后张预应力混凝土连续梁孔道摩阻试验研究与实例分析.pdf

2 0 1 1 年 6月 第 2卷 第 3期 高速铁路技术 HI GE 【 S P EE D RA I L W AY T EC HNO L OGY No 3， Vo 1 2 J u n 2 0 1 1 文章编号 ：1 6 7 4 8 2 4 7 ( 2 0 1 1 ) 0 3 _ - 0 0 0 1 _ _ 0 4 后张预 应力混凝 二 t连续梁孔道摩 阻试验研究 与实例分析 程海，限凌青松温婷 ( 华东交通： 学土木建筑学院， 南昌 3 3 0 0 1 3 ) 摘 要 ： 鉴 F 对后张梁孔 道摩 阻测试 的必要性 ， 文章介绍了后张梁孔道摩阻系数的试验原理和试 验方法 ， 通过 采用线性回归原理， 由规范中给出的公式推导预应力孔道摩组系数的计算公式， 结合向莆铁路沙溪特大桥现 场测试数据进行分析处理， 计算出实际预应力孑 L 道摩阻系数的值， 并与设计值进行对比分析 ， 对其影响因素 作出总结。 关键词 ： 后 张梁 ； 线 性回归 ； 摩阻试验 ； 摩诅 系数 ； 有效预应力 中图分类号 ： T U 7 5 7 1 4 文献标识码 ： A Re s e a r c h a nd Ca s e Ana l y s i s o n Ex p e r i m e n t o f Po s t - t e n s i o n i n g Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Co n t i n u o us Be a m Pi p e Fr i c t i o n a l Re s i s t a n c e CHE NG Ha i - g e n L I N G Qi n g - s o n g WE N T i n g ： ( C i v i l C o n s t r u c t i o n I n s t i t u t e 一 , Ea s t _ i n Ch g i n a J i a o t o n g Un i v e r s i t y , ， N a n c h a n g 3 3 0 0 1 3, C h i h a ) Abs t r a c t I n v i e w o f t h e n e c e s s i t y o f po s t t e n s i o r b e a m p i p e f r i c t i o n t e s t t h i s pa p e r d e s c rib e s t h e p rin c i p l e s o f p o s t 一_ ： 一 in g ， 一 嘲 t e n s i o n i n g b e a m pi pe f r i c t i o n t e s t i n g a n d t e s t me t h o d，b y u s i n g t h e p r i n c i p l e o f l i n e a r r e g r e s s i o n，a nd u s i n g s t a n d a r d f o r mu l a t o p u t o u t t h e c a l c u l a t i v e f o r mu l a o f p r e s t r e s s e d pi p e l i n e h i n d e r i n g I n c o mb i n a t i o n wi t h t h e l o c a l t e s t d a t a o f Xi a n g p u R a i l w a y S h a x i s u p e r I I l a j o r b ri d g e，c a l c u l a t e s t h e v a l u e o f p r a c t i c a l p r e s t r e s s e d p i p e l i n e h i n d e r i n g m o d u l u s ， C O l 1 一 p a r e s wi t h d e s i g n v a u ea n d ma k e s s u mma r i e s o n t h e a f f e c t i n g f a c t o r swh i c h ma y pr o v i d e r e f e r e n c e for b r i d g e e n g i n e e r i n g t e c h n i c i a n s Ke y wor d s： p o s t t e n s i o n i n g b e a m ；l i n e a r r e g r e s s i o n；f ric t i o n t e s t i n g；f r i c t i o n a l c o e ffic i e n t ；e f f e c t i v e p r e s t r e s s i n g f o r c e 1 前言 随着现代预应 力混凝土技术的飞速发展 ， 预应力 混凝土已经广泛应 用于各类建筑工程 中， 尤其是桥梁 结构， 其采用后张法施工所 占的比例很大。