预应力混凝土桥梁孔道磨阻现场测试及研究

郭青伟，李 科，孟 超

(1.南阳师范学院，河南 南阳 473061；2．中铁二十局集团第三工程有限公司，重庆 400000）

预应力混凝土桥梁孔道磨阻现场测试及研究

郭青伟1，李 科1，孟 超2

(1.南阳师范学院，河南 南阳 473061；2．中铁二十局集团第三工程有限公司，重庆 400000）

引用预应力混凝土桥梁孔道摩阻试验原理，针对海南省龙沐湾大道跨西环高铁立交桥预应力混凝土连续箱梁，选取2m小梁束、25m梁长中梁N1束（5根）和N3束（4根）、30m边梁N1束（6根）进行摩阻度检测，结果表明，在现有施工水平下，孔道摩阻系数μ和偏差系数k的实测值与设计取值不同，即预应力筋的预应力损失与设计值略有不同。因此，施工时，应酌情调整张拉控制力。

预应力混凝土桥梁；摩阻试验；试验原理；摩阻系数；偏差系数

0 引言

预应力混凝土由于具有抗裂性好、刚度大、节省材料、减小自重等优点，广泛应用在桥梁、压力管道、高层建筑等领域。由于预应力损失易受材料、施工环境及施工工艺等因素的影响，设计时，根据规范和经验选取的参数不一定适用于施工现场的实际情况。因此，为了保证梁中预应力筋的实际有效预应力，《公路桥涵施工规范》规定［1］：“预施应力前，应作孔道摩阻和锚圈摩阻测试，并根据测试结果计算施工控制应力。”

海南省龙沐湾大道上跨西环高铁立交桥采用30m＋50m＋30m的预应力混凝土连续箱梁，主梁混凝土强度等级为C50，预应力筋采用φ15．20－1860MPa的高强度低松弛钢绞线，锚具采用柳州OVM锚，夹片及连接器，孔道采用铁皮波纹管。为了确保预应力筋的有效预应力，保证桥梁结构的施工质量、安全性和耐久性，我们在现场对预应力筋孔道进行了摩阻试验检测 （检测孔道摩阻系数μ和孔道偏差系数k）。

1 试验方法及原理

1．1 试验方法

如图1所示，对所有试验束均采用一端张拉。为了提高测试精度，采用专门的压力传感器准确测试张拉端和被动端的压力。试验时，应采取有效措施确保仪器对中，以提高试验精度；记录读数仪和电动油泵的读数以及力筋伸长量，以确保试验结果的可靠性；采用分级加载，稳定后，同时读取两端传感器的数据。试验测得的总摩阻损失为孔道＋锚头＋喇叭口摩阻损失之和。

图1 孔道摩阻试验装置示意图Fig.1 Friction resistance test equipment of duct

锚口及喇叭口摩阻试验装置如图2所示。图2中，钢筋混凝土张拉台座长为3m，两端埋设锚板。试验采用单端张拉的方式，张拉端的千斤顶完成测试时的张拉工作，锚固端的千斤顶在测试前首先预张，以便在测试完成后进行退锚工作。在张拉时，为保证钢绞线与中间断孔道不产生摩擦，应设置多片限位板，以加强传感器、千斤顶及锚具之间的衔接对中［2］。

图2 锚头＋喇叭口摩阻试验装置图Fig.2 Friction resistance test equipment of anchor head and bell mouth

1．2 试验原理

根据 《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62－2004）［3］， 预应力筋束与孔道间的摩阻损失采用公式（1）进行计算。

式中： σcon为力筋（锚下）控制应力，MPa；θ为从张拉端至计算截面的长度上力筋的弯曲角之和，rad，直线力筋θ＝0；x为张拉端至计算截面的孔道水平投影长度，m；μ为力筋与孔道壁之间的摩阻系数，取值为0．2～0．26；k 为管道对其设计位置的偏差系数，取值为0．002～0．003；β 为损失率，%。

