預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁孔道磨阻現(xiàn)場測試及研究

郭青偉，李 科，孟 超

(1.南陽師范學(xué)院，河南 南陽 473061；2．中鐵二十局集團第三工程有限公司，重慶 400000）

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁孔道磨阻現(xiàn)場測試及研究

郭青偉1，李 科1，孟 超2

(1.南陽師范學(xué)院，河南 南陽 473061；2．中鐵二十局集團第三工程有限公司，重慶 400000）

引用預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁孔道摩阻試驗原理，針對海南省龍沐灣大道跨西環(huán)高鐵立交橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，選取2m小梁束、25m梁長中梁N1束（5根）和N3束（4根）、30m邊梁N1束（6根）進(jìn)行摩阻度檢測，結(jié)果表明，在現(xiàn)有施工水平下，孔道摩阻系數(shù)μ和偏差系數(shù)k的實測值與設(shè)計取值不同，即預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失與設(shè)計值略有不同。因此，施工時，應(yīng)酌情調(diào)整張拉控制力。

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁；摩阻試驗；試驗原理；摩阻系數(shù)；偏差系數(shù)

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土由于具有抗裂性好、剛度大、節(jié)省材料、減小自重等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在橋梁、壓力管道、高層建筑等領(lǐng)域。由于預(yù)應(yīng)力損失易受材料、施工環(huán)境及施工工藝等因素的影響，設(shè)計時，根據(jù)規(guī)范和經(jīng)驗選取的參數(shù)不一定適用于施工現(xiàn)場的實際情況。因此，為了保證梁中預(yù)應(yīng)力筋的實際有效預(yù)應(yīng)力，《公路橋涵施工規(guī)范》規(guī)定［1］：“預(yù)施應(yīng)力前，應(yīng)作孔道摩阻和錨圈摩阻測試，并根據(jù)測試結(jié)果計算施工控制應(yīng)力?！?/p>

海南省龍沐灣大道上跨西環(huán)高鐵立交橋采用30m＋50m＋30m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，主梁混凝土強度等級為C50，預(yù)應(yīng)力筋采用φ15．20－1860MPa的高強度低松弛鋼絞線，錨具采用柳州OVM錨，夾片及連接器，孔道采用鐵皮波紋管。為了確保預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力，保證橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、安全性和耐久性，我們在現(xiàn)場對預(yù)應(yīng)力筋孔道進(jìn)行了摩阻試驗檢測 （檢測孔道摩阻系數(shù)μ和孔道偏差系數(shù)k）。

1 試驗方法及原理

1．1 試驗方法

如圖1所示，對所有試驗束均采用一端張拉。為了提高測試精度，采用專門的壓力傳感器準(zhǔn)確測試張拉端和被動端的壓力。試驗時，應(yīng)采取有效措施確保儀器對中，以提高試驗精度；記錄讀數(shù)儀和電動油泵的讀數(shù)以及力筋伸長量，以確保試驗結(jié)果的可靠性；采用分級加載，穩(wěn)定后，同時讀取兩端傳感器的數(shù)據(jù)。試驗測得的總摩阻損失為孔道＋錨頭＋喇叭口摩阻損失之和。

圖1 孔道摩阻試驗裝置示意圖Fig.1 Friction resistance test equipment of duct

錨口及喇叭口摩阻試驗裝置如圖2所示。圖2中，鋼筋混凝土張拉臺座長為3m，兩端埋設(shè)錨板。試驗采用單端張拉的方式，張拉端的千斤頂完成測試時的張拉工作，錨固端的千斤頂在測試前首先預(yù)張，以便在測試完成后進(jìn)行退錨工作。在張拉時，為保證鋼絞線與中間斷孔道不產(chǎn)生摩擦，應(yīng)設(shè)置多片限位板，以加強傳感器、千斤頂及錨具之間的銜接對中［2］。

圖2 錨頭＋喇叭口摩阻試驗裝置圖Fig.2 Friction resistance test equipment of anchor head and bell mouth

1．2 試驗原理

根據(jù) 《公路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62－2004）［3］， 預(yù)應(yīng)力筋束與孔道間的摩阻損失采用公式（1）進(jìn)行計算。

式中： σcon為力筋（錨下）控制應(yīng)力，MPa；θ為從張拉端至計算截面的長度上力筋的彎曲角之和，rad，直線力筋θ＝0；x為張拉端至計算截面的孔道水平投影長度，m；μ為力筋與孔道壁之間的摩阻系數(shù)，取值為0．2～0．26；k 為管道對其設(shè)計位置的偏差系數(shù)，取值為0．002～0．003；β 為損失率，%。

