混凝土曲线梁超长预应力束孔道摩阻试验.pdf

第9 期 2 0 0 8 年9 月 广 东土 木与建 筑 GU ANGD0NG ARC HI T EC T URE C I VI L EN GI NEE RI NG N o 9 S E P 2 0 0 8 混凝土曲线梁超长预应力束孑 L 道摩阻试验 高至飞 ( 广 J l 铁路( 集团) 公司科学技术研 究所 广州 5 1 0 0 8 8 ) 摘要： 介绍预应力孔道摩 阻损失的测试原理和 方法 并根 据现 场实测结果 ， 采用最小二 乘原 理识 别孔道摩 阻 系 数 和偏差 系数 k ， 最后对孔道摩 阻损 失测试方法提 出了一些必要 的建议 。 关键词 ： 超长预应 力束 ；孔道摩 阻；偏差 系数 ；最 小二乘法 1前言 随着 预 应力 技 术 的发 展 预 应 力混 凝 土 在 土木 工 程 中的应 用越 来 越 广 特别 是 在 桥梁 结 构 中 发挥 着重要作用 对它的准确估计与计算将关系到力筋 中的有效预应力能否满足桥梁使用阶段的要求 对 于预应力损失值 估计过高会使梁端混凝土局部破 坏或梁体预拉区开裂 且延性降低 ： 估计不足则无法 有效提高预应力混凝土梁的抗裂性能和刚度 后张 法预应力结构中的钢筋预应力损失值直接关系到使 用荷载作用下钢筋永存应力的大小 造成预应力损 失的主要 因素有 ： 预应力钢筋与管壁之间的摩擦 ： 锚具变形导致钢筋回缩 ： 混凝土弹性压缩 ： 预 应力钢筋应力松弛以及混凝土收缩徐变等 在所有 预应力损失中 第 1 项即摩擦的损失所 占比例最大 超 长预应 力结 构 的构 件 总长 度 在 5 0 m 以上 预 应力束通常为多波连续曲线束 或空间曲线束 ： 采用 后张大吨位群锚体系 目前以超长预应力结构为代 表的多波连续曲线束或空间曲线束的预应力筋束形 设计 E l 渐增多 使得预应力孑 L 道摩擦损失在总预应 力损失中所 占的比重不断提高其影响不断增大 许多设计人员对影响摩擦损失的摩擦系数和管道偏 差系数的取值看法不一 。 或完全按照规范取值 或依 据经 验而 定 从 而导 致 预应 力 损 失 的计 算 结果 存 在 较大误差 因此如何合理准确地计算孔道摩擦损失 成为超长预应力结构设计 的一个突出问题 2 子 L 道摩 阻损失计算 根据文献 5 ， 平面曲线束的孔道摩阻损失计算 表达式为： = O c o n 1 - e 一 h = k ( 1 ) 式中： 一为预应力钢筋锚下的张拉控制应力( MP a ) ； 为从张拉端至计算截面的长度上 力筋的弯曲角之 和( r a d ) ， 直线力筋 0 = 0 ； 为张拉端至计算截面的孔 道水平投影长度( m) ； 为力筋与孔道壁之 间的摩 阻系数 ： k为管道每米局部偏差对摩擦的影响系数 ； fl= l e 一 k 。 由此可以证明 空间曲线束的孔道摩阻损失计算 表达式和平面曲线相同唯其曲线转角 0改用空间 包角 0 ， 其计算表达式为 ： 0 =、 丁 ( 2 ) 式 中： 为力筋束竖向平面内的弯起角 ： 为该力筋 束水平面内弯起角 ， 若仅在竖向平面内弯起 ， 则取 0 。 3 孔道摩阻系数 和偏差系数 k的确定 在预施应力过程中 离张拉端 处因孔道摩阻而 损失的力筋束内力值为 ： = 1 - e = ( 3 ) 式中： 为张拉力 ； 为损失率。 当采用一端张拉一端固定的方法来测定参数 和 时， 式( 3 ) 可写为 ： O + k l = 一 I n ( 1 一 ) ( 4 ) 式 中 0分别为张拉端至 固定端力筋束长 和空间 包角( 为便于书写 ， 仍用 代替 ) 。若该力筋束为 直线布置即0 = 0 ， 则由式( 4 ) 直接得到 = 一 l n ( 1 ) f ； 若该力筋束为曲线布置 则须借助于 2根以上力筋束 的测试结果利用最 b -乘法计算得到 、 。