U梁预应力摩阻试验信息集成与测试方法研究

梁 娜 董 旭

(1.山东省质量技术监督局信息中心，山东 济南 250002； 2.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)



U梁预应力摩阻试验信息集成与测试方法研究

梁 娜1董 旭2*

(1.山东省质量技术监督局信息中心，山东 济南 250002； 2.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)

结合某城市轨道交通U型梁工程实例，开展了此类桥型预应力孔道摩阻损失试验，分析了该试验的测试原理及信息集成方法，实测了预应力孔道摩阻损失值，得到了针对U型梁预应力束孔道摩阻系数的取值，为此类桥梁预应力施工提供了参考依据。

U型梁，预应力束，摩阻试验，信息集成

0 引言

后张预应力混凝土梁在张拉过程中，由于受到预应力孔道摩阻影响，将产生预应力损失。目前研究表明，预应力孔道摩阻损失是结构预应力损失的主要部分，其损失值与预应力布束形式、孔道种类及性质、张拉工艺等相关，最大可达45%，如施工过程中不加重视，将严重影响结构后期运营安全[1-5]。工程中一般分别采用预应力孔道摩阻系数μ和孔道偏差系数k计算预应力孔道摩阻损失值，虽然国内现行桥梁规范给出了孔道摩阻损失计算参数μ值和k值的取值范围[6，7]，但由于不同工程中结构形式、张拉吨位、钢束束数及曲率半径等均有较大差异，由此导致不同工程结构孔道摩阻损失计算参数数值差别较大，因此不宜直接套用规范取值。应在预应力张拉施工前，对同一工程条件下孔道摩阻系数进行准确测定，从而为下一步预应力施工张拉力控制提供依据。

城市轨道交通U型梁纵向预应力束由于同时存在平弯和竖弯，具有空间弯曲的复杂形状，其预应力孔道摩阻损失必然与传统混凝土箱梁、T梁桥存在较大差异。本文结合某城市轨道交通U型梁工程，开展了此类桥型预应力孔道摩阻损失试验，介绍了其试验方法，分析了测试原理及信息集成方法，实测了预应力孔道摩阻损失值，得到了针对U型梁预应力束孔道摩阻系数的取值，为此类桥梁预应力张拉控制提供重要参考依据。

1 工程概况

2 试验原理

2.1 测试方法

采用压力传感器测量张拉端和被张拉端的压力值，同时在传感器外布置约束垫板，以保证所测数据能够准确反映孔道部分的摩阻影响。其试验原理及测试系统示意图如图2所示。

2.2 计算方法与参数识别

孔道摩阻损失是由于采用后张法张拉预应力梁体时，力筋与孔道壁的相互接触以及力筋沿孔道的滑动而产生的。规范给出了分析孔道摩阻损失需考虑的6项因素，但通常主要考虑预应力筋曲线段孔道的弯曲因素、直线孔道的走动及位置偏移因素两个方面的影响。理论上，理想直线孔道不产生摩擦损失，但施工振动等多种因素会致使孔道发生滑动和扭转而呈现波形；预应力筋的自重会使钢束下垂，与孔道发生相互接触。因此，当张拉力筋与孔道发生相对滑动时，即会产生摩擦而引起摩阻损失，称为直线孔道走动及位置偏移影响(或偏差影响、长度影响)。由于孔道的弯曲，会导致预应力筋对孔道内壁作用有径向压力，进而引起摩阻力，并随弯曲角度的逐渐增加而不断增大，称为曲线弯道的弯曲影响。由此可见，曲线孔道受上述两部分因素摩擦的影响，故其摩阻损失较之仅受单一长度影响的直线孔道大得多。

根据我国规范，本研究将空间曲线预应力筋的孔道摩阻损失计算方法与仅有平弯的平面曲线孔道摩阻损失的计算方法相统一，确定为：

σs4=σk(1-e-(μθ+kx))

(1)

其中，θ为曲线包角，表示预应力筋的张拉端曲线的切线与计算截面曲线孔道部分的切线之间的夹角，rad；x为预应力筋的张拉端至计算截面的孔道长度，m；μ为预应力筋与孔道壁之间的孔道摩擦系数；k为考虑每米孔道对其设计位置的孔道偏差系数。

考虑计算精度的要求，空间曲线包角的计算公式依据综合法：

(2)

