斜拉橋斜塔錨固區環形預應力孔道摩阻試驗研究

劉壯武 LIU Zhuang-wu；章晨昊 ZHANG Chen-hao

（山東交通學院，濟南 250300）

0 引言

為檢驗橋梁索塔設計所取計算參數的準確性，避免得到的預應力損失存在過大差異，更精確地得到張拉的控制應力和預應力筋伸長量，對其進行摩阻試驗測試是直接且必要的辦法。

1 工程概況

某斜拉橋工程主橋全長328m，為（90+238）m獨塔、斜塔中央索面混合梁斜拉橋，結構總體為塔、墩、梁固結體系。斜拉橋主塔混凝土為C50混凝土，以U型鋼束作為索塔錨固區的配置，兩端使用并行同步張拉的施工工藝，其管道是鍍鋅的金屬波紋管、且使用真空輔助壓漿工藝。

第一次試驗截面高程為262.495m，位于橋塔19節段，錨塊編號MK1，環向預應力筋編號N4預應力束，截面尺寸為順橋向7.545m，橫橋向9.002m，錨固于塔柱內側，如圖1所示，其預應力鋼束規格為Φ15.2-19，環向曲率半徑R為1.8m，鋼絞線公稱直徑d為15.2mm，公稱面積A為139mm2，標準強度為1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，張拉控制應力為0.75fpk，錨固于塔柱外側。索塔內部的預應力鋼束采用U形預應力鋼絞線束，其具體布置如圖1所示，試驗時塔柱混凝土的實際立方強度達到設計強度等級值的80%以后張拉鋼束，U型預應力鋼束采用兩端張拉，Pk=3684.195KN，初始張拉噸位按10%的設計張拉力，從初張拉應力到張拉控制應力分別為0.2Pk、0.4Pk、0.6Pk、0.8Pk、1.0Pk逐級增壓張拉。每級持載時間為2min，末級為5min。如圖1所示。

第二次試驗截面高程為279.495m，位于橋塔23節段，錨塊編號MK6，環向預應力筋編號N1預應力束，截面尺寸為順橋向7.381m，橫橋向7.564m，錨固于塔柱外側，如圖2所示。其預應力鋼束規格同為Φ15.2-19，鋼束規格為Φ15.2-19，環向曲率半徑R為1.8m，鋼絞線公稱直徑d為15.2mm，公稱面積A為139mm2，標準強度為1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，張拉控制應力為0.75fpk，錨固于塔柱外側。索塔內部的預應力鋼束采用U形預應力鋼絞線束，其具體布置如圖3所示，試驗時塔柱混凝土的實際立方強度達到設計強度等級值的80%以后張拉鋼束，U型預應力鋼束采用兩端張拉，Pk=3684.195kN，初始張拉噸位按10%的設計張拉力，從初張拉應力到張拉控制應力分別為0.2Pk、0.4Pk、0.6Pk、0.8Pk、1.0Pk五級。每級持載2min，末級持載5min。如圖2所示。

2 試驗方法

為準確得到索塔內部管道部分的摩阻試驗測試數據，通過壓力傳感器測量得到張拉主動端和被動端的壓力，摒棄千斤頂油壓表讀取數據的方式，采用原理如圖4所示的裝置進行試驗，因為千斤頂和索塔或工具錨相互直接受力，故而壓縮變形等各種外界不利因素可以在張拉中得到及時的補償更改，而且測試的耗時比較短，免除了收縮與徐變等外界因素造成的不利影響，所以測得的兩端壓力傳感器讀數的差值即是孔道的摩阻損失。如圖4所示。

3 操作流程

①將預應力鋼束穿過孔道，保證所有鋼束進出管道的位置保持相同，避免其交叉或扭纏；

②在預應力筋的兩端各裝1臺千斤頂同時充油保持一定數值（約4MPa），試驗時采用單端張拉，測試時首先將兩端千斤頂的油缸升壓，使預應力鋼索的張拉應力達到初張拉應力值0.1σcon，穩住油壓，并將回油閥關死；記錄兩端讀數（油壓表壓力、壓力傳感器和千斤頂活塞伸長值）；