空間曲線束的孔道摩阻損失計算表達(dá)式和平面曲線相同，唯其曲線轉(zhuǎn)角θ改用空間包角θ包。空間包角θ包的計算式為式（2）。

式中：α為力筋束豎向平面內(nèi)的彎起角；φ為力筋束水平面內(nèi)彎起角，若該力筋束僅在豎向平面內(nèi)彎起，則 φ＝0。

在預(yù)施應(yīng)力產(chǎn)生過程中，離開張拉端x處，因管道摩阻而損失的力筋束內(nèi)力值采用式（3）計算。

式中：FA為張拉力，kN。

可以采用一端張拉一端固定的方法測定孔道摩阻系數(shù)φ和偏差系數(shù)k，其計算式為式（4）。

式中：l和θ分別為張拉端至固定端力筋束長和空間包角（為書寫簡便起見，仍用θ代替θ包）。

若該力筋束為直線布置，即 θ＝0，則 k=-ln（1-β）/l；若該力筋束為曲線布置，則須借助于兩根以上力筋束的測試結(jié)果，再利用最小二乘法計算得到μ、k。試驗存在誤差是不可避免的，假定式（4）的誤差為Δ，即 μθ+kl=-ln（1-β）=Δ。 如果有 n 束力筋束，第 i 根力筋束的誤差可表示為式（5），全部力筋束測試誤差的平方和為式（6）的運算結(jié)果。

式中：θi、li分別為第i根力筋束的束長和空間包角；Ci=-ln（1-βi）。

要使得試驗誤差最小，應(yīng)滿足的條件為式（7）所示。 由式（6）和式（7）可得式（8）。

根據(jù)式（8），可求出μ和k的值。

由上式可見，根據(jù)多管道摩阻測試結(jié)果，可運用極值原理，建立μ、k的聯(lián)立方程，求出μ值和k值。需要注意的是，在計算過程中，應(yīng)采用實測的損失率減去錨口及喇叭口的損失率，以得到純摩阻及孔道偏差的損失率。

2 測試結(jié)果分析

2．1 測試方案

在充分考慮預(yù)應(yīng)力張拉空間及實際可操作性的情況下，選取不同類型的預(yù)應(yīng)力束進(jìn)行試驗［4］。本次試驗根據(jù)設(shè)計文件和現(xiàn)場實際情況，選取2m小梁束、25m 中梁 N1束（5根）和 N3束（4根）、30m 邊梁N1束（5根）和N3束（4根）進(jìn)行試驗。25m中梁和30m邊梁預(yù)應(yīng)力鋼筋大樣圖如圖3和圖4所示。鋼束幾何參數(shù)和張拉控制力如表1所示。

圖3 25 m中梁預(yù)應(yīng)力鋼筋大樣圖（單位：cm）Fig.3 25 m middle girder prestress steel detail drawing （Unit:cm）

圖4 30 m邊梁預(yù)應(yīng)力鋼筋大樣圖（單位：cm）Fig.4 30 m boundary girder prestress steel detail drawing(Unit:cm)

表1 中梁、邊梁測試鋼束的幾何參數(shù)及張拉控制力Tab.1 Test steel bunch geometrical parameter and tension controlling force

25m中梁每束預(yù)應(yīng)力筋分5級張拉（20%，40%，60%，80%，100%），30m 邊梁分4級張拉 （20%，40%，60%，80%）。在張拉過程中，平穩(wěn)緩慢送油，當(dāng)主動端油表指針到達(dá)某級張拉力時，由油泵操作人員發(fā)出指令，立即讀出傳感器及被動端油表讀數(shù)，并記錄之。各級張拉力及對應(yīng)的油表讀數(shù)由千斤頂檢定時的回歸方程算出（如表2所示），回歸方程由施工單位提供。

表2 各級張拉力及對應(yīng)油表讀數(shù)Tab.2 Each tension and its oil meter data

當(dāng)試驗張拉力達(dá)到第二級后，若各數(shù)據(jù)間的線性與相關(guān)度不明顯，應(yīng)檢查、調(diào)整設(shè)備，并重做試驗。當(dāng)張拉至試驗最大張拉力后，持荷5min，再讀取傳感器及被動端油壓表數(shù)據(jù)。

2．2 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

錨口及喇叭口損失率已較早計算出，其測試結(jié)果表明，錨具型號15－4、15－5、15－6的錨頭＋喇叭口摩阻損失率可分別取為8．2%、7．5%、6．7%。

80%和100%張拉控制應(yīng)力對應(yīng)的測試數(shù)據(jù)如表3所示，表3對應(yīng)的孔道摩阻損失試驗值及試驗結(jié)果見表4。

