鐵路橋梁預(yù)應(yīng)力管道摩阻試驗方法及控制

李學(xué)斌,侯建軍,馬 林

(1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所,北京 100081； 2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司橋梁院,北京 100055)

1 概述

目前階段,我國客運專線鐵路和城際鐵路建設(shè)正全面開展。從2006年京津城際、鄭西、武廣客運專線鐵路大規(guī)模建設(shè)開始至今,我國已建成或在建的客運專線鐵路總計有54條。在新建客運專線鐵路線路中,橋梁所占比例較大,部分線路占到了50%以上,如京津城際占90%、京滬高速鐵路占83%,且絕大部分橋梁采用了預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁或連續(xù)梁結(jié)構(gòu)形式。在設(shè)計混凝土梁的預(yù)應(yīng)力時,按照現(xiàn)行《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》[1],需要考慮6項預(yù)應(yīng)力損失,其中預(yù)應(yīng)力筋與管道間的摩擦損失是后張梁最為主要的一項預(yù)應(yīng)力損失。以客運專線鐵路32 m預(yù)制簡支箱梁為例,按摩阻系數(shù)設(shè)計值計算到跨中截面時,管道摩阻導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失比例約為15.6%,該部分預(yù)應(yīng)力損失約占全部預(yù)應(yīng)力損失的25.8%；對于大跨度混凝土連續(xù)梁,曲線長束的管道摩阻預(yù)應(yīng)力損失更大。以客運專線鐵路(32+48+32) m混凝土連續(xù)箱梁為例,按摩阻系數(shù)設(shè)計值計算到中跨中截面時,管道摩阻導(dǎo)致通長束的預(yù)應(yīng)力損失比例為50%～56%。

另外,客運專線鐵路的線路主要采用無砟軌道結(jié)構(gòu)形式,鋪設(shè)無砟軌道對橋梁梁體的徐變上拱要求十分嚴(yán)格。為避免后期徐變上拱對軌道平順性產(chǎn)生不利影響,保證運營階段列車行駛的平穩(wěn)性和安全性,在施工終張拉階段需嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力束張拉力；梁體的預(yù)應(yīng)力度是影響全預(yù)應(yīng)力混凝土梁承載性能的一個關(guān)鍵性指標(biāo)[2],為保證梁體抗裂性能滿足設(shè)計要求,需要在施工時準(zhǔn)確施加預(yù)應(yīng)力。因此,在箱梁施工階段應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力管道的定位和成孔工藝,并在終張拉前進(jìn)行必要的預(yù)應(yīng)力管道摩阻測試,根據(jù)管道摩阻系數(shù)實測值來調(diào)整實際的張拉力,以保證梁體預(yù)應(yīng)力的準(zhǔn)確施加,從而保證橋梁施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求。

2 試驗原理和測試方法

2.1 試驗原理

預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失主要包括預(yù)應(yīng)力束曲線段彎道摩擦影響損失和管道全長位置偏移影響損失兩部分。管道摩阻系數(shù)表現(xiàn)為預(yù)應(yīng)力束與管道壁之間的摩擦系數(shù)μ和每米管道對其設(shè)計位置的偏差系數(shù)k。我國《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中提供的預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失計算公式為

σL=σcon[1-e-(μθ+kx)]

(1)

式中,θ為從張拉端至計算截面的長度上,鋼束彎起角之和；x為從張拉端至計算截面的管道長度。

當(dāng)取全部管道長度進(jìn)行管道摩阻測試時,由式(1)可以得出,被動端的張拉力P2與主動端的張拉力P1之間的關(guān)系為

P1-P2=P1[1-e-(μθ+kl)]

(2)

由式(2)可得

P2=P1e-(μθ+kl)

(3)

對式(3)兩邊取對數(shù)可得

μθ+kl=-ln(P2/P1)

