预应力混凝土梁管道摩阻试验研究.pdf

2 0 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i ng 文章 编号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 2 0 0 4 预应力混凝土梁管道摩阻试验研究 蔡金 标 ， 胡 蒙 ， 陈海浪 ( 浙江大学 建筑工程学 院 ， 杭州3 1 0 0 5 8 ) 摘要 ： 结合武汉市轨道交通一号线二期工程跨江岸货场桥 梁空间曲线预应力束管道摩 阻试验的数据， 采 用最小二乘法原理 ， 求 出管道摩 阻系数 肛和 k 。通过对诸 多相关文献中不同管道类型的摩 阻系数 和 k 的取值进行 统计 ， 提 出了相应的设计参考取值。 关键词 ： 空间曲线 最小二乘法 管道摩 阻系数 中 图分 类号 ： U 4 4 8 3 5 文献标 识码 ： B 预应力损失由五个主要因素组成 ： 混凝土收缩徐 变 ， 预应力筋松弛 ， 锚头变形及预应力筋 回缩 ， 管道摩 擦阻力 ， 混凝土弹性压缩。对 于后张拉预应力混凝 土 梁而言 ， 管道摩阻损失是各种 预应力损失的最主要部 分 ， 尤其是 对弯 曲长束 管道 的摩 阻损失可 达 4 0 以 上 。 由于施 工过 程 中诸多 不确 定 因素及 施工 水 平存在 差异 ， 虽然管道材质 、 力筋束种类相同 ， 实测管道摩阻 系数却大不相同。所 以， 在正式张拉前 ， 应对结构进行 管道摩阻现场测试 ， 并根据测试结果对张拉力和监控 计算中的管道摩阻系数值进行相应调整。 1 工程概况 武汉市轨道交通一号线二期工程跨江岸货场桥梁 采用梁拱 组合 结构 ， 跨 径组 合为 ( 4 9 9+1 0 4 9 8 3+ 4 9 9 )m。桥址平面位于 S型反 向非对称 曲线上 ， 因 此预应力钢束为空间曲线布置。主梁采用槽形箱梁结 构 ， 中支点处梁高 8 1 6 3 m， 跨 中梁高 3 0 11 1 ， 中间以4 次抛物线连接。纵 向预应力采用 1 9 1 5 2 0 m m钢绞 线索 ， 抗拉 标准 强度 =i 8 6 0 MP a ， 弹性 模量 E= 1 9 51 0 MP a ， 张 拉 控 制 应 力 为 o r =0 7 = 1 3 4 0 MP a 。 钢绞 线 的公称 截 面积 为 1 4 0 m m 。预应 力 管道采用塑料波纹管成孔 。桥型布置如图 1所示。 E 2 3 墩 图 1 桥 型布置( 单位 ： e m) 2试验原 理和内容 2 1 试 验 原理 摩阻损失主要 由于孔道 的偏差和孔道的弯曲两部 分影响所产生。由于施工时因振动等原 因而使管道变 成波形 ， 加之预应力筋 因 自重下 垂 ， 与管 道有实 际接 触 ， 故当张拉预应力筋有相对滑动时就会产生摩阻力 ， 收稿 日期 ： 2 0 1 0 1 1 3 1 ； 修回 日期 ： 2 0 1 1 0 4 0 6 作者简介 ： 蔡金标 ( 】 9 6 5 一 ) ， 男 ， 浙江浦江人 ， 副教授 ， 博士。 E 2 4 墩 E 2 5 墩 此项称为管道偏差影响。对于管道弯转影响除了管道 偏差 影 响之外 ， 还 有力 筋 对 管 道 内壁 的径 向压 力 所 产 生的摩阻力 ， 该部分称为弯道影响， 随力筋弯曲角度的 增加而增加。根据 公路钢筋混凝土及预应力混凝土 桥涵设计规范( J T G D 6 2 -2 0 0 4 )( 以下 简称公 路规 范) ， 预应力管道摩阻损失 为 or n=or 1一e 一 ( 1 ) 式 ( 1 ) 中的 or 为 张拉端 钢绞 线锚 下控 制应 力 ( MP a ) ； 为预应力钢筋与管道壁的摩擦系数 ； 0为从张拉端至 计算截面曲线管道部分切线的夹角之和( r a d ) ， 空间包 2 0 1 1 年第 7期 预应 力混凝土梁管道摩阻试验研究 2 1 角0 的计算公式： 0 = + ， 其中， 0 为空间曲 线在 水平面内投影的切线角之和 ， 0 为空间曲线在竖 向平 面的切线 角之 和； k为管道每米局部偏差对摩擦 的影 响系数 ； 为从张拉端至计算截面的管道长度 ， 可近似 地取该段管道在构件纵轴上的投影长度( m) 。 