大跨度PC連續梁橋預應力管道摩阻試驗研究

牛黎明

（甘肅長達路業有限責任公司，甘肅 蘭州 730050）

大跨度PC連續梁橋預應力管道摩阻試驗研究

牛黎明

（甘肅長達路業有限責任公司，甘肅 蘭州 730050）

針對預應力混凝土梁管道摩阻損失測試的必要性和重要性，介紹了預應力管道摩阻損失的測試原理和方法。應用最小二乘法原理，由規范中的公式推導預應力管道摩阻系數μ和偏差系數k的算式，結合某大跨預應力混凝土連續箱梁橋預應力管道摩阻的現場測試，計算出實際預應力管道摩阻系數，并與設計值和規范值比較，分析了測試方法的合理性和試驗結果的可靠性。

預應力混凝土；管道摩阻系數；管道偏差系數；最小二乘原理

0 引言

預應力混凝土結構，尤其是預應力混凝土橋梁結構中，預應力損失值直接關系到預應力鋼筋中的有效預應力是否滿足結構使用階段的要求。而預應力損失的五個主要因素（混凝土收縮徐變、預應力筋松弛、錨頭變形及預應力筋回縮、摩阻、混凝土彈性壓縮）中，摩阻的損失所占比例很大，尤其是對彎曲長束管道的摩阻損失可達40%以上[1]。所以，設計要求在預應力混凝土梁正式張拉前，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及管道進行調整，將設計張拉力準確施加至梁體。管道摩阻損失是后張預應力混凝土梁的預應力損失的主要部分之一，對它的準確估計將關系到有效預應力是否能滿足梁使用要求，影響著梁體的預拱變形，在某些情況下將影響著橋梁的整體外觀等。過高的估計會使得預應力張拉過度，導致梁端混凝土局部破壞或梁體預拉區開裂，且梁體延性會降低；過低的估計則不能施加足夠的預應力，進而影響著橋梁的承載能力、變形和抗裂度等。

工程中對預應力管道摩阻損失采用管道摩阻系數μ和管道偏差系數k來表征。大跨度預應力混凝土箱型梁橋需施加的預應力以及施加后在結構中所產生的有效預應力的確定是保證預應力結構安全性能的關鍵，而相關設計規范中只提供了一般條件下預應力的摩阻損失數據，對于大曲率預應力筋混凝土結構，其管道摩阻損失都必須進行專門的管道摩阻試驗測試[2-5]。本文通過對某特大預應力混凝土連續梁橋縱向預應力束管道摩阻的現場測試，計算出實際預應力管道摩阻系數，并與設計值和規范值比較，進而分析測試方法的合理性和試驗結果的可靠性。

1 預應力管道摩阻基本理論

1.1 管道摩阻

預應力箱梁采用后張法張拉工藝時，預應力鋼筋布置一般分為直線布置和曲線布置兩種。因此管道摩阻引起的預應力損失可分為長度影響和彎道影響，即管道偏差效應和曲率效應。理論上講，直線管道無摩擦損失，但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，此項稱為管道走動影響（或偏差影響、長度影響）。對于管道彎轉影響除了管道走動影響之外，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。因此曲線管道的摩擦損失應為管道偏差效應與曲率效應之和[4]。

1.2 計算公式推導

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTGD 62-2004）第6、2、2條規定[2]，后張法構件張拉時，預應力鋼筋與管道壁之間摩擦引起的預應力損失，可按下式計算：

式中：σcon為預應力鋼筋錨下的張拉控制應力（MPa）；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）；x為從張拉端至計算截面的管道長度，可近似取該管道在構件縱軸上的投影長度（m）；μ為預應力鋼束與管道壁的摩擦系數；k為管道每米局部偏差對摩擦的影響系數。

設張拉端傳感器測試值為FZ，錨固端傳感器測試值為FB，此時為管道長度l，θ為管道全長的曲線包角，則式（1）可寫為：

對式（2）兩邊取對數得：

一般情況下，預應力施工采用一種制孔方法，這時管道質量比較均勻，可以不考慮摩阻系數μ和k變異。由于設計和實際施工存在差異，故不可避免的產生誤差，假設誤差為Δ，即：

若有n束預應力鋼束，則：

利用最小二乘法原理，全部預應力鋼束誤差的平方和為：

欲使試驗誤差最小，應使

由式（7）對式（6）求導，并整理得：

根據式（8）可求得參數μ和k。需要指出的是，由于μ和k是相互耦聯的，故試驗中必須至少測試2束以上的預應力鋼束才能計算出μ和k。

2 管道摩阻測試

圖1為管道摩阻試驗布置圖，所需試驗儀器、設備可見圖1。試驗時采用一端張拉，也就是說，僅主動端用千斤頂進行張拉，被動端不張拉，并在主動端和被動端各設一臺應變儀，以精確測出張拉過程中兩端的應變，從而求出應力。在此基礎上，可計算出預應力損失大小，進而再反算出管道摩阻系數。