空间曲线束的孔道摩阻损失计算表达式和平面曲线相同，唯其曲线转角θ改用空间包角θ包。空间包角θ包的计算式为式（2）。

式中：α为力筋束竖向平面内的弯起角；φ为力筋束水平面内弯起角，若该力筋束仅在竖向平面内弯起，则 φ＝0。

在预施应力产生过程中，离开张拉端x处，因管道摩阻而损失的力筋束内力值采用式（3）计算。

式中：FA为张拉力，kN。

可以采用一端张拉一端固定的方法测定孔道摩阻系数φ和偏差系数k，其计算式为式（4）。

式中：l和θ分别为张拉端至固定端力筋束长和空间包角（为书写简便起见，仍用θ代替θ包）。

若该力筋束为直线布置，即 θ＝0，则 k=-ln（1-β）/l；若该力筋束为曲线布置，则须借助于两根以上力筋束的测试结果，再利用最小二乘法计算得到μ、k。试验存在误差是不可避免的，假定式（4）的误差为Δ，即 μθ+kl=-ln（1-β）=Δ。 如果有 n 束力筋束，第 i 根力筋束的误差可表示为式（5），全部力筋束测试误差的平方和为式（6）的运算结果。

式中：θi、li分别为第i根力筋束的束长和空间包角；Ci=-ln（1-βi）。

要使得试验误差最小，应满足的条件为式（7）所示。 由式（6）和式（7）可得式（8）。

根据式（8），可求出μ和k的值。

由上式可见，根据多管道摩阻测试结果，可运用极值原理，建立μ、k的联立方程，求出μ值和k值。需要注意的是，在计算过程中，应采用实测的损失率减去锚口及喇叭口的损失率，以得到纯摩阻及孔道偏差的损失率。

2 测试结果分析

2．1 测试方案

在充分考虑预应力张拉空间及实际可操作性的情况下，选取不同类型的预应力束进行试验［4］。本次试验根据设计文件和现场实际情况，选取2m小梁束、25m 中梁 N1束（5根）和 N3束（4根）、30m 边梁N1束（5根）和N3束（4根）进行试验。25m中梁和30m边梁预应力钢筋大样图如图3和图4所示。钢束几何参数和张拉控制力如表1所示。

图3 25 m中梁预应力钢筋大样图（单位：cm）Fig.3 25 m middle girder prestress steel detail drawing （Unit:cm）

图4 30 m边梁预应力钢筋大样图（单位：cm）Fig.4 30 m boundary girder prestress steel detail drawing(Unit:cm)

表1 中梁、边梁测试钢束的几何参数及张拉控制力Tab.1 Test steel bunch geometrical parameter and tension controlling force

25m中梁每束预应力筋分5级张拉（20%，40%，60%，80%，100%），30m 边梁分4级张拉 （20%，40%，60%，80%）。在张拉过程中，平稳缓慢送油，当主动端油表指针到达某级张拉力时，由油泵操作人员发出指令，立即读出传感器及被动端油表读数，并记录之。各级张拉力及对应的油表读数由千斤顶检定时的回归方程算出（如表2所示），回归方程由施工单位提供。

表2 各级张拉力及对应油表读数Tab.2 Each tension and its oil meter data

当试验张拉力达到第二级后，若各数据间的线性与相关度不明显，应检查、调整设备，并重做试验。当张拉至试验最大张拉力后，持荷5min，再读取传感器及被动端油压表数据。

2．2 现场试验数据

锚口及喇叭口损失率已较早计算出，其测试结果表明，锚具型号15－4、15－5、15－6的锚头＋喇叭口摩阻损失率可分别取为8．2%、7．5%、6．7%。

80%和100%张拉控制应力对应的测试数据如表3所示，表3对应的孔道摩阻损失试验值及试验结果见表4。

表3 现场测验数据Tab.3 Spot test data

表4 孔道摩阻损失试验值及试验结果Tab.4 Duct friction resistance loss test and test results

采用直线力筋束2m试验梁的测试结果为k＝0．00148。根据曲线力筋束的试验结果，计算μ、k的所需各种参数列于表5，得到 μ＝0．2347，k＝0．00140。每束预应力筋的管道摩阻系数和偏差系数k的计算结果的平均值为 μ＝0．2347，k＝0．00144。