根据式( 1 ) 推 导 k和 计算公式 ， 设 主动端压力 传感器测试值为 P ， 被动端为 P ， 此时管道长度为 z ， 0 为管道全长的曲线包角 ， 上式 两边 同乘以预应力 钢绞 线的有效面积 ， 则可得 P lP 2=P t 1一e “ ( 2 ) 由式 ( 2 ) 得P 2 =P ， e “ 两边取对数得 +k l =一 I n ( P P ) 令 Y=一I n ( P 2 P ) 试验时通过传感器测得 P 。 ， P 。对不 同管道的测 量理论上可得到一系列的方程式如下 ： t0+k lY l=0 I * 0+k lY =0 测试仪器和相关的仪器特性见表 1 。 表 1 穿心式 力传感 器特 性值 +i ZY ：0 由于实际测试存在误差 ， 上式右边不会为零 ， 假设 +k lY l=s l +k lY2= 2 +k lY =s 利用最小二乘法原理 ， 令 q：s Oq ：0 当 - 一 i砉 s 取 得 最 小 值 。 从 而 可得 到 f 肛 0 + k 0 ； 一y i O =0 。 。 i= 1 【 O il + k l 一y il ： 0 解 方程 组得 和 k 。 管道摩阻测试原理如图 2所示 。 图 2 管道 摩阻测试 系统示意 传感器的计算公式为 P =K ( fi 一 ) 式中 ， K为传感 器压力 系数 ； 为荷载实时平 均频率 值 为初始频率值。 2 2试验 内容 本次试验测试对象为 2 4号墩 T 1 0 、 T 1 1和 2 3号墩 T 1 1预应力钢绞线 ( 皆为由北至南第 2束 ) 。为了得到 多组试验数据， 试验采用多次分级张拉法。由于试验 钢束较长， 而张拉千斤顶量程有 限， 因此不能 张拉 到 1 0 0 ， 只能根据现场试验情况尽可能张拉至最大 。预 应力钢束 为 1 9 1 5 2 0 m m钢绞线 ， 张拉控制应力 为 1 8 6 00 7 2= 1 3 4 0 MP a 。对 应1 0 0 张 拉 力 为 3 5 6 4 4 k N。 实际测试步骤为 第一级 ： 左端张拉至 0 2 0 ， 即 7 1 2 9 k N； 第二级 ： 右端张拉至 0 5 0 ， 即1 7 8 2 2 k N； 第三级 ： 右端张拉至 0 6 0 ， 即2 1 3 8 6 k N； 第 四级 ： 右端张拉至 0 7 0 ， 即2 4 9 5 1 k N 。 每级张拉完 ， 记 录主动端和被动端 的压力传感器 读 数 。 3 数据结果 各钢束的空间长度、 总包角如表 2所示。 表 2试验 钢 束 空 间 长 度 和 包 角 2 2 铁道建筑 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计 规范( T B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5) ( 以下简称 铁路规 范 ) 第 6 3 4给出了金属波纹管 的摩阻损失 系数 ， 但未给 出 塑料波纹管的摩阻损失系数。公路规范第 6 2 2条给 出了金属和塑料波纹管的摩阻损失系数 。设计采用摩 阻系数取值为 ： 为 0 2 3 ， 为0 0 0 2 5 。 测试结果和计 算 结果 如 表 3表 5所 示 。 表 3管道摩 阻测试结果 表 4管道摩 阻系数计算值 表 5 管道摩 阻系数 计算 结果 4 参 考取值 关于管道摩阻损失试验的文献很 多， 也给出了很 多摩阻损失系数 ， 可是未有文献对这众多摩阻损失系 数进行过归纳。 目前 ， 各规范对于摩阻系数 的取值未 能统一 ， 铁路 、 建筑规范甚至没有给出塑料波纹管的摩 阻系数取值 ， 因此非常有必要对各文献提供 的摩阻系 数进行统计分析 ， 以便为规范 的进一步修正完善提供 参考 ， 见表 6 。 表 6文献平 均摩 阻系数与规范值对比 预埋塑料波纹管实测摩阻系数值一般 比公路规范 偏大 ； 预埋金属波纹 管的实测摩阻系数值一般 比公路 规范和建筑规范取值偏 大， 与铁路规 范基本符合 ； 公 路 、 铁路、 建筑规范 中抽芯成型管道摩阻系数取值基本 相 同， 对 比实测系数 ， 规范 中 k值偏小 ， 值则相差不 大。考虑设计安全 ， 建议各规范统一修正和完善各管 型摩阻系数取值 。本文提出表 7中取值 以供设计时参 考 。 表 7 摩 阻系数参考取值 种 类 摩阻系数取值 ( 下转第 9 8页 ) 9 8 铁道建筑 均值5 5 3 9 m s 、 波速临界值 8 4 7 m s ， 波速曲线超出显 示范围 ， 不符合规范要求。