預(yù)應(yīng)力混凝土梁管道摩阻試驗研究

蔡金標(biāo)，胡 蒙，陳海浪

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州 310058)

預(yù)應(yīng)力損失由五個主要因素組成:混凝土收縮徐變，預(yù)應(yīng)力筋松弛，錨頭變形及預(yù)應(yīng)力筋回縮，管道摩擦阻力，混凝土彈性壓縮。對于后張拉預(yù)應(yīng)力混凝土梁而言，管道摩阻損失是各種預(yù)應(yīng)力損失的最主要部分，尤其是對彎曲長束管道的摩阻損失可達(dá)40%以上。由于施工過程中諸多不確定因素及施工水平存在差異，雖然管道材質(zhì)、力筋束種類相同，實測管道摩阻系數(shù)卻大不相同。所以，在正式張拉前，應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行管道摩阻現(xiàn)場測試，并根據(jù)測試結(jié)果對張拉力和監(jiān)控計算中的管道摩阻系數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

1 工程概況

武漢市軌道交通一號線二期工程跨江岸貨場橋梁采用梁拱組合結(jié)構(gòu)，跨徑組合為(49.9+104.983+49.9)m。橋址平面位于S型反向非對稱曲線上，因此預(yù)應(yīng)力鋼束為空間曲線布置。主梁采用槽形箱梁結(jié)構(gòu)，中支點處梁高8.163 m，跨中梁高3.0 m，中間以4次拋物線連接?？v向預(yù)應(yīng)力采用19φj15.20 mm鋼絞線索，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度 fpk=1 860 MPa，彈性模量 E=1.95×105MPa，張拉控制應(yīng)力為 σcon=0.72fpk=1 340 MPa。鋼絞線的公稱截面積為140 mm2。預(yù)應(yīng)力管道采用塑料波紋管成孔。橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置(單位:cm)

2 試驗原理和內(nèi)容

2.1 試驗原理

摩阻損失主要由于孔道的偏差和孔道的彎曲兩部分影響所產(chǎn)生。由于施工時因振動等原因而使管道變成波形，加之預(yù)應(yīng)力筋因自重下垂，與管道有實際接觸，故當(dāng)張拉預(yù)應(yīng)力筋有相對滑動時就會產(chǎn)生摩阻力，此項稱為管道偏差影響。對于管道彎轉(zhuǎn)影響除了管道偏差影響之外，還有力筋對管道內(nèi)壁的徑向壓力所產(chǎn)生的摩阻力，該部分稱為彎道影響，隨力筋彎曲角度的增加而增加。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62—2004)(以下簡稱公路規(guī)范)，預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失σl1為

式(1)中的σcon為張拉端鋼絞線錨下控制應(yīng)力(MPa);μ為預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁的摩擦系數(shù);θ為從張拉端至計算截面曲線管道部分切線的夾角之和(rad)，空間包角θ的計算公式，其中，θH為空間曲線在水平面內(nèi)投影的切線角之和，θV為空間曲線在豎向平面的切線角之和;k為管道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù);x為從張拉端至計算截面的管道長度，可近似地取該段管道在構(gòu)件縱軸上的投影長度(m)。

根據(jù)式(1)推導(dǎo)k和 μ計算公式，設(shè)主動端壓力傳感器測試值為P1，被動端為P2，此時管道長度為l，θ為管道全長的曲線包角，上式兩邊同乘以預(yù)應(yīng)力鋼絞線的有效面積，則可得

令y=－ln(P2/P1)

試驗時通過傳感器測得P1，P2。對不同管道的測量理論上可得到一系列的方程式如下:

由于實際測試存在誤差，上式右邊不會為零，假設(shè)

從而可得到

解方程組得μ和k。

管道摩阻測試原理如圖2所示。

圖2 管道摩阻測試系統(tǒng)示意

測試儀器和相關(guān)的儀器特性見表1。

表1 穿心式力傳感器特性值

傳感器的計算公式為

式中，K為傳感器壓力系數(shù);fi為荷載實時平均頻率值;f0為初始頻率值。

2.2 試驗內(nèi)容

本次試驗測試對象為24號墩T10、T11和23號墩T11預(yù)應(yīng)力鋼絞線(皆為由北至南第2束)。為了得到多組試驗數(shù)據(jù)，試驗采用多次分級張拉法。由于試驗鋼束較長，而張拉千斤頂量程有限，因此不能張拉到100%，只能根據(jù)現(xiàn)場試驗情況盡可能張拉至最大。預(yù)應(yīng)力鋼束為19φj15.20 mm鋼絞線，張拉控制應(yīng)力為1 860×0.72=1 340 MPa。對應(yīng) 100%張拉力為3 564.4 kN。實際測試步驟為