其中，θH为空间曲线在水平投影面内的投影曲线的切线角之和；θV为空间曲线在竖向投影面内展开的竖向投影曲线的切线角之和。

根据图2所示测试方法的原理及式(1)的计算方法，本研究假设预应力筋张拉端的压力传感器测试值为P1，被动端的测试值为P2，孔道全长的曲线包角为x，孔道长度为l。将式(1)两侧同时乘预应力筋的有效截面面积，得到：

P2=P1e-(μθ+kl)

(3)

两边取对数可得：

μθ+kl=-ln(P2/P1)=c

(4)

由于同一工程预应力孔道制孔方法相同，孔道质量相差不大，因此可不考虑摩阻系数μ和k的变异影响，利用最小二乘原理，根据式(5)，式(6)可使孔道摩阻系数μ和k试验误差取得最小值：

(5)

故有：

(6)

其中，li为第i个孔道对应的力筋空间曲线长度,m；ci为第i个孔道对应的值，ci=-ln(P2/P1)；θi为第i个孔道对应的力筋空间曲线包角，rad；n为实际测试的孔道数目，且不同线形的力筋数目不小于2。

实际测试的数据代入式(6)，联立求得摩阻系数μ和k。

3 现场试验及结果信息集成分析

3.1 测试内容

选择了空间弯曲形状较复杂的腹板N1,N1′钢束以及弯曲幅度较小的底板N3,N3′钢束进行U型梁预应力孔道摩阻损失测试试验。测试试验现场如图3所示。

孔道摩阻试验的基本步骤：

1)测试前，对油压表及压力传感器进行标定，以保证读数准确。

2)依据试验方案，依次安装压力传感器、约束垫板、千斤顶及锚具。

3)锚固端千斤顶空顶5 cm～10 cm后关闭，楔紧千斤顶两端预应力钢束，并保证预应力钢束、千斤顶、压力传感器对中。

4)两端千斤顶同时充油，使两端预应力同时保持约4 MPa的初始应力。

5)甲端封闭，乙端分级张拉。张拉过程中逐级读取两端传感器读数，并测量钢绞线伸长值，张拉至控制应力后，停止张拉，持荷3 min，记录数据并回油退锚。每个孔道重复张拉3次。

6)按照上述步骤，乙端封闭，甲端张拉，复张拉3次，完成此孔道钢绞线的测试。

每级荷载下均需记录的测试数据有：主动端与被动端压力传感器读数、张拉端的油缸伸长量、油表读数、张拉端夹片外露量，所测数据均应及时记录。

3.2 测试结果信息集成

将测试结果进行信息集成整理后，将实测的数据代入式(6)，联立求得本次实测的孔道局部偏差影响系数k=0.002 6，摩擦系数μ=0.28。本次试验测试基本数据如表1所示，测试数据分析结果如表2所示。

表1 基本资料和测试数据

表2 测试数据分析

4 结语

本文结合某城市轨道交通U型梁工程，开展了此类桥型预应力孔道摩阻损失试验。试验主要结论如下：

1)经对U型梁预应力束进行摩阻试验，建议对该工程孔道局部偏差影响系数取0.002 6，摩擦系数取0.28。

2)由于腹板预应力束同时存在平弯和竖弯，曲线包角计算应考虑空间曲线在水平及竖向切线投影切线角度，并以综合法进行计算。

3)腹板由于空间弯曲形状复杂孔道摩阻引起的预应力损失较大，底板预应力损失较小，这与实际情况相符。

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[6] TB 10203—2002，铁路桥涵施工规范[S].

[7] TB 10002.3—2005，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].

Research on the frictional resistance loss test information integration and method of prestress duct of U-shaped girder

Liang Na1Dong Xu2*

(1.ShandongBureauofQualityandTechnicalSupervision,Jinan250002,China; 2.GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061,China)

In this paper,according to an urban rail transit U-shaped girder engineering,we conducted a test on the frictional resistance loss of prestress duct of rail transit U-shaped girder.The test principle and information integration method were analyzed.The frictional resistance loss values of prestress duct were measured,and the friction resistance coefficient of prestress duct was obtained.This test can be used as an important reference of prestress tension of the similar bridges.

U-shaped girder,prestress wire,friction resistance test,information integration

1009-6825(2016)29-0207-03

2016-08-04

梁 娜(1976- )，女，工程师

董 旭(1983- )，男，在读博士

U213.2

A