连续梁预应力孔道摩阻试验研究

常 亮,臧红刚

(中铁十局集团有限公司,山东济南250101)

连续箱梁的预应力张拉是一道极为重要的工序，在后张拉法预应力箱梁施工中如何准确将设计张拉力施加于梁体直接影响到箱梁的耐久性、安全性、刚度及矢拱高度。预应力损失主要包括混凝土收缩徐变、钢筋松弛、锚头变形及钢筋回缩、孔道摩阻、混凝土弹性压缩五个因素，其中以预应力钢束与管道壁接触引起的预应力损失所占比例较大。特别对于孔道距离长、竖弯和平弯角度较大的钢绞线孔洞而言，其孔道摩阻系数和每1米孔道偏差系数一般比设计值偏大，预应力损失也相应偏大[1]。预应力摩阻损失的准确估计，对于桥梁结构的变形和应力计算以及桥梁的施工控制都十分重要，关系到桥梁的成桥质量。摩阻损失很大程度上受到施工工艺的制约，如波纹管预埋的是否平顺牢固、波纹管接头是否光滑、波纹管在施工中是否被压碰变形、混凝土浇筑时是否漏浆等，这些因素都会影响到钢绞线张拉的摩阻损失的大小。摩阻损失很难通过理论准确求出，因此张拉前应对梁部进行孔道摩阻现场试验，通过预应力孔道摩阻试验来验证设计参数和施工实际参数的相符程度，以确保桥梁结构受力安全[2]。

1 工程概况

本次试验的预应力钢束孔道为某(60 m+100 m+60 m)连续梁的腹板钢束(编号：F6束)、顶板钢束(编号：T6束)共两束。F6束为22-φ15.2预应力钢束，设计张拉控制荷载为2 582 kN，T6束为19-φ15.2预应力钢束，设计张拉控制荷载2 142 kN。孔道均为金属波纹管管道。F6预应力孔道理论长度为51.848 m，弯角和为0.8532 rad；T6预应力孔道理论长度为51.0 m，弯角和为0。试验的张拉端和固定端的力大小采用荷载传感器测量和DH3815静态应变仪进行。

2 试验原理及步骤

2.1 孔道摩擦损失的组成

张拉时，预应力钢束与管道接触面产生摩擦力引起预应力损失，成为摩阻损失。摩阻损失主要有两种形式：一种是由于曲线处钢束张拉时对管壁施以正压力而引起的摩擦，其值随钢束的弯曲角度总和变化；另一种是由于管道对其设计位置的偏移致使接触面增多，从而引起摩擦阻力，其值一般相对较小[3]。

2.2.孔道摩阻损失的计算公式

张拉时，预应力钢束距张拉端距离为x的任意截面上的拉力Px：

Px=Pke-(μθ+kx)

(1)

式中：Px为计算截面预应力束的拉力，测量时取至固定端；

Pk为张拉端预应力束的拉力；

θ为从张拉端至计算截面的孔道弯角之和，以rad计；

x为从张拉端至计算截面的孔道长度，以m计；

μ为预应力束与孔道壁的摩阻系数；

k为孔道对设计位置的偏差系数。

选取现场两个不同弧度的孔道进行测试，每个孔道测试两次。根据传感器测定两端千斤顶之下的拉力，并根据上式并利用最小二乘法原理计算孔道摩阻系数μ和孔道对设计位置的偏差系数k。计算公式如下。

(2)

(3)

2.3 试验步骤

(1)清理孔道，穿预应力钢绞线；

(2)在锚下安装力传感器，然后依次安装对中环、千斤顶和工具锚；

(3)锚固端千斤顶主缸进油空顶10 cm关闭，两端预应力钢束的锚塞均匀楔紧于千斤顶上；

(4)张拉端分级加载张拉控制值，每级加载时均记录两端力传感器和，油压的读数值，从加载至第二级起，在钢束上划线，逐级测试钢束伸长量，如此反复两次；

(5)超张拉持压5 min，回压到张拉值，顶塞锚固。记录锚固前后两端油压表读数、力传感器、钢束延伸量和锚塞外露值，千斤顶回油到零，记录力传感器及锚塞外露值;

(6)利用最小二乘法计算，即得到孔道摩阻力的测定值。

试验装置图见图1。

图1 试验装置图

3 试验结果及施工建议

3.1 试验结果

将预应力钢束两端压力传感器测得的数据通过传感器的标定曲线换算成对应的荷载后，即可得到各级荷载下张拉主动端至被动端的钢束沿孔道全长的摩阻损失值，列表1。

表1 摩阻损失值

通过对箱梁F6束、T6束两束金属波纹管预应力管道进行孔道摩阻试验，得到实测的预应力钢束与孔道壁的摩阻系数μ=0.202 55，孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数k=0.00 117。实测孔道摩阻系数和孔道偏差系数在规范建议取值范围内，满足设计要求。

3.2 张拉施工建议

后张拉预应力混凝土箱梁的预应力张拉是一道极为重要的工序，是否准确将设计张拉力施加于梁体直接影响到箱梁的耐久性、安全性。在张拉时给出以下几点建议。

(1)预应力钢绞线和波纹管要有防雨、防潮措施，有严重锈蚀的不得使用，在普通钢筋骨架成型后再铺设波纹管，以减少对其损伤。

(2)加强施工中波纹管坐标精度的检查，将波纹管用U形定位钢筋点焊在钢筋上，确保波纹管线形准确。

(3)施加预应力所用的机具设备以及仪表应定期维护和校验。千斤顶及其配套的油泵、油压表一起进行校验；当千斤顶使用超过6个月或200次或在使用过程中出现不正常现象或检修之后，应将千斤顶重新送到法定计量技术机构进行校验。

(4)预应力钢束应严格按工艺规程要求进行分丝、梳丝、理顺排列顺序，并分段绑扎牢固，避免钢绞线相互扭结，使预应力筋受力不均匀，摩阻力增大。

(5)张拉时，构件混凝土强度应符合设计要求。张拉顺序也应符合设计要求。

张拉作业中，不能只盯着压力表，要注意所张拉钢束的异常响动。操作工人熟练和有责任心，保证加载速率、持荷时间、油表读数以及测量值的准确性，填写张拉记录表。

(6) 管道压浆前应用压力水冲洗管道，灌浆顺序应先下后上，直线孔道灌浆可以从构件一端到另一端，曲线孔道应从最低点开始向两端进行，在最高点设排气管，排气孔一出浓浆后，加压到0.5～0.6 MPa，持荷2 min，保证压浆饱满、密实，保护钢绞线不生锈，延长结构使用年限。

4 结束语

预应力摩阻损失的准确估计，对于连续梁悬臂施工的变形和应力十分重要，关系到桥梁施工的顺利进行和成桥质量。本试验的实测孔道摩阻系数和孔道偏差系数在规范建议设计取值范围内，保证了桥梁预应力的张拉安全。

[1] 张瑞森.松花江特大桥预应力孔道摩阻试验研究[J].铁道标准设计,2006,(5)：47-48

[2] 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,2005,15(1):104-107

[3] 胡长松.混凝土连续梁桥施工监控关键问题研究[D].武汉：武汉理工大学，2010

[4] 石建林，李玉娟.浅谈桥梁施工的预应力张拉[J].科学咨询, 2011, (16):69

[5] 高朝旭.浅议后张法预应力张拉施工中的伸长量及施工控制[J].港工技术与管理，2011,(16):63

[6] 聂和军.预应力孔道摩阻试验分析探讨[J].施工管理, 2013,(1):108-109