令C=-ln(P2/P1),可得

μθ+kl-C=0

式中,θ為從主動端至被動端預(yù)應(yīng)力管道全長的曲線空間包角和；l為主動端至被動端預(yù)應(yīng)力管道的全長。試驗時,通過主、被動端安裝的空心式壓力傳感器可以測得P1和P2。通過對梁體n個不同預(yù)應(yīng)力管道的測試,理論上可以得到一系列的方程式,如下

μθ1+kl1-C1=0

μθ2+kl2-C2=0

……

μθn+kln-Cn=0

由于實際測試均存在誤差,上述公式的右邊不會為零,故假設(shè)

μθ1+kl1-C1=S1

μθ2+kl2-C2=S2

……

μθn+kln-Cn=Sn

聯(lián)立解方程組即可求得μ和k值。

由于μ、k2個參數(shù)之間存在耦合關(guān)系,不能單獨直接得到[3]。因此,必須測試至少2個不同設(shè)計線形的管道才能利用最小二乘法原理計算出摩阻系數(shù)值。

從計算的準(zhǔn)確性角度考慮,每孔(片)梁盡可能選取較多的不同設(shè)計彎曲角度的管道進(jìn)行摩阻測試,才能使摩阻系數(shù)實測值更為接近真實值。

預(yù)應(yīng)力束曲線空間包角的簡化計算可以采用“求和法”、“最大值法”和“綜合法”[4]。“求和法”適用于預(yù)應(yīng)力束計算長度內(nèi)只有豎彎角度或平彎角度的情況；“最大值法”適用于預(yù)應(yīng)力束計算長度內(nèi)豎彎和平彎角度都有,但不同時彎起,其中有一者的影響較小,簡化計算時可以忽略的情況；“綜合法”適用于預(yù)應(yīng)力束計算長度內(nèi)豎彎和平彎角度都有,且在同一區(qū)段發(fā)生彎起,需要同時考慮豎彎和平彎角度影響的情況。3種簡化計算方法中“綜合法”計算較為合理。“綜合法”計算空間包角θ的常用簡化計算公式有以下2種

(4)

(5)

式中,θVi為空間曲線在豎向圓柱面的展開平面上投影角；θHi為空間曲線在水平面上投影角；i為曲線分段。

以客運專線鐵路32 m和24 m預(yù)制簡支箱梁為例,采用公式(4)和(5)計算空間包角θ的相對誤差都小于1%,具體計算結(jié)果見表1,故實際工程計算時采用公式(4)或(5)均可。

表1 簡支箱梁空間包角計算比對

2.2 測試方法

關(guān)于管道摩阻測試,簡支梁和連續(xù)梁的測試方法基本相同。摩阻測試一般都采用單端張拉方式,為保證測試的準(zhǔn)確性,張拉端的張拉力應(yīng)盡可能接近設(shè)計值。但由于單端張拉時整個張拉束的伸長量都集中在張拉端,而單個張拉千斤頂?shù)挠透仔谐逃邢?所以測試時應(yīng)根據(jù)設(shè)計圖上計算伸長量的總和來確定張拉端所用千斤頂?shù)拇?lián)個數(shù)。一般情況下,當(dāng)簡支梁跨度或連續(xù)梁測試長度小于40 m時,主動端僅安裝1個張拉千斤頂即可；當(dāng)簡支梁跨度大于40 m時,主動端需將2個千斤頂串聯(lián)后再張拉；當(dāng)連續(xù)梁測試段長度介于40 m和120 m之間時,主動端需將2個千斤頂串聯(lián)后進(jìn)行張拉；當(dāng)連續(xù)梁測試段長度大于120 m時,主動端需將3個千斤頂串聯(lián)后進(jìn)行張拉。試驗時需在被動端也安裝1個張拉千斤頂,起到調(diào)直鋼絞線和方便退錨的作用。摩阻測試示意分別見圖1～圖3。

