后張箱梁預(yù)應(yīng)力摩阻測(cè)試方法及卡控要點(diǎn)

周子軍

摘要：本文對(duì)后張箱梁預(yù)應(yīng)力損失因素進(jìn)行分析，并對(duì)摩阻損失原理、測(cè)試方法、數(shù)據(jù)處理等進(jìn)行了規(guī)范，優(yōu)化了試驗(yàn)控制相關(guān)環(huán)節(jié)，提出摩阻測(cè)試卡控要點(diǎn)，以期提供一種準(zhǔn)確測(cè)試、計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失的方法。

Abstract： This paper analyzed the factors of prestress losses， and standardized the friction loss principle， test method and data processing. We also optimized the control experiment and proposed the key control points， in the hope of providing an accurate measurement to calculate prestress loss.

關(guān)鍵詞： 后張梁；預(yù)應(yīng)力損失；摩阻測(cè)試；卡控要點(diǎn)

Key words： post tensioning method；prestress loss；frictional resistance test；key control points

中圖分類號(hào)：U448.21+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）12-0131-03

0 引言

高鐵對(duì)連續(xù)梁軌道的平順性要求極為嚴(yán)格，如果施加不準(zhǔn)確預(yù)應(yīng)力，會(huì)發(fā)生包括上拱徐變?cè)趦?nèi)的多種因素，會(huì)對(duì)旅客舒適性不利，為確保高鐵列車行駛平穩(wěn)，需要準(zhǔn)確的確定張拉力的大小。張拉力大小的確定過程，就是對(duì)預(yù)應(yīng)力損失準(zhǔn)確進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)的過程，除此之外，還會(huì)對(duì)諸如梁體結(jié)構(gòu)安全、結(jié)構(gòu)的抗裂性、撓度和反拱等使用性能有很大的影響。過大的估計(jì)了預(yù)應(yīng)力損失，則施加的預(yù)應(yīng)力偏大，梁體混凝土將承受超過設(shè)計(jì)值的持續(xù)壓力，反拱度過大；反之，局部預(yù)應(yīng)力不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早開裂，甚至影響結(jié)構(gòu)安全性。在檢查時(shí)，也常常發(fā)現(xiàn)因預(yù)應(yīng)力損失估計(jì)不準(zhǔn)，造成預(yù)應(yīng)力施加偏大或偏小的問題，因此，采用何種標(biāo)準(zhǔn)，如何準(zhǔn)確地估計(jì)和計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失，就成為一個(gè)重要問題。

1 摩阻測(cè)試方法

預(yù)應(yīng)力的損失有兩種，一種是瞬時(shí)損失，另一種是長(zhǎng)期損失。瞬時(shí)損失是在施加預(yù)應(yīng)力過程中就能完成的短時(shí)損失，如混凝土彈性壓縮、錨具變形、鋼筋滑移等引起的損失；長(zhǎng)期損失是考慮了鋼筋、混凝土的收縮徐變、鋼筋預(yù)應(yīng)力松弛等時(shí)間因素所引起的損失。這些損失主要有6項(xiàng)，長(zhǎng)期損失無可避免，但在預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)時(shí)一般也已考慮在內(nèi)，而短時(shí)損失中不確定性較大。因此，在這里僅考慮瞬時(shí)損失，而摩阻損失是瞬時(shí)損失中最主要的一項(xiàng)，包括管道、錨口、喇叭口摩阻三項(xiàng)。

1.1 管道摩阻測(cè)試

1.1.1 試驗(yàn)方法

管道摩阻測(cè)試方法最常見的是主被動(dòng)千斤頂法，但該方法存在不足，如千斤頂內(nèi)部存在摩擦阻力；由于千斤頂主動(dòng)和被動(dòng)張拉油表讀數(shù)不同，需要標(biāo)定被動(dòng)張拉曲線；測(cè)試值包含有喇叭口摩阻等。為了確保管道摩阻測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，在試驗(yàn)中進(jìn)行了改良，不再使用千斤頂油表來讀取，而是改用壓力傳感器測(cè)取張拉端、被張拉端的壓力。其測(cè)試原理，如圖1所示。