后张法预 应力混凝土梁 ( 以下简称为“ 后张梁 ” ) 的预应力张拉 是一道极为重要的工序 ， 其有效预应 力是梁体承受载 荷 、 防止开裂 的重要保证。孔道摩阻是影响有效预应 力值的重要 因素之一。根据 J T G D 6 22 0 0 4 t i 公路钢 筋混 凝 土及 预 应 力 混 凝 土 桥 涵 设 计 规 范和 T B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土 结构设计规范 的规定 ， 预应力孔道摩 阻损失是损失 计算中相当重要 的项 j 。它的准确计算与否 ， 关 收稿 日期 ： 2 0 1 1 4 3 3 1 0 作者简介 ： 程海根( 1 9 7 1 一 ) ， 男， 教授 ， 硕士生导师。 系到预应力筋是否能够满足梁体使用阶段的要求。笔 者认为对重要 的梁部结构应当进行孔道摩阻现场测 试 ， 以保证梁体有效预应 力设计符合要求 。并建议根 据测试结果对张拉力与管道布置进行适 当调整， 使梁 体的设计预应力与实际值吻合 。因此 ， 后张梁的孑 L 道 摩阻损失测试已逐渐成为人们研究和关注的焦点 。 2 试验摩阻计算原理 2 1 摩 阻损失的组成 预应力混凝土连续梁的预应力钢束布置一般分为 直线和曲线布置 2种。预应力钢束张拉时与孔道壁接 触并沿孔道滑动会产生摩擦阻力 ， 其摩 阻引起 的预应 力损失与诸多因素有关 ， 如孔道的材质、 线形 、 预应力 筋束的种类 以及施工质量等。预应力 工程 实际施工 中， 需要测定 的孔道摩阻损失可分为 2个部分 ： 第 1部 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3期 程海根， 等： 后张预应力混凝土连续梁孔道摩阻试验研究与实例分析 2 0 1 1年6月 分是孑 L 道弯曲所引起的预应力损失 ， 可用系数 来表 征； 第 2部分是孔道 的尺寸和位置偏差所引起 的预应 力损失 ， 可用系数 k来表征 。直线孔道的线形摩阻损 失较小， 而曲线孔道的摩阻损失由以上两部分组成 ， 比 直线孔道摩阻损失大得多 。 2 2 摩 阻损失计算式的推导 根据文献 12 ， 后张法构件 张拉时， 预应力钢 筋与孑 L 道壁之间摩擦引起的预应力损失可按下式计 算 ： f1 ： l 1 一e - ( h l ( 1 ) 式中： 构件 由于摩擦引起的应力损失 ； o r 张拉端钢绞线锚下控制应力( MP a ) ； 预应力钢筋与孑 L 道壁的摩擦系数 ； 0 从张拉端至计算 截面曲线孔道部分切线 的夹角 之和 ( r a d ) ； 孑 L 道每米局部偏差对摩擦的影响系数 ； 从张拉端至计算截面的孔道长度 ， 可近似 地取 该 段 孑 L 道 在 构 件 纵 轴 上 的投 影 长 度( IT I ) 。 根据式( 1 ) 推导 和 k的计算公式 ， 可设 主动端 压力传感器测试 值为 P， 被动端为 P 。， 此N ,t L 道长度 D 为 l ， 0 为 孔 道 全 长 的 曲 线 包 角 ， 将 式 ( 1 ) 两 边 同 乘 以 预应力钢绞线的有效面积， 则可以得到 ： P o=Pe 一 ( 2 ) 对式( 2 ) 两边同时取对数可得 ： I n =一( t x O+ ) ( 3 ) 0 由 P和 P 之间的线性方程式中的斜率可确定钢 束的 I n 值 ， 进一步推导出下列方程 ： f 0 I z O +k x =A ； =1 3或 i =1 2 ( 4 ) 式中： 指管道数； A =一I n 。 0 通过上式可建立一个二元线性 回归模型， 采用二 元线形回归的方法( 最小二乘法原理 ) 可解 出肛、 值 ， 其方程式为： = ( O i ) ( ) 一( ) 0 ( ( ) ) 一 0 ( 5) ( A O i )一 k ( O i ) 一 ( 6 ) 在此需要说明的是， 由于参数 和 是相互耦联 的， 所 以试验中必须至少对两束预应力钢束进行测试 ， 方能计算出 和 k的值 。 