圖1 簡支梁管道摩阻測試示意

圖2 連續(xù)梁懸臂施工階段管道摩阻測試示意

圖3 連續(xù)梁通長束管道摩阻測試示意

現(xiàn)場摩阻測試時,先通過被動端張拉千斤頂施加一定的張拉力,將預(yù)應(yīng)力鋼束調(diào)直,然后再用主動端張拉千斤頂施加測試力,測試力從10%的設(shè)計張拉力開始,分8～9級張拉至設(shè)計張拉力。測試過程中需記錄每級荷載下主、被動端壓力傳感器的荷載值,張拉千斤頂油缸伸長量或回縮量以及兩端工具夾片的回縮量。

3 錨口+喇叭口摩阻測試方法

我國《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中明確規(guī)定：由于預(yù)應(yīng)力筋與錨圈口之間的摩擦及預(yù)應(yīng)力筋在錨下墊板喇叭口處因彎折產(chǎn)生摩擦而引起的應(yīng)力損失應(yīng)根據(jù)試驗確定[1]。

錨口+喇叭口摩阻損失測試在現(xiàn)場預(yù)制的4 m長混凝土試件上進(jìn)行,測試裝置示意見圖4。試驗采用一端張拉,試驗張拉控制力為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的0.8fpk·Ap(Ap為鋼絞線的總面積),測讀內(nèi)容主要為摩阻損失前、后主被動端壓力傳感器的荷載值,分6～8級來記錄。錨口+喇叭口摩阻損失δ=(F主-F被)/F主。為減小測試誤差,被動端錨下墊板內(nèi)需安放約束環(huán)。

圖4 錨口+喇叭口摩阻測試示意

4 預(yù)應(yīng)力管道成型方式

目前我國新建鐵路混凝土橋梁的上部結(jié)構(gòu)主要采用后張預(yù)應(yīng)力法施工。后張法施工時,梁體預(yù)應(yīng)力管道成型方式主要有3種：橡膠管抽芯成型、預(yù)埋金屬波紋管和預(yù)埋鐵皮套管。因梁體結(jié)構(gòu)形式和生產(chǎn)工藝的不同,采用的預(yù)應(yīng)力管道成型方式也不同。鐵路連續(xù)梁等特殊結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆簡支梁的縱向預(yù)應(yīng)力管道一般采用預(yù)埋金屬波紋管成型；預(yù)制簡支梁縱向預(yù)應(yīng)力管道主要采用橡膠管抽芯成型,少數(shù)也有采用金屬波紋管成型的。鐵路橋梁橫向預(yù)應(yīng)力管道多采用預(yù)埋扁平或圓形金屬波紋管成型,豎向預(yù)應(yīng)力管道多采用預(yù)埋鐵皮套管成型。預(yù)埋塑料波紋管成型方式目前在公路橋梁領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍,但在鐵路橋梁上應(yīng)用較少。

現(xiàn)階段,我國鐵路橋梁建設(shè)大量地采用了預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁形式,而預(yù)制梁的預(yù)應(yīng)力管道主要是采用橡膠管抽芯成型。橡膠抽拔棒常見的定位方式有以下3種：分別為井字形，圓環(huán)形，∩形。具體定位方式見圖5。

圖5 橡膠抽拔棒定位方式示意

3種橡膠抽拔棒的定位方式中,∩形的定位方式最為牢靠,但施工工序相對復(fù)雜。目前梁場主要采用井字形定位方式,定位網(wǎng)片的縱向間距一般為50 cm,基本可以保證管道的順直,但需嚴(yán)格控制定位網(wǎng)片左右豎筋及上橫筋與橡膠棒的間隙量(宜控制到5 mm以內(nèi)),并用扎絲將橡膠棒與每個定位網(wǎng)片的支撐鋼筋捆扎牢靠。對于最上一排預(yù)應(yīng)力管道,最好增設(shè)軌道筋。這兩種方法的結(jié)合使用可有效避免混凝土下落和振搗棒插入振搗時對管道位置的影響。

5 摩阻系數(shù)規(guī)范值

目前,我國現(xiàn)行各種規(guī)范中對預(yù)應(yīng)力管道摩阻系數(shù)取值有所不同[1，5，6],具體管道摩阻系數(shù)規(guī)范值見表2。