第一級:左端張拉至0.2σcon，即712.9 kN;

第二級:右端張拉至0.5σcon，即1 782.2 kN;

第三級:右端張拉至0.6σcon，即2 138.6 kN;

第四級:右端張拉至0.7σcon，即2 495.1 kN。

每級張拉完，記錄主動端和被動端的壓力傳感器讀數(shù)。

3 數(shù)據(jù)結(jié)果

各鋼束的空間長度、總包角如表2所示。

表2 試驗鋼束空間長度和包角

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.3—2005)(以下簡稱鐵路規(guī)范)第6.3.4給出了金屬波紋管的摩阻損失系數(shù)，但未給出塑料波紋管的摩阻損失系數(shù)。公路規(guī)范第6.2.2條給出了金屬和塑料波紋管的摩阻損失系數(shù)。設(shè)計采用摩阻系數(shù)取值為:μ為0.23，k為0.002 5。測試結(jié)果和計算結(jié)果如表3～表5所示。

表3 管道摩阻測試結(jié)果

表4 管道摩阻系數(shù)計算值

表5 管道摩阻系數(shù)計算結(jié)果

4 參考取值

關(guān)于管道摩阻損失試驗的文獻(xiàn)很多，也給出了很多摩阻損失系數(shù)，可是未有文獻(xiàn)對這眾多摩阻損失系數(shù)進(jìn)行過歸納。目前，各規(guī)范對于摩阻系數(shù)的取值未能統(tǒng)一，鐵路、建筑規(guī)范甚至沒有給出塑料波紋管的摩阻系數(shù)取值，因此非常有必要對各文獻(xiàn)提供的摩阻系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以便為規(guī)范的進(jìn)一步修正完善提供參考，見表6。

表6 文獻(xiàn)平均摩阻系數(shù)與規(guī)范值對比

預(yù)埋塑料波紋管實測摩阻系數(shù)值一般比公路規(guī)范偏大;預(yù)埋金屬波紋管的實測摩阻系數(shù)值一般比公路規(guī)范和建筑規(guī)范取值偏大，與鐵路規(guī)范基本符合;公路、鐵路、建筑規(guī)范中抽芯成型管道摩阻系數(shù)取值基本相同，對比實測系數(shù)，規(guī)范中k值偏小，μ值則相差不大。考慮設(shè)計安全，建議各規(guī)范統(tǒng)一修正和完善各管型摩阻系數(shù)取值。本文提出表7中取值以供設(shè)計時參考。

表7 摩阻系數(shù)參考取值

5 結(jié)論

1)現(xiàn)場試驗得到的預(yù)應(yīng)力波紋管管道局部偏差影響系數(shù)值k為0.001 82，管道摩擦系數(shù) μ為0.204，介于規(guī)范值與設(shè)計值之間。按設(shè)計所采用的摩阻系數(shù)計算得出的摩阻損失大于實測摩阻損失值，說明設(shè)計充分考慮了摩阻損失的影響，因此能夠滿足實際工程要求。

2)各相關(guān)規(guī)范中關(guān)于各管型摩阻損失系數(shù)的取值有待進(jìn)一步完善和統(tǒng)一，本文根據(jù)諸多文獻(xiàn)的統(tǒng)計，提出以下取值以供參考:塑料波紋管k=0.001 8～0.002 3，μ=0.19～0.24;金屬波紋管 k=0.002 3～0.002 8，μ=0.23～0.28;抽芯成型 k=0.001 7～0.002 2，μ=0.48～0.55。

［1］中華人民共和國交通部，JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］中華人民共和國鐵道部.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)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50010—2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［4］呂獻(xiàn)梅.新建鐵路預(yù)應(yīng)力箱梁預(yù)制質(zhì)量控制要點分析［J］.鐵道建筑，2010(9):35-37.