此外，為了達(dá)到最終能夠減小測(cè)試誤差，可采用固定端、張拉端交替進(jìn)行張拉的一種方式，先完成管道的一端的張拉，再進(jìn)行管道另一端的張拉，將此過程循環(huán)進(jìn)行3次，每束力筋需要進(jìn)行6次這樣的測(cè)試并取其平均，盡量達(dá)到消除誤差效果。

1.1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)前主要準(zhǔn)備工作：一是收集數(shù)據(jù)，主要包括錨具情況、鋼絞線參數(shù)，孔道鋼束參數(shù)、成孔方式。二是精密壓力表、讀數(shù)儀、傳感器、千斤頂、高壓油泵等器具齊備。三是器具標(biāo)定，包括傳感器、讀數(shù)儀、精密壓力表、千斤頂?shù)?。千斤頂?yīng)標(biāo)定回油、進(jìn)油曲線；根據(jù)標(biāo)定情況，劃分張拉分級(jí)（可每級(jí)5MPa）；檢查安裝對(duì)中情況，現(xiàn)場(chǎng)確定傳感器、千斤頂對(duì)中方法，如有沖突立即調(diào)整。四是按照代表性原則選擇合適的試驗(yàn)孔道，至少需要選擇6種孔道，在這6種試驗(yàn)孔道中需要盡量將每種線形包含在內(nèi)，力求在截面兩側(cè)能對(duì)稱、均勻的分布，同時(shí)將所選試驗(yàn)孔道的鋼絞線進(jìn)行的計(jì)算下料并穿束。五是檢查孔道、梁端面，清理水泥漿等雜物。六是對(duì)試驗(yàn)人員技術(shù)交底，并準(zhǔn)備足夠的記錄表格等。

1.1.3 試驗(yàn)經(jīng)過

主要有：一是安裝；將千斤頂、錨具和錨墊板傳感器進(jìn)行組合安裝；將錨固端的千斤頂主缸進(jìn)油空頂數(shù)值關(guān)閉，然后將兩端的預(yù)應(yīng)力鋼束均勻的楔緊于之前安裝好的千斤頂上，兩端裝置對(duì)中。二是充油；千斤頂充油，并將千斤頂上的讀數(shù)保持在一定數(shù)值范圍之內(nèi)（可3～5MPa）。三是張拉并記錄；于甲端進(jìn)行封閉，于乙端進(jìn)行張拉，根據(jù)張拉分級(jí)表上的數(shù)據(jù)，張拉端千斤頂進(jìn)油分級(jí)張拉，張拉千斤頂于設(shè)計(jì)張力，同時(shí)記錄乙端壓力傳感器上的讀數(shù)Nz和甲端壓力傳感器上的讀數(shù)Nb，循環(huán)進(jìn)行三次，將三次測(cè)量的平均值記為Nz和Nb；仍按上述方法，乙端封閉，甲端張拉，分級(jí)張拉至控制應(yīng)力，記錄甲端壓力傳感器的讀數(shù)N′z，乙端壓力傳感器的讀數(shù)N′b，如此再反復(fù)三次，取三次測(cè)試的平均值分布記為N′z和N′b；將上述Nz和N′z進(jìn)行平均記為z，Nb和N′b進(jìn)行平均記為b。則z和b即為該試驗(yàn)孔道的張拉端和被動(dòng)端的壓力。四是重復(fù)測(cè)試規(guī)定數(shù)量；張拉完后千斤頂需要卸載至初始位置，將相關(guān)的裝置退錨并進(jìn)行下一個(gè)孔道的鋼絞線的測(cè)試。經(jīng)過重復(fù)循環(huán)的測(cè)量試驗(yàn)，每個(gè)孔道最少需要進(jìn)行三個(gè)循環(huán)，以期數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

1.1.4 數(shù)據(jù)處理[1]

按照《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失計(jì)算公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