3现场试验 3 1 工程 概况 向莆铁路 F J 一 2标段联络线沙溪特大桥( 4 8+ 2 8 0+ 4 8 ) i n预应力混凝土连续箱梁采用悬臂浇筑施工 ( 以下简称为“ 沙溪特大桥” ) ， 箱梁为单箱单室直腹板 截面， 箱梁顶板宽度 7 6 IT I ， 底板宽度 4 2 IT I ， 翼缘板长 1 7 i n ， 支点处梁高 6 6 IT I ， 跨 中梁高 3 8 1 13 ， 梁底板线 形按半径 R=2 5 2 2 1 6 I n圆曲线变化。腹板厚 6 5 c m ( 支点) 4 5 c m( 跨中) ， 底板厚度为 7 8 c m( 支点) 4 3 5 c m( 跨 中) ， 顶板厚度保持 3 6 4 c m不变 ， 设支点 横隔板及 中跨跨 中横 隔板 。箱梁顶 面设 2 单 向横 坡 ， 腹板上方设通气孑 L 。预应力钢绞线以 1 3一 +1 5 2 4 和 96 1 5 2 4两种规格 为主。预应力孔道采用铁皮 波纹管成孔方 式 ， 设计 孔道 局部 偏差 影响 系数 k： 0 0 0 2 5 ， 摩阻系数 =0 2 3 。为了保证箱梁的施工满 足设计要求 ， 对箱梁进行 了孔道摩阻现场试验。 3 2 试验内容 本次摩 阻试验选取该桥 8号墩处 M2和 孔道 及钢束作为对象 。其中 M2孔道长度为 1 7 9 7 6 m， 管 道总弯起角度为 7 0 。 ， T 2孔 道长度 1 7 I Y l ， 为直 管道。 孔道局部偏差影响系数设计值 = 0 0 0 2 5 ， 摩阻系数 = 0 2 3 。M 2预应力束 为 9一 1 5 2 4 ， 波纹管内径 中 8 0 mm， 管道净 面积 与预应力筋面积 比为 3 9 9 ； T 2为 1 3一+ 1 5 2 4钢绞线束 ， 波纹管 内径 9 0 m m， 管道净面 积与预应力筋面积比为 3 4 9 5 。 3 3试验仪器设备 试验时所用 的张拉设备与实际施工时所用设备相 同： 张拉千斤顶的油压表精度为 1 5级 。压力传感器 的量程为 5 0 0 0 k N、 灵敏度为 1 k N， 测试仪器为J M Z X 一 2 0 0 6综合测试仪。 3 4试验 方法 试验采用一端张拉另一端 固定的方法 ， 通过被动 端与主动端传感器读数的比值来分析实际孔道的摩阻 情况 ， 试验现场如图 1 所示。 试验时 T 2索的最大张拉力为 2 3 6 9 6 4 k N， M 2索 张拉力为 1 6 4 0 5 2 k N 。张拉时将最大荷载张拉力分 为 5级 ， 索 每级增加 4 7 3 9 2 k N，M2索每级增加 3 2 8 1 k N 。试验时在 主动端逐级加载 ， 读取主动端与 被动端传感器显示的荷载值 ， 并同时测量主动端钢绞 线伸长量和夹片的外露量。每个孔道交叉张拉端各测 试 2次。 试验前在实验室对传感器进行标定， 试验设备进 场后 ， 在现场对试验用油表 、 千斤顶进行校验 ， 达到规 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 程海根， 等： 后张预应力混凝土连续梁孔道摩阻试验研究与实例分析 2 0 1 1 年 6月 图 1 现场试 验仪器安装图 范要求后用于试验 。该桥采用挂篮悬浇 ， 用于孑 L 道摩 阻试验的梁段为 8号墩 1号块 ， 梁体混凝土为 C 5 0高 强度耐久混凝土。试验均 以传感器数据为准 ， 用千斤 顶张拉力进行校核。在数据读取时 ， 先读主动端 ， 再读 被动端。主动端读数是在显示器所显示的数据变化较 为稳定后读取。 4试 验结果与数据分析 该桥孔道摩阻试验共测试 了 2个孔道 ， 每个孔道 测试 4次 ， 其实测数据包括每级荷载下主动端读数 P、 被动端读数 P 。实测数据如表 1所示。 表 1 沙溪特大桥预应力管道摩阻试验计算结果表 管道长度 L 管道总弯起角度 JD 0 P实测 同归值 预应力钢束编 ( 1 1 1 ) ( t a d ) 第 1次张拉 第 2次张拉 第 3次张拉 第 4次张拉 M2 1 7 9 7 6 1 2 5 6 6 O 5 2l 4 0 5 0 2 3 0 5 5 5 0 5 2 9 T 2 l 7 0 O 0 9 3 0 3 0 8 9 6 8 0 8 4 7 1 0 8 6 6 5 针对被动端和主动端 比值 ( P o P) 的线性 回归分 析结果如图 2图 5所示 。 Z 邑 j 堇 翟 匿 图 2 M2子 L 道 回归分析 ( 第 1 次 ， 第 2次) 图 3 M 2孔道 回归分析 ( 交换张拉端第 1 次 ， 第 2次 ) 综合上述数据分析得到的被动端和主动端比值的 线性回归值 ( 如表 1 ) ， 并与设 计值 相 比较 。