该桩波幅与 P S D( 波速异常 斜率法判据) 正常 ， 综合判断桩身混凝土质量 良好 ， 根 据表 3的波速范围进行修正 ， 修正后剖面波速平均值 4 6 4 5 m s 、 波速临界值4 0 0 0 m s ， 波速曲线显示 良好 ， 见 图 7 ( b ) 。 吕 彗l 波速v 、波幅A、P S D( ) 7 结语 暑 担 0 6 3 9 9 4 2 - - - _ 一 - _ 一 - ( a ) 修正前 ( b ) 修正后 图 7某特 大桥 1 7 1 5 桩声波 曲线 本文通过对基桩高性 能混凝土波速与强度试验， 分析探讨了波速与强度的增 长规律及波速参考范围。 主要结 论 如下 ： 1 ) 基桩高性能混凝土强度随龄期增长而增长 ， 增 长速率随龄期增长而变缓 ， 其中 01 4 d 增长迅速 ， 2 8 d 以后 强度 增长 幅度 为 3 6 2 6 7 。 2 ) 波速与强度之间存在较好 的相关性 ； 波速随龄 期的增长而增长 ， 但与强度增长规律相 比， 波速随龄期 的增 长速 率较 快 ， 2 8 d以后 波速基 本稳定 。 3 ) 给出了高性 能混凝土低应变与超声波波 速参 考范 围， 为工程基桩检测提供参考 。 参 考 文 献 1 中华人们共和 国铁道部 T B 1 0 2 1 8 2 O 0 8 铁路工程基桩检 测技术规程 S 北京 ： 中国铁道出版社 ， 2 0 0 8 2 陈凡 ， 徐天平 ， 陈久 照， 等 基桩质量检 测技 术 M 北 京 ： 中 国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 3 3 王元 丰， 梁亚平 高性能 混凝 土的弹性 模量与泊松 比 J 北 方交通 大学学报 ， 2 0 0 4， 2 8 ( 1 ) ： 5 7 4 王晓琴 ， 倪峰 铁路 客运 专线高性能混凝土的性能研究 J 物 流工 程与管理 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 6 ) ： 1 1 4 1 1 5 5 张佰 战 ， 董承全 ， 胡在 良， 等 基桩高性能混凝土强度与 波速 关 系的试验研究 R 北 京 ： 中 国铁 道科 学研究 院 铁道 建筑研 究 所 ， 2 0 1 0 6 吴中伟 ， 廉慧 珍 高性 能混 凝 土 M 北 京 ： 中国铁 道 出版 社 ， 1 9 9 9 7 董承全 ， 张佰战 ， 胡在 良， 等 桩身完整性不同检测方法 的对 比试 验 J 铁道建 筑 ， 2 0 0 9 ( 1 2 ) ： 7 5 7 7 ( 责任 审编 王红) ( 上 接第 2 2页 ) 5 结 论 1 ) 现场试验得 到的预应力波纹管管道 局部偏差 影响系数值 k为0 0 0 1 8 2， 管道摩擦系数 为 0 2 0 4， 介于规范值与设计值之间。按设计所采用的摩阻系数 计 算得 出的摩 阻损 失 大 于 实测 摩 阻损 失 值 ， 说 明设 计 充分 考虑 了摩 阻损 失 的影 响 ， 因 此 能 够满 足 实 际工 程 要 求 。 2 ) 各相关 规范 中关于各管型摩 阻损 失系数 的取 值有待进一步完善和统一 ， 本文根据诸多文献的统计 ， 提出以下取 值 以供参考 ： 塑 料波纹 管 k=0 0 0 1 8 0 0 0 2 3 ， =0 1 90 2 4 ； 金属 波纹 管 k=0 0 0 2 3 0 0 0 2 8 ， =0 2 30 2 8 ； 抽 芯 成 型 =0 0 0 1 7 0 0 0 2 2， =0 480 5 5。 参 考 文 献 1 中华人 民共 和国交通部 ， J T G D 6 2 -2 0 0 4 公路钢筋混凝 土 及预应力混凝 土 桥 涵设 计 规 范 s 北 京 ： 人 民交 通 出 版社 ， 2 00 4 2 中华人 民共 和 国铁道部 T B 1 0 0 0 2 3 2 O 0 5 铁路 桥涵 钢 筋混凝 土和预应力混凝土结构设计规范 s 北京 ： 中国铁 道出 版社 ， 2 0 0 5 3 中华人民共和 国建设 部 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2混凝 土结构 设 计 规范 s 北 京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 4 吕献梅 新建铁 路预应力箱梁 预制质 量控制要 点分析 J 铁道建筑 ， 2 0 1 0 ( 9 ) ： 3 5 3 7 ( 责任审编 白敏华)