連續梁預應力孔道摩阻試驗研究

常 亮,臧紅剛

(中鐵十局集團有限公司,山東濟南250101)

連續箱梁的預應力張拉是一道極為重要的工序，在后張拉法預應力箱梁施工中如何準確將設計張拉力施加于梁體直接影響到箱梁的耐久性、安全性、剛度及矢拱高度。預應力損失主要包括混凝土收縮徐變、鋼筋松弛、錨頭變形及鋼筋回縮、孔道摩阻、混凝土彈性壓縮五個因素，其中以預應力鋼束與管道壁接觸引起的預應力損失所占比例較大。特別對于孔道距離長、豎彎和平彎角度較大的鋼絞線孔洞而言，其孔道摩阻系數和每1米孔道偏差系數一般比設計值偏大，預應力損失也相應偏大[1]。預應力摩阻損失的準確估計，對于橋梁結構的變形和應力計算以及橋梁的施工控制都十分重要，關系到橋梁的成橋質量。摩阻損失很大程度上受到施工工藝的制約，如波紋管預埋的是否平順牢固、波紋管接頭是否光滑、波紋管在施工中是否被壓碰變形、混凝土澆筑時是否漏漿等，這些因素都會影響到鋼絞線張拉的摩阻損失的大小。摩阻損失很難通過理論準確求出，因此張拉前應對梁部進行孔道摩阻現場試驗，通過預應力孔道摩阻試驗來驗證設計參數和施工實際參數的相符程度，以確保橋梁結構受力安全[2]。

1 工程概況

本次試驗的預應力鋼束孔道為某(60 m+100 m+60 m)連續梁的腹板鋼束(編號：F6束)、頂板鋼束(編號：T6束)共兩束。F6束為22-φ15.2預應力鋼束，設計張拉控制荷載為2 582 kN，T6束為19-φ15.2預應力鋼束，設計張拉控制荷載2 142 kN。孔道均為金屬波紋管管道。F6預應力孔道理論長度為51.848 m，彎角和為0.8532 rad；T6預應力孔道理論長度為51.0 m，彎角和為0。試驗的張拉端和固定端的力大小采用荷載傳感器測量和DH3815靜態應變儀進行。

2 試驗原理及步驟

2.1 孔道摩擦損失的組成

張拉時，預應力鋼束與管道接觸面產生摩擦力引起預應力損失，成為摩阻損失。摩阻損失主要有兩種形式：一種是由于曲線處鋼束張拉時對管壁施以正壓力而引起的摩擦，其值隨鋼束的彎曲角度總和變化；另一種是由于管道對其設計位置的偏移致使接觸面增多，從而引起摩擦阻力，其值一般相對較小[3]。

2.2.孔道摩阻損失的計算公式

張拉時，預應力鋼束距張拉端距離為x的任意截面上的拉力Px：

Px=Pke-(μθ+kx)

(1)

式中：Px為計算截面預應力束的拉力，測量時取至固定端；

Pk為張拉端預應力束的拉力；

θ為從張拉端至計算截面的孔道彎角之和，以rad計；

x為從張拉端至計算截面的孔道長度，以m計；

μ為預應力束與孔道壁的摩阻系數；

k為孔道對設計位置的偏差系數。

選取現場兩個不同弧度的孔道進行測試，每個孔道測試兩次。根據傳感器測定兩端千斤頂之下的拉力，并根據上式并利用最小二乘法原理計算孔道摩阻系數μ和孔道對設計位置的偏差系數k。計算公式如下。

(2)

(3)

2.3 試驗步驟

(1)清理孔道，穿預應力鋼絞線；

(2)在錨下安裝力傳感器，然后依次安裝對中環、千斤頂和工具錨；

(3)錨固端千斤頂主缸進油空頂10 cm關閉，兩端預應力鋼束的錨塞均勻楔緊于千斤頂上；

(4)張拉端分級加載張拉控制值，每級加載時均記錄兩端力傳感器和，油壓的讀數值，從加載至第二級起，在鋼束上劃線，逐級測試鋼束伸長量，如此反復兩次；

(5)超張拉持壓5 min，回壓到張拉值，頂塞錨固。記錄錨固前后兩端油壓表讀數、力傳感器、鋼束延伸量和錨塞外露值，千斤頂回油到零，記錄力傳感器及錨塞外露值;

