges.

U-shaped girder,prestress wire,friction resistance test,information integration

1009-6825(2016)29-0207-03

2016-08-04

梁 娜(1976- )，女，工程師

董 旭(1983- )，男，在讀博士

U213.2

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