3種規(guī)范中對橡膠管抽芯成型的管道摩阻系數(shù)取值基本相同,而對其他管道類型的摩阻系數(shù)取值有所差別,未能形成統(tǒng)一的規(guī)范值。

由于塑料波紋管的材料線膨脹系數(shù)與混凝土材料線膨脹系數(shù)差別較大(相差大約10倍),當(dāng)溫度變化較大時會出現(xiàn)沿管道方向兩者的變形不一致,可能會導(dǎo)致管道和梁體混凝土相互脫離,從而影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。由于缺乏可靠的試驗數(shù)據(jù)支持,鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范中未給出塑料波紋管的管道摩阻系數(shù)值。因此,鐵路橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時基本不采用塑料波紋管成型方式。

表2 管道摩阻系數(shù)規(guī)范值

6 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析

近5年時間內(nèi),鐵科院對37條客運專線鐵路中172個梁場的622孔32、24 m簡支箱梁和34條客貨共線鐵路中60個梁場的98片32、24 m簡支T梁進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力管道摩阻測試,測試結(jié)果分類統(tǒng)計如下,分別見圖6～圖12。

圖6 時速350 km 32 m簡支箱梁(橡膠抽拔棒)摩阻系數(shù)統(tǒng)計

圖7 時速350 km 32 m簡支箱梁(金屬波紋管)摩阻系數(shù)統(tǒng)計

圖8 時速350 km 24 m簡支箱梁摩阻系數(shù)統(tǒng)計

圖9 時速300 km 32 m簡支箱梁摩阻系數(shù)統(tǒng)計

圖10 時速250 km 32 m簡支箱梁摩阻系數(shù)統(tǒng)計

圖11 時速200 km 32 m簡支T梁摩阻系數(shù)統(tǒng)計

圖12 時速160 km 32 m簡支T梁摩阻系數(shù)統(tǒng)計

通過對管道摩阻測試結(jié)果的分類統(tǒng)計分析(表3)：目前客運專線鐵路32、24 m預(yù)制簡支箱梁預(yù)應(yīng)力管道采用橡膠管抽芯成型方式時,實測下來的管道摩阻系數(shù)普遍都大于設(shè)計值,能夠做到接近設(shè)計值或小于設(shè)計值的梁場也就10%左右。采用橡膠棒這種定位方式,大部分箱梁梁場做的不是很到位,施工工藝不夠精細(xì)；而采用金屬波紋管成型管道方式的預(yù)制箱梁或現(xiàn)澆箱梁的管道摩阻系數(shù)實測值基本都比設(shè)計值小,能夠滿足設(shè)計要求。

表3 管道摩阻測試結(jié)果分析

金屬波紋管成型預(yù)應(yīng)力管道時的摩阻系數(shù)相對比較穩(wěn)定,但前提是灌注混凝土?xí)r需采取有效措施保證管道內(nèi)不漏漿。采用金屬波紋管,每孔箱梁的施工成本要比采用能反復(fù)使用的橡膠棒方式略高一些,這也是目前大多數(shù)梁場施工時不采用金屬波紋管的主要原因。

從預(yù)制簡支T梁統(tǒng)計結(jié)果看,摩阻實測值能夠接近或小于設(shè)計值的梁場接近測試總數(shù)的一半。簡支T梁腹板比較薄,且腹板部分的預(yù)應(yīng)力管道橫向只有一個,同時T梁預(yù)應(yīng)力管道只有豎彎角度,而無平彎角度,相對來說簡支T梁采用橡膠棒方式定位要比簡支箱梁容易一些。

從測試結(jié)果可以看出,對于橡膠棒定位這種方式,實測管道摩阻系數(shù)的離散性比較大,有其不穩(wěn)定的特點。用橡膠棒成型預(yù)應(yīng)力管道方式容易受施工階段各種因素的影響,如橡膠棒定位網(wǎng)片定位位置的準(zhǔn)確程度和橡膠棒與定位網(wǎng)片固定方式的精細(xì)程度,以及灌注完混凝土后橡膠棒的抽拔時間掌握程度都有較大關(guān)系。當(dāng)這些細(xì)節(jié)沒有做到位時,就容易導(dǎo)致實測管道摩阻系數(shù)比設(shè)計值偏大。