表5 孔道摩阻系数μ和偏差系数k的计算参数Tab.5 Duct friction resistance coefficient μ and deviation factor k calculation parameters

2．3 结果分析

根据前述的试验原理和4束预应力筋孔道摩阻试验结果，经分析，得到龙沐湾大道上跨西环高铁立交桥预应力孔道摩阻系数μ＝0．2347，偏差系数k＝0．00144。将其与规范、设计取值进行比较，如表6所示。

表6 孔道摩阻试验结果Tab.6 Duct friction resistance test results

从表6中可以看出：（1）摩阻系数μ和偏差系数k的实测值均在规范的取值范围内。这说明，已浇筑连续梁段的预应力孔道，在设计方面，在波纹管、钢绞线和张拉锚固体系的材质方面，以及在预留孔道的线形控制方面，均符合常规。（2）实测孔道摩阻系数μ＝0．2347，较设计取值 μ＝0．25稍小。 实测孔道偏差系数 k＝0．00144，较设计取值 k＝0．0015稍小。

3 结语

本文通过对龙沐湾大道上跨西环高铁立交桥预制小箱梁孔道的摩阻实测和理论分析，得出如下结论：（1）实测孔道摩阻系数 μ＝0．2347，偏差系数 k＝0．00144。（2）由于孔道摩阻系数μ和偏差系数k的实测值与设计取值略有不同，即预应力筋的预应力损失与其设计值略有不同，施工时，应酌情调整张拉控制力，按孔道摩阻参数的实测值计算控制张拉力。（3）按测试孔的设计参数与实测参数进行孔道摩阻计算，预应力损失量的差值与张拉控制力相比在5%以内。一般情况下，张拉控制力的适当调整不会影响到梁体的应力控制。这也可为将来类似工程的施工与设计积累资料。

［1］ 中华人民共和国交通运输部.公路桥涵施工技术规范：JTG／T F50－2011［S］．北京：中国标准出版社，2011.

［2］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.预应力筋用锚具、夹片和连接器应用技术规程：JGJ85－2010［S］．北京：中国标准出版社，2010.

［3］ 中华人民共和国交通运输部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTGD62－2004［S］．北京：中国标准出版社，2004.

［4］ 邹焕祖，刘自明．预应力混凝土空间长钢绞线束孔道摩阻损失测试方法［J］．桥梁建设，1993（4）：38－41．

Research on Duct Friction Resistance Field Test of Prestress Concrete Bridge

Guo Qingwei1， Li Ke1， Meng Chao2
（1．Nanyang Normal University，Nanyang473061，Henan， China；2．The Third Engineering Co．， Ltd．of China Railway20th Bureau Group， Chongqing400000， China）

It analyzes the prestress concrete bridge duct friction resistance test principle．Aiming at prestress concrete continuous box girder of Longyuwan Road cross－western ring Road high－speed train flyover in Hainan Province， it makes the friction resistance detection of selecting2m small girder bunch，25m middle girder N1bunch（5） ，30m N3bunch（4）， boundary girder N1bunch（6）．The results show that with the present construction level， the real tested values of duct friction resistance coefficient μ and deviation factor k are different from the designed ones，that is prestress loss of prestress reinforcement is different from designed one．So， it should adjust the tension controlling force of construction．

Prestress concrete bridge； friction resistance test； test principle； friction resistance coefficient；deviation factor

U441.5

A

10．13681／j．cnki．cn41－1282／tv．2017．04．011

2017-06-16

南阳师范学院校级研究项目：桥梁震害分析及抗震对策研究（QN2016007）；南阳师范学院青年项目：节能环保型住宅结构在村镇住宅中的应用研究（QN2016008）。

郭青伟 (1983-)，女，河南南阳人，讲师，硕士，主要从事土木工程方面的教学与科研工作。

[责任编辑 胡修池]