(6)利用最小二乘法計算，即得到孔道摩阻力的測定值。

試驗裝置圖見圖1。

圖1 試驗裝置圖

3 試驗結果及施工建議

3.1 試驗結果

將預應力鋼束兩端壓力傳感器測得的數據通過傳感器的標定曲線換算成對應的荷載后，即可得到各級荷載下張拉主動端至被動端的鋼束沿孔道全長的摩阻損失值，列表1。

表1 摩阻損失值

通過對箱梁F6束、T6束兩束金屬波紋管預應力管道進行孔道摩阻試驗，得到實測的預應力鋼束與孔道壁的摩阻系數μ=0.202 55，孔道每米局部偏差對摩擦的影響系數k=0.00 117。實測孔道摩阻系數和孔道偏差系數在規范建議取值范圍內，滿足設計要求。

3.2 張拉施工建議

后張拉預應力混凝土箱梁的預應力張拉是一道極為重要的工序，是否準確將設計張拉力施加于梁體直接影響到箱梁的耐久性、安全性。在張拉時給出以下幾點建議。

(1)預應力鋼絞線和波紋管要有防雨、防潮措施，有嚴重銹蝕的不得使用，在普通鋼筋骨架成型后再鋪設波紋管，以減少對其損傷。

(2)加強施工中波紋管坐標精度的檢查，將波紋管用U形定位鋼筋點焊在鋼筋上，確保波紋管線形準確。

(3)施加預應力所用的機具設備以及儀表應定期維護和校驗。千斤頂及其配套的油泵、油壓表一起進行校驗；當千斤頂使用超過6個月或200次或在使用過程中出現不正常現象或檢修之后，應將千斤頂重新送到法定計量技術機構進行校驗。

(4)預應力鋼束應嚴格按工藝規程要求進行分絲、梳絲、理順排列順序，并分段綁扎牢固，避免鋼絞線相互扭結，使預應力筋受力不均勻，摩阻力增大。

(5)張拉時，構件混凝土強度應符合設計要求。張拉順序也應符合設計要求。

張拉作業中，不能只盯著壓力表，要注意所張拉鋼束的異常響動。操作工人熟練和有責任心，保證加載速率、持荷時間、油表讀數以及測量值的準確性，填寫張拉記錄表。

(6) 管道壓漿前應用壓力水沖洗管道，灌漿順序應先下后上，直線孔道灌漿可以從構件一端到另一端，曲線孔道應從最低點開始向兩端進行，在最高點設排氣管，排氣孔一出濃漿后，加壓到0.5～0.6 MPa，持荷2 min，保證壓漿飽滿、密實，保護鋼絞線不生銹，延長結構使用年限。

4 結束語

預應力摩阻損失的準確估計，對于連續梁懸臂施工的變形和應力十分重要，關系到橋梁施工的順利進行和成橋質量。本試驗的實測孔道摩阻系數和孔道偏差系數在規范建議設計取值范圍內，保證了橋梁預應力的張拉安全。

[1] 張瑞森.松花江特大橋預應力孔道摩阻試驗研究[J].鐵道標準設計,2006,(5)：47-48

[2] 劉永前,張彥兵,王新敏.后張梁管道摩阻損失測試技術與數據處理[J].中國安全科學學報,2005,15(1):104-107

[3] 胡長松.混凝土連續梁橋施工監控關鍵問題研究[D].武漢：武漢理工大學，2010

[4] 石建林，李玉娟.淺談橋梁施工的預應力張拉[J].科學咨詢, 2011, (16):69

[5] 高朝旭.淺議后張法預應力張拉施工中的伸長量及施工控制[J].港工技術與管理，2011,(16):63

[6] 聶和軍.預應力孔道摩阻試驗分析探討[J].施工管理, 2013,(1):108-109