③開動張拉主動端千斤頂進行張拉，從初張拉到張拉控制應力分級為0.2Pk、0.4Pk、0.6Pk、0.8Pk、1.0Pk五級。每級持荷2min，末級為5min。記錄兩端各項指標讀數；

④當張拉拉力到設計值時，逐步回油到零，按以上步驟再進行2次；然后主被動端互換，上述過程繼續重復3次；

⑤計算兩端張拉力差值即為該孔道的摩阻損失。

4 試驗數據處理分析

4.1 由管道摩阻所產生的應力損失

σL=σcon[1-e-（μθ+tx）]

σcon——錨下控制張拉應力；

μ——預應力孔道摩阻系數；

θ——從張拉端至計算截面曲線孔道部分切線夾角，rad；

t——管道相對于其設計位置偏差的系數；

x——從張拉端至計算截面孔道長度，m。

設主動端的張拉力值為P1，被動端的張拉力值為P2，則公式兩邊同時乘以預應力鋼束的有效面積可得：

張拉進程的孔道摩阻損失率為：

損失率=（P1-P2）/P1×100%

孔道偏差系數k根據施工規范取值，全U型孔道θ取3.14（即180°），根據工程實際計算x取值。

4.2 二元線性回歸法計算μ、k值

分級測試預應力束張拉過程中主動端與被動端的荷載，并通過線性回歸確定管道被動端和主動端荷載的比值，然后利用二元線性回歸的方法確定預應力管道的μ、k值。

計算公式為：

式中：

Ci——第i個管道對應的值Ci=-ln（P2/P1），P1、P2分別為主動端與被動端傳感器壓力；

li——第i個管道對應力筋的水平投影長度（m）；

θi——第i個管道對應力筋的空間曲線包角（rad），曲線包角的實用計算以綜合法的計算精度較好，其表達式為：

式中：

θH——空間曲線在水平面內投影的切線角之和；

θV——空間曲線在圓柱面內展開的豎向切線角之和；

n——實際測試的管道數目，且不同線形的力筋數目不小于2；

μ——鋼筋與管道壁間的摩擦系數；

k——管道每米局部偏差對摩擦的影響系數。

二元線性回歸法在使用過程中，其原始數據離散過大會導致計算得到的結果不穩定性增大，任意增減幾組數據將會導致得到的結果發生大幅變化，故而該方法只有在原始數據穩定性較高的情況下才適用。

4.3 假定k值法原理

本試驗中的預應力鋼束長度不足20m，預應力管道x值也較小。第一次試驗x取值為19.808m，第二次試驗x取值為17.056m，規范中對管道每米局部偏差對摩擦的影響系數k給定值為0.0015，上式中“kx”，項數值應該很小。因此，分析試驗結果時可讓k值在0.0015左右浮動計算μ值，確定摩擦系數的取值。如表1所示。

表1 公路橋涵施工技術規范對μ和k值取值規定

摩阻實驗現場作業照，如圖5所示。

5 結束語

本試驗以宜昌市某斜拉橋為背景，利用實測數據，假定k值法求μ值，當k值取0.0015時，μ值均小于0.25，若假定μ值為0.25，k值均為負值，滿足要求。同時當μ取0.0015，μ取0.25時，利用上述公式計算被動端/主動端的比值，即為最危險狀態比值，得出第一次試驗比值為0.442，第二次試驗比值為0.4445，對照試驗實測結果，比值均滿足要求。

但是需要注意的是第一次孔道摩阻試驗中，雖然μ和k值滿足要求，但是施工方所使用的千斤頂加載力與理論加載力之間誤差較大，這就要求施工單位在實際張拉過程中按誤差情況進行適當補張，同時施工單位工程施工中應及時進行千斤頂標定，控制張拉誤差，提高施工精度，確保索塔環向預應力按照設計理論值張拉到位。