试验误 差是不可避免的， 假定式( 4 ) 的误差为 ， 则有 ： O + k l + I n ( 1 一 ) = ( 5 ) 如果有 n束力筋束 ， 则式( 5 ) 变为 ： 0 + k l G= ( 6 ) 3 9 2 0 0 8 年9 月 第9 期 高 至飞： 混 凝土曲 线梁 超长 预应力 束孔道 摩阻 试验 S E P 2 0 0 8 N o 9 式中： 、 分别为第 根力筋束的 、 Z ； G l n ( 1 ) ， 从而得到全部力筋束测试误差的平方和为 ： =A = ( A t 0 + k l 一 G) ( 7 ) 要使试验误差达到最小 ， 应有 ： =0 = 0 ( 8 ) O c 0u 由式( 7 ) ( 8 ) 可求得 、 k ， 即 ： f o J + k E O if f ： E c ho fo 1 I a0 Z + f = Gf f 式 中： G= 一 l n ( 1 一 ) ( 为第 i 根钢筋束 ) ， 可见根据 多孔道摩阻测试结果 可利用极值原理建立 a、 k的 联立方程同时求出这两个参数 4 测试 元 件的选 择 国内通常采用荷载传感器或千斤顶测力装置作 为拉力的测试元件 荷载传感器的测试精度相对较 高， 但对现场安装精度也要求较高 因而正确选择和 安装对测试精度极为重要 预应力束的超张拉应力 不宜超过传感器额定荷载的 8 0 传感器应事先标 定 ， 最小分辨率不应大于额定荷载的 0 1 ， 非线性、 滞后及重复性误差均应小于额定荷载的 0 5 安装 时传感器的受力状态应尽可能与标定时相同 采用千斤顶测力装置时 张拉端应作为主动端 固定端作为被动端 事先标定时应注意千斤顶主动 读数和被动读数的区别 在测试系统中 直接 以千 斤顶油压表读取拉力值 应扣除锚 E l 摩阻损失 预 应力束的超张拉应力不宜超过千斤顶额定荷载的 8 0 油压表的精度应不低于 0 4级 由于千斤顶内 部存在摩擦阻力 虽然主被动端交替测试可消除大 部分影响 但仍无法彻底消除 而且千斤顶主动和被 动张拉的油压表读数是不同的 需要在测试前进行 现场标定被动张拉曲线 ： 采用穿心式 电子压力传感 器提高了测试数据的可靠性 和准确性 不受张拉千 斤顶油压表读数分辨率较低的影 响 本文采用 了 3 0 0 t 振弦式压力传感器进行测试 5 测试 方 法的选 择 对于超长束管道摩阻损失的 测试 ， 文献 3 提出采用在张拉端 安装工作锚 通过几次倒顶达到 目 的， 该法理论上可行 但实施起来 4 0 却十分困难 很难将张拉到设计吨位的力筋放松 必 须安装一套退锚装置 本文采用在主动张拉端用多 级千斤顶进行张拉后卸荷的方法 荷载千斤顶的个 数取决于张拉伸长值 采用该法可以更换张拉端和固 定端的方向， 并可进行反复测试 得到数组测试数据 ， 按一元线性 回归计算孔道摩擦损失因不需安装退 锚装置 ， 故较便于执行 5 1 孔道 + 锚头+ 喇 叭 口总摩阻 测试 采用单端张拉形式进行 根据拉伸量在主动张 拉端安装多台千斤顶 被动张拉端安装 1 台千斤顶 锚 固端的千斤顶在测试前首先预张以便在测试完 成后进行退锚 试验张拉端和锚固端均采用 3 0 0 t 压 力传感器 张拉时由2个传感器读数之差求出孔道 摩阻损失 试验时同时记录读数仪和电动油泵读数 其整理以读数仪结果为准并用电动油泵数据校核 以确保试验结果的可靠性 试验装置如图 1 所示 主 动张拉端和被动张拉端均需预 留足够长度 的钢绞 线 主动张拉端需搭设临时支架以保证千斤顶的稳 定对中， 每组进行 3次测试 ， 按 0 i N k O 2 k O 4 M -* 0 6 ， v k 一0 8 k 一 逐级 加载 。 5 2 锚头+ 喇叭 口摩 阻测 试 首先制作 3 m长的钢筋混凝土张拉台座 两端埋 设锚板 由施工人员配合下料 试验采用单端张拉方 式 在 台座两端分别安装 1台千斤顶 张拉端的千斤 顶完成测试时的张拉 锚 固端的千斤顶在测试前首 先预张 以便在测试完成后进行退锚 张拉端和锚固 端均采用 3 0 0 t 压力传感器 试验装置如图 2所示 张拉时保证钢绞线与中问段孔道不产生摩擦 并设 置多片限位板以加强传感器、千斤顶及锚具之间的 衔接 对 中 工具锚 传 感器 工作锚 喇叭口台 座 传感器 、 h 厂 I 千 斤 顶I 1 4 广 l 千 斤 顶 衙 ： 扩 一 二 一 读 数 仪 卜 _ J 一 l L 电 动 油 