体外预应力钢束的摩阻损失试验研究

张宏华

（盐城市第二交通工程处，江苏 盐城 224005）

体外预应力钢束的摩阻损失试验研究

张宏华

（盐城市第二交通工程处，江苏 盐城 224005）

随着预制拼装技术的发展，体外预应力钢束在桥梁设计中得到了广泛应用。文章介绍了体外预应力钢束的摩阻损失试验方案，根据试验结果对摩阻系数进行了分析，给出了摩阻系数的合理取值；试验同时还验证了体外束的滑移效应，结果表明滑移效应很小可忽略，但PE护套应有1 mm的壁厚防止破损影响预应力束的耐久性。

体外预应力；摩阻系数；滑移效应；追随性；试验

近年来，随着预制拼装施工方法的逐步推广和应用，体外预应力技术得到了越来越多的应用。体外束通常采用无粘结高强度低松弛环氧喷涂钢绞线，外套管选用高密度聚乙烯管或镀锌钢管，预应力张拉时的损失计算不同于体内束，摩阻损失的参数取值宜通过试验进行验证。体外束在转向块处易发生滑移，引起预应力的重新分配，这和施工工艺也有较大关系，可以通过试验手段验证体外束的滑移效应或追随性能［1-4］。

1 试验方案

参照75 m跨径连续梁施工图设计图纸，按模型试验的相似原理设计模型梁。模型试验的目的是了解预制梁采用体外预应力钢束时的摩擦损失情况以及钢束与预应力管道之间的相对滑移情况。

结合现场实际情况，同时便于施工和试验，确定比例尺选用1∶2.5。截面尺寸、锚固块尺寸、转向块尺寸均按几何相似比设计。钢筋数量、体外束配束量依据模型和实桥应力应变相似的原则设计。

试验构件采用强度为C50的混凝土节段预制箱梁，梁长30 m，顶宽3.1 m，底宽1.7 m，两侧悬臂各0.6 m，箱室宽1.0 m，高1.15 m，顶板、底板、腹板的厚度均采用0.35 m，如图1所示。

图1 体外束试验构件的一般构造图（单位：cm）

体外预应力钢束转向位置设置转向块，顺桥向宽58 cm。体外束采用无粘结聚乙烯高强低松弛光面钢绞线，单根直径15.2 mm。

体外束转向块与锚固块布置在30 m试验梁顶面，如图2所示。由于转向块处预应力损失为单根损失的综合，且相互损失并不影响，在实际测试过程中，每一束钢束只张拉（锚固）其中6根钢绞线。

图2 体外束转向块锚固块布置示意图（单位：cm）

孔道摩阻试验方案示意图如图3所示。体外束孔道摩阻试验时，张拉端和被动端各安装一台26 t前卡式千斤顶，并分别布置一个20 t压力传感器，工作锚内不安装夹片，千斤顶内也不装夹片，锚固依靠后面的单孔夹片锚锚固。张拉以控制张拉应力的0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0倍为级数进行。

图3 孔道摩阻试验方案示意图

体外束为薄环氧涂层钢绞线，外侧涂一层油脂，然后再外包PE护套。PE护套与钢绞线之间存在一定的摩阻，在转向区段受径向局部侧压力，如果摩擦较大，PE护套内壁有可能追随钢绞线移动，加上PE外壁被转向器的内壁摩擦，可能造成“起皮”效应，影响外观，严重时会损坏PE护套，削弱对钢绞线的保护。验证体外束的滑移效应或追随性能，采用的试验方法为：预应力束张拉到10%控制应力时，预应力束已经绷紧，此时在外露段PE护套设做一个标记，记录其位置。当张拉至100%控制应力后，再记录其位置，比较前后位置的变化情况。由于试验用的预应力束较短，为了和实际情况吻合，张拉前将被动端千斤顶打出一定行程（15 cm左右），张拉端张拉时，被动端缓慢回油，模拟实际情况。张拉后抽出钢绞线，观察PE护套的外观是否受损。

2 结果分析

2.1 孔道摩阻试验

体外预应力钢束配置在混凝土结构外部，其钢束线形由转向位置或锚固位置的曲线段和其间的直线段组成。对于直线段，由于钢束管道线形和外观不受施工因素的影响，这部分的摩阻损失可以忽略不计。

式中：σcon为张拉预应力钢束时的锚下控制应力；μ为体外预应力钢束与管道壁的摩擦系数；θ为张拉端到计算位置处的钢束转角之和，如果有平弯，应取空间夹角。

本次试验共张拉12根钢绞线，测得的孔道摩阻系数在不同的荷载张拉力作用下的变化关系如图4所示。

图4 孔道摩阻系数随张拉荷载等级的变化关系

将各根钢束在不同张拉力作用下的摩阻系数取平均值，然后绘制成变化曲线如图5所示。

图5 不同钢束孔道摩阻系数变化曲线

综合以上体外束钢绞线的试验结果，由图4、图5可以看出，体外预应力钢绞线的摩阻系数μ值基本在0.12～0.17变化，平均值为0.13。

体外预应力束的摩擦损失主要在转向块和锚固块处，孔道偏差摩擦损失系数k可近似取0，主要考虑孔道弯曲摩擦系数μ。

美国AASHTO桥梁规范对于有粘结体外预应力束的摩擦系数取0.25，日本体外索结构预制构件工法设计施工规范中规定有粘结的PE管道取值0.23，而我国《建筑工程预应力施工规程》（CECS 180∶2005）中μ值为0.15～0.20，OVM提供的μ值为0.12～0.15，同济大学预应力研究中心则建议单根无粘结体外预应力钢束的摩擦系数μ值取0.08～0.10。本次试验测得的摩阻系数μ值为0.13，处于国内各种规范给定的取值范围之内，建议施工计算据此进行。