σ=σ[1-e]（1）

式中：μ為鋼絞線與管壁間的摩擦系數(shù)；k為每米管道的局部偏差對(duì)摩擦的影響系數(shù)。由于μ、k兩個(gè)參數(shù)之間存在耦合關(guān)系，因此，要想準(zhǔn)確測(cè)定μ、k的值，要盡可能測(cè)定選取不同曲線的管道進(jìn)行摩阻測(cè)試，才能使摩阻系數(shù)實(shí)測(cè)值更為接近真實(shí)值。μ和k值可依據(jù)最小二乘法原理，聯(lián)立解方程組即可求得，見公式（2）。

μθ+kθl=ξθμθl+kl=ξl（2）

式中：ξ為第i個(gè)管道對(duì)應(yīng)的ln（Nz/Nb）值；

Nz、Nb分別為主動(dòng)端和被動(dòng)端的傳感器壓力；

n為實(shí)際測(cè)試的管道數(shù)目，必須測(cè)試不少于2個(gè)線形管道；

l為第i個(gè)管道對(duì)應(yīng)力筋的水平方向的投影長(zhǎng)度（m）；

θ為第i個(gè)管道對(duì)應(yīng)力筋的空間曲線的包角（rad），其公式為：θ=。

1.2 喇叭口、錨圈口摩阻測(cè)試

1.2.1 測(cè)試方法

由于在應(yīng)力筋的張拉過程中鋼絞線會(huì)與喇叭口和錨圈口的部位產(chǎn)生接觸并發(fā)生一種相對(duì)滑動(dòng)，也必然會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦阻力。在一般的設(shè)計(jì)中，取喇叭口和錨圈口部位的摩阻損失控制在張拉控制應(yīng)力的6%進(jìn)行計(jì)算，并要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證。錨口及喇叭口摩阻一般采用制作混凝土試塊作為試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試?？深A(yù)先制作尺寸約為0.8m×0.8m×3.0m的混凝土長(zhǎng)方體（強(qiáng)度、彈模、齡期均與設(shè)計(jì)相符），測(cè)試的方法為采用安裝好夾片的處在工作狀態(tài)的錨頭，通過壓力傳感器的測(cè)量測(cè)出其數(shù)值，測(cè)試原理圖如圖2所示。用位于測(cè)試裝置兩端的傳感器測(cè)出錨具和錨墊板前后所得到的拉力讀數(shù)的差值即為錨具的錨口摩阻和錨墊板摩阻力的損失之和。

1.2.2 測(cè)試過程與數(shù)據(jù)處理

主要有：一是安裝；安裝傳感器、錨具、錨墊板、千斤頂?shù)取６菍⑶Ы镯斶M(jìn)行充油張拉；將測(cè)試裝置的兩端同時(shí)充油，控制油表的讀數(shù)值，將讀數(shù)保持在4MPa左右，然后將測(cè)試裝置的甲端封閉，將其作為被動(dòng)端，將測(cè)試裝置的乙端作為主動(dòng)端，張拉測(cè)試裝置，將其張拉至控制噸位。三是將測(cè)試裝置進(jìn)行張拉并進(jìn)行記錄。若測(cè)試裝置的乙端壓力傳感器讀數(shù)為N，其甲端的壓力傳感器的相應(yīng)讀數(shù)為N，則測(cè)試裝置的錨口及其喇叭口的摩阻損失公式為：ΔN=N-N；最終以張拉力的百分率表示的錨口和錨墊板摩阻損失為：η=×100%。四是重復(fù)試驗(yàn)取均值。首先將乙端封閉，然后將甲端張拉，最終按上述的方法進(jìn)行三次循環(huán)，取其平均值；兩次的和平均值，再將最終的結(jié)果予以平均，最終結(jié)果即為測(cè)定值。

2 卡控要點(diǎn)

