預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋管道摩阻試驗研究

王賀慶 金 晶 劉勇志

0 引言

預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力筋的拉應(yīng)力是一個不斷變化的值。在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的施工及使用過程中,由于張拉工藝、材料特性以及環(huán)境條件的影響等原因,預(yù)應(yīng)力筋中的拉應(yīng)力是不斷降低的。這種預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的降低,即為預(yù)應(yīng)力損失。滿足設(shè)計需要的預(yù)應(yīng)力筋中的拉應(yīng)力,應(yīng)是張拉控制應(yīng)力扣除預(yù)應(yīng)力損失后的有效預(yù)應(yīng)力。因此,一方面需要預(yù)先確定預(yù)應(yīng)力筋張拉時的初始應(yīng)力(一般稱為張拉控制應(yīng)力σcon),另一方面需要準(zhǔn)確估算預(yù)應(yīng)力損失值[1]。規(guī)范[2]規(guī)定,后張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件預(yù)應(yīng)力損失包括5項,其中預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道之間的摩阻損失σl1所占比例較大[3]。

1 原理依據(jù)

1.1 應(yīng)力損失機理

預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道之間的摩阻損失σl1出現(xiàn)在后張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中。在張拉預(yù)應(yīng)力筋時,由于預(yù)留管道的位置可能不順直、管道壁粗糙等原因,使預(yù)應(yīng)力筋與管道壁之間產(chǎn)生摩擦,故通過千斤頂對預(yù)應(yīng)力筋在控制應(yīng)力下進(jìn)行張拉而產(chǎn)生的每個截面應(yīng)力逐漸減小,離張拉端越遠(yuǎn),應(yīng)力減小的越快。而任何兩個截面之間的應(yīng)力差,在短時間內(nèi),主要就是由σl1所造成的,可以近似的看成這兩個截面之間的預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失值[4]。

摩阻損失主要由管道的彎曲和管道的偏差兩部分影響所產(chǎn)生的。理論上,直線管道無摩阻損失,但由于施工中管道主要由分布在一定間距上的定位鋼筋來固定的,這樣任何兩個定位鋼筋之間的管道必然會產(chǎn)生一定的弧度,因而直線預(yù)應(yīng)力筋在張拉時實際上仍會與周圍管道接觸、摩擦而引起摩擦損失,此項損失被稱為管道偏差影響摩擦損失(偏差系數(shù)k),其值較小。主要與預(yù)應(yīng)力筋的長度、管道的施工質(zhì)量以及管道的材料系數(shù)有關(guān)。彎道部分除了管道偏差影響外,還有因管道彎曲、張拉時預(yù)應(yīng)力筋對管道內(nèi)壁的徑向垂直擠壓力所引起的摩擦損失,此項損失被稱為彎道影響的摩擦損失(摩阻系數(shù)μ),其值較大,并隨預(yù)應(yīng)力筋彎曲角度之和的增加而增加。

根據(jù)規(guī)范[2],預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失值σl1,可按下式計算:

其中,θ為從張拉端至計算截面曲線管道部分切線的夾角之和,rad;x為從張拉端至計算截面的管道長度,可近似地取該段管道在構(gòu)件縱軸上的投影長度,m;其他符號上文已有提及。

同濟大學(xué)薛偉辰教授[1]也做了相關(guān)推導(dǎo)過程。

1.2 試驗依據(jù)

已知,預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失主要是由管道偏差損失和彎道的摩阻損失兩部分組成,而且各自反映在偏差系數(shù)k和摩阻系數(shù)μ上,因此,只要通過確定k,μ就可以計算預(yù)應(yīng)力的摩阻損失。

通過試驗量測,可知張拉端的張拉力P和被動端的張拉力P′,則管道摩阻損失力為ΔP:

經(jīng)變換亦可得:μ θ+kx=ln(P/P′),對于整個主梁,將x=l代入則得:

令yi=ln(Pi/P′i),則利用最小二乘法原理可以得到偏差系數(shù)k和摩阻系數(shù)μ的求解公式為:

將試驗測試數(shù)值代入即可求得偏差系數(shù)k和摩阻系數(shù)μ[5,6]。

2 具體試驗

2.1 工程概況

穎河大橋位于阜陽市的北三環(huán)路,跨越市內(nèi)的穎河,是阜陽市城區(qū)重要的東西交通要道。穎河大橋主橋為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu),全長(70.5+116+70.5)m。采用懸臂法施工。通過對主橋第五節(jié)段進(jìn)行預(yù)應(yīng)力管道的摩阻系數(shù)試驗,以提供設(shè)計施工參考的依據(jù)。

2.2 加載方案與測點布置

選取第五節(jié)段的2束T6和1束F6作為研究測試對象。首先,在測試預(yù)應(yīng)力束兩端依次安裝千斤頂和張拉工具錨,并拖動鋼絞線證實管道內(nèi)無阻礙張拉的物體。其次,將B端封閉作為被動端,A端作為主動端,分別張拉千斤頂至 0.2σcon,0.35σcon和0.5σcon,持荷5 min后記錄兩端油壓表讀數(shù)。之后千斤頂回油,放松鋼束。上述測試工作重復(fù)3次,然后調(diào)換主動端和被動端,再把上述測試工作同樣進(jìn)行3次。最后,將千斤頂移至另一測試預(yù)應(yīng)力束并安裝,之后重復(fù)前述的操作內(nèi)容直至各預(yù)應(yīng)力筋束測試完畢。

試驗時,為了千斤頂有足夠的行程,先在被動端張拉8 cm～10 cm的油缸行程長度,然后錨固被動端,并在主動端分三個工況進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉的辦法來獲取考慮管道摩擦損失時兩端的張拉力。

其中2束T6為頂板平彎束,無豎彎,1束F6為腹板束,同時有平彎和豎彎(見圖1)。

2.3 試驗結(jié)果

經(jīng)過18次往返分階段進(jìn)行張拉試驗之后,得出了試驗結(jié)果數(shù)據(jù)。按張拉端和被動端張拉力的大小得出結(jié)果如圖2～圖4所示。

3 誤差分析及結(jié)論

3.1 誤差分析

從上面的試驗數(shù)據(jù)計算分析中可以得到摩阻系數(shù)和偏差系數(shù)值,但是通過上面的計算分析可以看到很難同時得到符合設(shè)計規(guī)范要求的μ,k值[2],參考其他橋的摩阻試驗,總結(jié)出導(dǎo)致誤差的幾個原因:1)試驗條件的限制,由于本橋采用此種方法未能考慮到臨時工具錨與預(yù)應(yīng)力鋼束之間的磨損,進(jìn)而可能產(chǎn)生誤差;2)由于摩阻試驗是對特定的幾束鋼絞線進(jìn)行測量,難免會造成取樣具有隨機性,保證不了精度;3)規(guī)范的要求過于理論化,由于實際施工條件的限制不可避免地有誤差產(chǎn)生,導(dǎo)致了數(shù)據(jù)的離散性;4)造成管道摩阻損失的原因復(fù)雜,如管道直徑及其偏差,鋼絞線表面粗糙度及順直度,特別是成孔管道的定位方式及澆筑混凝土?xí)r的振搗等,都使試驗難于控制。

3.2 結(jié)論

通過對穎河大橋箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線中的3束進(jìn)行管道摩阻試驗,得出實測摩阻系數(shù)μ和偏差系數(shù)k值分別為0.294和0.004 1,比設(shè)計取用的0.14～0.17和0.001 5值都偏大,誤差分別為72.9%和173%。建議施工方在后續(xù)梁段的施工過程中要準(zhǔn)確設(shè)置預(yù)應(yīng)力管道的定位鋼筋,在彎轉(zhuǎn)部位要加密布置;嚴(yán)格按設(shè)計要求進(jìn)行兩端對稱張拉,以減少預(yù)應(yīng)力摩擦損失;進(jìn)行101%～102%的超張拉,同時在達(dá)到張拉控制噸位時持荷3 min～5 min。

[1]薛偉辰.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[2]交通部,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[3]劉金生.大跨度PC連續(xù)梁橋孔道摩阻系數(shù)測試研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報,2008(30):25-26.

[4]葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].第2版.北京:人民交通出版社,1997.

[5]李毅卉,徐力平,汪軍凱.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋孔道摩阻試驗研究[J].市政技術(shù),2009(25):28-29.

[6]汪良旗,汪益敏,宋 琢.東莞市厚街水道大橋波紋管摩阻系數(shù)的測試與分析[J].公路,2003(20):32-35.