預應力混凝土梁管道摩阻試驗研究

蔡金標，胡 蒙，陳海浪

(浙江大學 建筑工程學院，杭州 310058)

預應力損失由五個主要因素組成:混凝土收縮徐變，預應力筋松弛，錨頭變形及預應力筋回縮，管道摩擦阻力，混凝土彈性壓縮。對于后張拉預應力混凝土梁而言，管道摩阻損失是各種預應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、力筋束種類相同，實測管道摩阻系數卻大不相同。所以，在正式張拉前，應對結構進行管道摩阻現場測試，并根據測試結果對張拉力和監控計算中的管道摩阻系數值進行相應調整。

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構，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，因此預應力鋼束為空間曲線布置。主梁采用槽形箱梁結構，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向預應力采用19φj15.20 mm鋼絞線索，抗拉標準強度 fpk=1 860 MPa，彈性模量 E=1.95×105MPa，張拉控制應力為 σcon=0.72fpk=1 340 MPa。鋼絞線的公稱截面積為140 mm2。預應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生。由于施工時因振動等原因而使管道變成波形，加之預應力筋因自重下垂，與管道有實際接觸，故當張拉預應力筋有相對滑動時就會產生摩阻力，此項稱為管道偏差影響。對于管道彎轉影響除了管道偏差影響之外，還有力筋對管道內壁的徑向壓力所產生的摩阻力，該部分稱為彎道影響，隨力筋彎曲角度的增加而增加。根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62—2004)(以下簡稱公路規范)，預應力管道摩阻損失σl1為

式(1)中的σcon為張拉端鋼絞線錨下控制應力(MPa);μ為預應力鋼筋與管道壁的摩擦系數;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;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件縱軸上的投影長度(m)。

根據式(1)推導k和 μ計算公式，設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，上式兩邊同乘以預應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

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 管道摩阻測試系統示意

測試儀器和相關的儀器特性見表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;fi為荷載實時平均頻率值;f0為初始頻率值。

2.2 試驗內容

本次試驗測試對象為24號墩T10、T11和23號墩T11預應力鋼絞線(皆為由北至南第2束)。為了得到多組試驗數據，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%，只能根據現場試驗情況盡可能張拉至最大。預應力鋼束為19φj15.20 mm鋼絞線，張拉控制應力為1 860×0.72=1 340 MPa。對應 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。

3 數據結果

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應力混凝土結構設計規范》(TB 10002.3—2005)(以下簡稱鐵路規范)第6.3.4給出了金屬波紋管的摩阻損失系數，但未給出塑料波紋管的摩阻損失系數。公路規范第6.2.2條給出了金屬和塑料波紋管的摩阻損失系數。設計采用摩阻系數取值為:μ為0.23，k為0.002 5。測試結果和計算結果如表3～表5所示。

表3 管道摩阻測試結果

表4 管道摩阻系數計算值

表5 管道摩阻系數計算結果

4 參考取值

關于管道摩阻損失試驗的文獻很多，也給出了很多摩阻損失系數，可是未有文獻對這眾多摩阻損失系數進行過歸納。目前，各規范對于摩阻系數的取值未能統一，鐵路、建筑規范甚至沒有給出塑料波紋管的摩阻系數取值，因此非常有必要對各文獻提供的摩阻系數進行統計分析，以便為規范的進一步修正完善提供參考，見表6。

表6 文獻平均摩阻系數與規范值對比

預埋塑料波紋管實測摩阻系數值一般比公路規范偏大;預埋金屬波紋管的實測摩阻系數值一般比公路規范和建筑規范取值偏大，與鐵路規范基本符合;公路、鐵路、建筑規范中抽芯成型管道摩阻系數取值基本相同，對比實測系數，規范中k值偏小，μ值則相差不大?？紤]設計安全，建議各規范統一修正和完善各管型摩阻系數取值。本文提出表7中取值以供設計時參考。

表7 摩阻系數參考取值

5 結論

1)現場試驗得到的預應力波紋管管道局部偏差影響系數值k為0.001 82，管道摩擦系數 μ為0.204，介于規范值與設計值之間。按設計所采用的摩阻系數計算得出的摩阻損失大于實測摩阻損失值，說明設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)各相關規范中關于各管型摩阻損失系數的取值有待進一步完善和統一，本文根據諸多文獻的統計，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應力混凝土橋涵設計規范［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應力混凝土結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國建設部.GB 50010—2002 混凝土結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［4］呂獻梅.新建鐵路預應力箱梁預制質量控制要點分析［J］.鐵道建筑，2010(9):35-37.