泵 图 2 锚头+ 喇叭 口摩 阻试验装置示意图 锚垫板 1 邋!ll 锚 垫 板 j ： 一 千 斤 顶 口 】 印 圃限 圜一 一 感 器 L - - 一 图 l 孔道+ 锚头+ 喇叭 口总摩 阻试验装置示意图 端 耀 l 丽 卜 _ 广 、 U U 2 0 0 8 年9 月 第9 期 广东土 木与建 筑 S E P 2 0 0 8 N 0 9 6工 程实例 6 1 工程 概况 笔者对南 昌市某工程超长预应力筋束进行了管 道摩阻损失测试 跨径为 5 x 3 0 m， 主梁为竖 、 纵双向 预应 力结 构 锚 固在 主梁 截面及 锚 固块 上 纵 向预 应 力束管道用波纹管 ( 内径 9 0 ra m， 外径 9 7 ram) 制孔 根据委托方的要求 将试验纵 向筋束选在 1 0 1 # 1 0 6 墩的 N 2 e 、N 3 e和 N 3 e 束进行 ， 如图 3所示 。 图 3试 验 孔道 示意 图 6 2 测试 结果 与分 析 试验 对 Y M1 5 1 2型 锚 头及 其 配 套 的 喇 叭 口进 行 了台座摩阻试验 取 3次测试 的平均值 锚头+ 喇 叭 口摩 阻损 失为 4 9 8 现 浇 箱 梁 现 场 测 得 的 孔 道 摩 阻 数 据 列 于 表 1 ( 单端张拉) ； 现浇箱梁用于计算 、 k所需的各种参 数 以及计算 的现浇箱梁孔道摩阻系数 和偏 差系 数 后结果 列 于表 2 表 1 箱梁孑 L 道摩阻损失理论计算及试验结果 N ；-2 4 5 2 e N3 c j N 3 c l j 1 1 3 9 2 03 参数 f ( m) l 4 3 2 4 5 1 3 9 1 5 5 Ii 试 验值设 计值 0 ( r a d ) 2 3 0 3 8 2 3 0 3 8 2 3 0 3 8 ll ( r a d ) 0 1 6 3 0 2 5 C 0 8 4 2 6 0 8 2 9 7 0 8 3 0 8 l J ( m) 0 0 0 3 3 0 0 0 1 5 实测现浇箱梁孔道摩阻系数 - 0 1 6 3 ， 小于设计 值 ； 孔道偏差系数 = 0 0 0 3 3 ， 较设计值偏大 ； 预应力 束在施工中为两侧同时张拉 因此换算到跨中时 混 凝土梁预应力钢束 N 2 c 、 N3 c 和 N 3 c 中心处管道摩 阻损失比设计值大 1 9 1 1 6 6 和 1 6 7 测试结 果表明， 应加强预应力管道的定位控制 6 3 测 试 中的注 意事项 测试试验过程 中应均匀连续地张拉预应力筋 中途不宜停歇 以防预应力筋回缩引起误差 ： 测试的 张拉力应尽量达到设计张拉力 ：测试采用的力传感 器应经过标定 以减小测试误差 ： 传感器以及千斤顶 安装时应确保其 中轴线与预应力筋的 中轴线重合 ： 随着对同一管道测试次数的增加 管道摩阻系数略 有降低 主要是预应力筋在管道中多次摩擦使得二 者之间的接触面逐渐光滑而引起 ：实际施工中应避 免力筋和管道的锈蚀等 以免增大其摩阻系数等。 7结语 7 1 超长预应力 曲线束采用后张法制梁工艺时 由 于管道成 型工艺的差异 应尽可能 进行现 场测试 以获 取准确的摩阻参数 ， 并根据实测结果进行施工控制。 7 2 本 文采用 的试验方法和最小二乘原理识 别摩 阻参数的方法合理可靠 简单易行。 7 3 在我国现有施工水平条件下 超长预应力结构 的偏差系数 k应适 当放大 参考文 献 1 刘 永前 等后张 梁管道摩 阻损 失测试技 术与数 据处理 J 中国安 全科学学报 ， 2 0 0 5 ( 1 ) 2 1徐涛 ， 周安 ， 陈春雷预应力混凝土结构孔道摩擦系数 k 和P值实测分析 J 工程与建设 ， 2 0 0 6 ( 3 ) 3 邹焕祖 ， 刘 自明预应力 混凝 土空间长钢绞线束 孔道摩 阻损失 的测试方法 J 桥梁建设 ， 1 9 9 3 ( 4 ) f 4 王强 等后 张预应力 混凝土 梁管道 摩阻参数 识别与 分 析 J 公路交通科技 2 0 0 7 ( 1 ) 5 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 41