2.1 管道定位與成孔方式

波紋管定位和成孔方式對(duì)管道摩阻影響較大，由于預(yù)應(yīng)力管道施工方面的精細(xì)化程度普遍難以達(dá)到要求，特別是連續(xù)梁縱向預(yù)應(yīng)力的定位問題更為突出，定位網(wǎng)片固定不牢、管道初始定位不準(zhǔn)等因素均會(huì)使管道實(shí)際位置和設(shè)計(jì)位置產(chǎn)生較大偏差，從而導(dǎo)致梁體線形、軌道平順性較差[2]。有的成孔方式為金屬波紋管成孔，但現(xiàn)場(chǎng)采用了抽拔橡膠棒的成孔方式；或是當(dāng)澆筑混凝土后靜停較短時(shí)間，即抽拔橡膠棒，造成管道內(nèi)壁混凝土未完全硬化，加大了管道內(nèi)壁粗糙，增大管道摩擦系數(shù)，嚴(yán)重的可能會(huì)出現(xiàn)塌孔或縮頸。以上的施工細(xì)節(jié)會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力管道摩阻的偏大。此外，應(yīng)在試驗(yàn)中及時(shí)對(duì)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，如發(fā)現(xiàn)有異常，立即查找原因，如可查看傳感器是否對(duì)中，千斤頂是否穩(wěn)固，并增加試驗(yàn)次數(shù)以減少誤差。

2.2 千斤頂安裝

在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，務(wù)必保持千斤頂、壓力傳感器和喇叭口嚴(yán)格對(duì)中，試驗(yàn)前壓力表指針應(yīng)在零讀數(shù)位置；千斤頂安裝，應(yīng)使油缸向外便于測(cè)伸長(zhǎng)值。被動(dòng)端錨固使用千斤頂進(jìn)行錨固，千斤頂應(yīng)在張拉前主缸空頂一段距離之后再將其關(guān)閉。如千斤頂一端行程不夠，可在張拉端串聯(lián)兩臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。

2.3 張拉控制

現(xiàn)場(chǎng)施工張拉或進(jìn)行測(cè)試時(shí)，作業(yè)人員容易發(fā)生張拉速度過快的問題，一般情況下應(yīng)將張拉速度保持在預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量為180～200MPa/min間較合適（如32m箱梁，終張時(shí)間宜在6～8min）。兩端對(duì)稱同步張拉伸長(zhǎng)，宜采用自動(dòng)張拉設(shè)備保證兩端伸長(zhǎng)量同步。

2.4 伸長(zhǎng)量校核

鋼絞線伸長(zhǎng)量作為張拉力校核的主要對(duì)象，設(shè)計(jì)一般要求實(shí)測(cè)得到的伸長(zhǎng)量與理論的伸長(zhǎng)量之間的允許的偏差為±6%，但實(shí)際施工過程中常常出現(xiàn)偏差，出現(xiàn)這種情況的主要原因是：鋼絞線的彈性模量有時(shí)標(biāo)稱不準(zhǔn)，且多根鋼絞線編成束后通常高于單根鋼絞線的彈性模量；經(jīng)過初張、終張兩階段張拉，但計(jì)算回縮量時(shí)錯(cuò)誤的僅計(jì)算了終張的回縮量；未從實(shí)測(cè)值中扣除工作錨與工具錨間的鋼絞線自由長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。因此，現(xiàn)場(chǎng)多數(shù)情況導(dǎo)致計(jì)算值偏小，伸長(zhǎng)量不足。

2.5 超張拉與錨固靜停時(shí)間

高鐵橋梁一般采用低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，而超張拉針對(duì)普通松弛預(yù)應(yīng)力筋較為有限。因此，如果超張拉過渡，難以松弛到到設(shè)計(jì)荷載，且低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨固靜停時(shí)間比普通松弛預(yù)應(yīng)力筋偏短，一般3分鐘內(nèi)可以讓同一束鋼絞線各根應(yīng)力變化均勻。

3 結(jié)論

通過對(duì)高鐵后張梁管道摩阻影響因素分析，改進(jìn)摩阻測(cè)試數(shù)據(jù)處理方法，簡(jiǎn)化優(yōu)化了試驗(yàn)控制相關(guān)環(huán)節(jié)。采用此方法可較為簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的估算出預(yù)應(yīng)力損失大小。同時(shí)，為標(biāo)準(zhǔn)制定和管理部門下一步修訂相關(guān)鐵路后張梁摩阻測(cè)試技術(shù)規(guī)程提供了有益參考。

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