根据表 1 中的实测线性回归结果， 由二元线性 回归分析原理 ( 最小二乘法原理) 按式 ( 5 ) 、 式 ( 6 ) 计算孔道摩 阻系 数的值 。实测计算值 与设计值的比较如表 2所示 。 表2沙溪特大桥预应力管道摩阻测试计算结果与设计值比较表 实Ni t- 算值 没计值 k 0 0 0 4 2 0 4 4 O 0 o 2 5 0 2 3 由表 2可见， 设计时摩阻参数 和 是规范建议 口 渤 删姗瑚 o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 程海根 ， 等 ： 后张预应力混凝 土连续梁孑 L 道摩 阻试验研究与实例分析 2 0 1 1 年 6月 Z 邑 j 碹 西 析( 第 1次， 第 2次) 互 碧 回 图 5 1 2孔道回归分析( 交换张拉端第 1 次 ， 第 2次 ) 值 ， 通过现场试验得出的值 比设计值偏大， 说明试验钢 束的实测孔道摩阻损失偏 大于理论计 算摩阻损失值 ， 从而施加于梁体的实际张拉力小于设计值 。经分析认 _ 为 造 嚣 够 孑 蹴位 不 够准确或者受到外界因素的影响发生偏移而造成孔道 不顺直 ， 特别是在节段连接处孔道易产生一定的转角。 ( 2 ) 在整理数据时未考虑 千斤 顶、 油泵等张拉机 具系统内摩阻的影响。所以可将千斤顶和油泵进行重 新标定 ， 以消除系统内摩阻影响。 ( 3 ) 在施工过程中可能 由于波纹管破损而存在少 许漏浆的现象。 ( 4 ) 由于在加压时压力表有振 动 ， 节流 阀密实性 的影响， 操作人员存在控制误差 ， 从而使得实际读数与 理论计算值有误差 ， 所以在读压力表数据时必须读实 际达到的压力值 ， 并且不能靠回油来调整压力值。 综合上述原 因， 在实际施工过程中， 应该严格控制 预应力孔道的安装精度 以保证孔道成型 良好 ； 严格按 照设计要求进行两端对称张拉从而减少预应力摩阻损 失。为了避免上述一些情况的发生 ， 在施工过程 中可 以采取相应措施并及时将信息反馈到设计单位 ， 从而 可将设计取值或施工工艺进行适当的调整。 5 结语 通过孔道摩阻系数的理论推导和沙溪特大桥现场 测试分析 ， 可以得到如下几点结论 ： ( 1 ) 孔道摩阻损失是后张梁预应力损失的重要组 成部分 ， 对其进行现场准确测试是十分必要的， 并根据 实测结果进行施工控制。 ( 2 ) 以后张梁孔道摩阻测试理论 为依据 ， 通过主、 被动端千斤顶法测试孔道摩阻系数 ， 应用线性回归原 理分析数据的方法合理可靠 、 简单易行 。 ( 3 ) 本试验的梁节段孔道摩阻参数实测值较设计 值略大 ， 但相差不是很大。试验表明， 孔道摩组参数的 值受施工工艺等各种 因素的制约， 往往大于设计值 。 ( 4 ) 建议 在实际施工过程 中， 应该尽 可能采取相 应的技术措施减小孔道摩阻损失或弥补有效预应力 ， 并保证预应力张拉施工质量和孔道压浆质量 ， 从 而达 到设计所要求的预应力值。 参考文献 ： 1 T G 1 3 6 22 0 0 4， 公路 钢筋混凝 土及 预应力混凝 土桥涵设计规 范 S 2 T B 1 0 0 0 2 32 0 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 3 刘永前， 张彦兵， 王新敏 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 ) ： 1 0 41 0 7 ( 4 邹焕祖 ， 刘 自明 预应力 混凝土空 间长钢绞线束孔 道摩阻损失测 试方法 J 桥梁建设 ， 1 9 9 3 ( 4 ) ： 3 84 1 5 铁辉邦 预应力混凝 土箱梁 管道摩 阻现场试 验研究 J 广东 建 材 ， 2 0 0 9 ( 1 O) ： 】 21 4 6 范立础 预应力混凝土连续粱 M 北京： 人民交通出版社， 1 9 8 8 7 李 国平 预应力 混凝土结 构设计 原理 M 北京 ： 人民交 通 出版 社 ， 2 0 0 0 8 张继尧 悬臂浇筑 预应力混凝土连续梁桥 M 北京 ： 人 民交通 出 版社 ， 2 0 0 3 9 王鹏 ， 楼普增 ， 范厚彬 悬臂浇筑施工中连续 箱梁预应力管道摩 阻 测试研究 J 铁道建筑 ， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 5 8 6 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m