2.2 钢束滑移效应

体外预应力束PE套管的张拉追随性是指张拉预应力束时，PE套管跟随钢绞线移动的性能。由于体外预应力体系的摩擦主要在转向块和锚固块中，如果追随性较大，在转向块和锚固块处的PE套管容易产生“起皮”现象，影响外观，严重时会损伤套管，影响体外预应力束的耐久性［5-8］。

测试数据如表1所示。由表可知体外预应力束的外包PE护套在张拉过程中基本不随钢绞线移动。说明PE护套和钢绞线之间填充了油脂，二者之间摩阻较小，而PE护套外壁与转向器之间有足够的摩擦力防止PE护套随钢绞线一起移动，因此不会产生“起皮”现象。

表1 体外束滑移位移量 mm

对张拉后的体外预应力束PE护套的外观检查可知，护套没有产生起皮现象。但在转向块及锚固块处，由于护套受到钢绞线的挤压，护套产生了一定的损伤（护套表面产生了一些压痕，但护套没有破损），根据OVM提供的产品数据，PE管的壁厚在0.8～1.2 mm，建议壁厚应不小于1 mm，避免PE管过薄而破损，影响体外预应力束的使用寿命。

由于本次所用的体外束为薄环氧涂层钢绞线，其锚固夹片与普通夹片基本相同，因此须将张拉端的PE护套剥除。根据实测结果，外包PE护套在张拉过程中基本不随钢绞线移动，因此在和OVM厂方技术人员交流后，决定张拉端护套剥除长度应在满足张拉设备需要的前提下，再在孔道内多剥出10～15 cm即可满足施工需要。

本项试验通过实际模拟体外预应力束的张拉过程，验证了项目所用体外束PE套管的张拉追随性较小，完全满足施工需要。

由于本次施工所用的体外束钢绞线为OVM公司提供的薄环氧涂层钢绞线，预埋件转向器等也都是OVM提供的，根据实测结果可看出体外束孔道摩擦系数与OVM所提供的参考值基本吻合。

3 结论

现行桥梁施工规范中尚未对体外束的孔道摩阻系数作出明确规定，建议参考国内相关规范和施工经验取值进行设计和计算。实际工程有条件时，可进行摩阻损失试验，根据试验结果取值并进行施工计算。实际施工过程中，也可通过实测的有效预应力反算摩阻损失，用以校核试验结果。

体外预应力钢束在张拉过程中的滑移效应较小，一般情况下，设计和施工中可不予考虑。虽然体外预应力束的外包PE护套在张拉过程中基本不随钢绞线移动，但是为避免PE护套在转向块及锚固块处由于摩擦挤压而破损，建议PE管壁厚应不小于1 mm，实际生产的PE套管都能满足该项壁厚的要求。

［1］方德平，王全凤.体外预应力梁的摩擦单元与摩擦效应分析［J］.建筑结构，2012（3）:123-124.

［2］董斌.考虑次轴力影响的体外预应力加固混凝土梁的试验研究［D］.天津：天津大学，2009.

［3］胡彦君.重载铁路桥梁体外预应力加固法的关键技术研究［D］.北京：北京交通大学，2015.

［4］郭风琪，袁石沣，单智.新型体外预应力体系预应力瞬时损失试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2014（6）:1-5.

［5］蔡建军，陶慕轩，聂建国.体外预应力组合梁桥预应力损失计算［J］.桥梁建设，2011（6）：67-70.

［6］王峰.体外预应力加固混凝土结构技术及应用研究［D］.南京：南京理工大学，2011.

［7］徐锡平，李惠娟，齐松明.温州站站房体外预应力索张拉施工阶段测试［J］.山西建筑，2010（16）：104-105.

［8］徐栋.桥梁体外预应力设计技术［M］.北京：人民交通出版社，2008.

Experimental Study on Friction Loss of External Pre-stressed Tendon

Zhang Honghua
（The Second Traffic Engineering Department of Yancheng City, Yancheng 224005, China）

With the development of the pre-stressed assembly technology, the external pre-stressed tendons have been widely applied in bridge design.Firstly it introduces the friction loss of externally pre-stressed tendons testing scheme.And then according to the test results, the friction coefficient are analyzed. At last, it gives the reasonable values of friction coefficient. Meanwhile the test also verifies the slip effect of the external pre-stressed tendons.Results show that the slippage effect is very small and can be ignored, but PE sheath should be 1 mm wall thickness to prevent to be damaged, which affect the durability of external pre-stressed tendons.

external pre-stressed tendon；friction coefficient; slippage effect; tracing ability; test

U443.38

A

1672-9889（2016）06-0052-03

2015-12-29）

张宏华（1972-），男，江苏盐城人，工程师，主要从事道桥技术管理工作。