表3 現(xiàn)場測驗數(shù)據(jù)Tab.3 Spot test data

表4 孔道摩阻損失試驗值及試驗結(jié)果Tab.4 Duct friction resistance loss test and test results

采用直線力筋束2m試驗梁的測試結(jié)果為k＝0．00148。根據(jù)曲線力筋束的試驗結(jié)果，計算μ、k的所需各種參數(shù)列于表5，得到 μ＝0．2347，k＝0．00140。每束預(yù)應(yīng)力筋的管道摩阻系數(shù)和偏差系數(shù)k的計算結(jié)果的平均值為 μ＝0．2347，k＝0．00144。

表5 孔道摩阻系數(shù)μ和偏差系數(shù)k的計算參數(shù)Tab.5 Duct friction resistance coefficient μ and deviation factor k calculation parameters

2．3 結(jié)果分析

根據(jù)前述的試驗原理和4束預(yù)應(yīng)力筋孔道摩阻試驗結(jié)果，經(jīng)分析，得到龍沐灣大道上跨西環(huán)高鐵立交橋預(yù)應(yīng)力孔道摩阻系數(shù)μ＝0．2347，偏差系數(shù)k＝0．00144。將其與規(guī)范、設(shè)計取值進(jìn)行比較，如表6所示。

表6 孔道摩阻試驗結(jié)果Tab.6 Duct friction resistance test results

從表6中可以看出：（1）摩阻系數(shù)μ和偏差系數(shù)k的實測值均在規(guī)范的取值范圍內(nèi)。這說明，已澆筑連續(xù)梁段的預(yù)應(yīng)力孔道，在設(shè)計方面，在波紋管、鋼絞線和張拉錨固體系的材質(zhì)方面，以及在預(yù)留孔道的線形控制方面，均符合常規(guī)。（2）實測孔道摩阻系數(shù)μ＝0．2347，較設(shè)計取值 μ＝0．25稍小。 實測孔道偏差系數(shù) k＝0．00144，較設(shè)計取值 k＝0．0015稍小。

3 結(jié)語

本文通過對龍沐灣大道上跨西環(huán)高鐵立交橋預(yù)制小箱梁孔道的摩阻實測和理論分析，得出如下結(jié)論：（1）實測孔道摩阻系數(shù) μ＝0．2347，偏差系數(shù) k＝0．00144。（2）由于孔道摩阻系數(shù)μ和偏差系數(shù)k的實測值與設(shè)計取值略有不同，即預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失與其設(shè)計值略有不同，施工時，應(yīng)酌情調(diào)整張拉控制力，按孔道摩阻參數(shù)的實測值計算控制張拉力。（3）按測試孔的設(shè)計參數(shù)與實測參數(shù)進(jìn)行孔道摩阻計算，預(yù)應(yīng)力損失量的差值與張拉控制力相比在5%以內(nèi)。一般情況下，張拉控制力的適當(dāng)調(diào)整不會影響到梁體的應(yīng)力控制。這也可為將來類似工程的施工與設(shè)計積累資料。

［1］ 中華人民共和國交通運輸部.公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范：JTG／T F50－2011［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾片和連接器應(yīng)用技術(shù)規(guī)程：JGJ85－2010［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［3］ 中華人民共和國交通運輸部.公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范：JTGD62－2004［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［4］ 鄒煥祖，劉自明．預(yù)應(yīng)力混凝土空間長鋼絞線束孔道摩阻損失測試方法［J］．橋梁建設(shè)，1993（4）：38－41．

Research on Duct Friction Resistance Field Test of Prestress Concrete Bridge

Guo Qingwei1， Li Ke1， Meng Chao2
（1．Nanyang Normal University，Nanyang473061，Henan， China；2．The Third Engineering Co．， Ltd．of China Railway20th Bureau Group， Chongqing400000， China）

It analyzes the prestress concrete bridge duct friction resistance test principle．Aiming at prestress concrete continuous box girder of Longyuwan Road cross－western ring Road high－speed train flyover in Hainan Province， it makes the friction resistance detection of selecting2m small girder bunch，25m middle girder N1bunch（5） ，30m N3bunch（4）， boundary girder N1bunch（6）．The results show that with the present construction level， the real tested values of duct friction resistance coefficient μ and deviation factor k are different from the designed ones，that is prestress loss of prestress reinforcement is different from designed one．So， it should adjust the tension controlling force of construction．

Prestress concrete bridge； friction resistance test； test principle； friction resistance coefficient；deviation factor

U441.5

A

10．13681／j．cnki．cn41－1282／tv．2017．04．011

2017-06-16

南陽師范學(xué)院校級研究項目：橋梁震害分析及抗震對策研究（QN2016007）；南陽師范學(xué)院青年項目：節(jié)能環(huán)保型住宅結(jié)構(gòu)在村鎮(zhèn)住宅中的應(yīng)用研究（QN2016008）。

郭青偉 (1983-)，女，河南南陽人，講師，碩士，主要從事土木工程方面的教學(xué)與科研工作。

[責(zé)任編輯 胡修池]