圖 1管道摩阻試驗布置圖

本次測試中，在177＃墩1＃塊選擇一個直線管道T1和一個曲線管道W1（腹板束）共2個測試管道，每個管道內選擇2根預應力鋼絞線作為測試束。測試束在箱梁橫斷面及沿橋縱向的位置示意分別見圖2、圖3。

圖2 測試束在橫斷面上的位置示意圖

圖 3測試束在沿橋縱向布置示意圖

本試驗共分3級加載，各級荷載分別為設計張拉控制應力的10%、30%和50%（即281.232 kN、843.696 kN和1 406.16 kN）。根據千斤頂油表讀數控制張拉荷載級，同時校核傳感器讀數。安裝傳感器與千斤頂時，應確保兩者中線位置與錨墊板保持一致，張拉時與鋼絞線脫離接觸。

3 測試結果分析

在177＃墩1＃塊選取了一個直線束T1和一個曲線束W1，對每一束中的兩根鋼絞線粘貼應變片，作為測試對象。根據直線束T1按式（3）計算管道偏差系數k，根據分級張拉荷載即50%σcon所得測得的應變值進行計算。T1束測試結果分析見表1。

表1 T1束測試結果分析

根據表1可得管道偏差系數k=0.002 78，將直線束T1與曲線束W1組合，求出管道摩阻系數μ。因測試過程中張拉至50%σcon時因鋼絞線摩擦導致測試線被拉斷，故按張拉至30%σcon時測得數據進行分析。曲線束W1測試結果分析見表2。

表2 W1束測試結果分析

根據試驗所得管道偏差系數k=0.002 78和管道摩阻系數μ=0.161，計算設計摩阻力與實測摩阻力的比值以及實測摩阻力與錨下控制應力的比值，見表3。原設計管道偏差系數k=0.002 5，管道摩阻系數μ=0.14。

表3 設計摩阻力/實測摩阻力與

設計摩阻力/實測摩阻力與實測摩阻力/錨下控制應力計算結果見表3，鋼束設計伸長量、實測伸長量與計算伸長量計算結果見表4。

表4 鋼束設計伸長量、實測伸長量

從以上試驗結果可以看出：

（1）計算的預應力管道局部偏差影響系數值為0.002 78，管道摩阻系數為0.161，與設計值接近。

（2）設計管道摩阻力與實測管道摩阻力相差很小

（3）根據實測k，μ計算的鋼束設計伸長量與原設計伸長量的偏差為-0.2 mm。

說明了試驗方法的合理性和試驗結果的可靠性。

4 結語

（1）管道摩阻損失是后張法預應力損失的重要組成部分，對其準確估計十分必要。

（2）本文采用的試驗方法和最小二乘原理計算摩阻參數的方法合理可靠，簡單易行。

（3）實際工程中，在預應力正式張拉前，應盡可能的進行現場測試以獲取準確的摩阻參數，并根據實測結果進行施工控制。

（4）按最小二乘法計算實際預應力管道摩阻系數可以滿足工程實際的需要，應選擇數目不小于2的不同線形的預應力管道進行測試，選擇的預應力管道應具有全面性、代表性，這樣計算出的摩阻系數更與實際相符。

[1]楊孟剛,文永奎,陳政清.32m雙線鐵路簡支箱梁管道摩阻試驗研究[J].鐵路標準設計,2001(11):3-4.

[2]JTGD 62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[3]GB 50010-2002,混凝土結構設計規范[S].

[4]王鵬,樓普增,范厚彬.懸臂澆筑施工中連續箱梁預應力管道摩阻測試研究[J].鐵道建筑,2006(11):58-61.

[5]王強,何惟煌,林志春,等.后張預應力混凝土梁管道摩阻參數識別與分析[J].公路交通科技,2007,24(1):65-68.

U446

B

1009-7716（2017）08-0090-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.027

2017-04-06

牛黎明（1983-），男，甘肅甘谷人，工程師，從事公路工程建設管理工作。