本文實測數(shù)據(jù)中,有少數(shù)箱梁出現(xiàn)實測摩阻值比設(shè)計偏大較多的情況,按實測摩阻系數(shù)換算到跨中截面時,預(yù)應(yīng)力損失比設(shè)計偏大10%以上,導(dǎo)致實際張拉應(yīng)力超過了設(shè)計可調(diào)整的最大張拉應(yīng)力,最后只能采取在原有根數(shù)的基礎(chǔ)上增加預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量的方法來保證梁體預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè)計要求。另外,也有個別簡支梁出現(xiàn)降級使用的情況。

管道摩阻總的偏大程度受管道偏差系數(shù)k的影響要比管道摩擦系數(shù)μ的影響明顯。從各種梁型的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看,實測管道偏差系數(shù)k的離散性相對比較大。實測管道偏差系數(shù)比設(shè)計偏差系數(shù)偏大較多的梁,相應(yīng)換算到跨中時的梁體摩阻偏大也較多。因此,預(yù)應(yīng)力混凝土梁的管道定位控制十分重要。

7 預(yù)應(yīng)力施工中常見問題

對于預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁,預(yù)應(yīng)力張拉是施工過程中的關(guān)鍵工序。施工過程中常見的問題有以下幾個方面。

(1)張拉控制荷載與伸長量的問題。施工技術(shù)指南規(guī)定的鋼絞線實測伸長量和計算伸長量允許偏差是±6%[7],實際施工時經(jīng)常出現(xiàn)超差現(xiàn)象,主要原因如下。

①計算時采用的單根鋼絞線彈性模量通常要高于多根鋼絞線編成束后的彈性模量,會導(dǎo)致計算值偏小。

②測量方法不正確,尤其是經(jīng)過初張拉后再進(jìn)行終張拉的預(yù)應(yīng)力束,計入或扣除的回縮量出現(xiàn)錯誤；另外,從工作錨至工具錨之間鋼絞線自由長度的伸長量需從實測值中扣除。

③梁體不同彎曲角度的各個管道的摩阻值并不相同,實測給出的平均管道摩阻系數(shù)和管道偏差系數(shù)是對梁整體結(jié)構(gòu)的綜合參數(shù),不同的管道會有偏差；另外,不同施工階段管道成型控制的偏差也會帶來影響。

(2)預(yù)應(yīng)力束張拉速度的控制沒有約束,目前的張拉速度普遍偏快。張拉速度控制以預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量不超過200 MPa/min比較合適。以常用的32 m預(yù)制簡支梁為例,終張拉時間宜控制在6～8 min。

(3)兩端對稱張拉時同步伸長的問題。通過采用先進(jìn)的自動張拉設(shè)備來保證兩端伸長量的同步,以滿足技術(shù)條件中(Δl大-Δl小)/(Δl大+Δl小)≤5%的要求。

(4)超張拉和錨固靜停時間的問題。超張拉是針對弗式錨和普通松弛預(yù)應(yīng)力筋而制定的要求,現(xiàn)有鐵路橋梁采用的均為低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,如果進(jìn)行了超張拉,將放松不到設(shè)計控制荷載,故不允許超張拉。《高速鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南》要求的靜停時間為5 min[7],但此規(guī)定當(dāng)時也是針對普通松弛預(yù)應(yīng)力筋而提出的,對于低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,相對合理的靜停時間宜為2 min,該時間可以讓同一束內(nèi)各根鋼絞線的應(yīng)力變化均勻。

8 結(jié)論

(1)預(yù)應(yīng)力梁管道摩阻系數(shù)實測值是通過對多個預(yù)應(yīng)力管道的測試而求得的一個平均效果值,并不是每個管道自身真實的摩阻系數(shù),所以取用這個平均的摩阻系數(shù)對單個管道計算伸長量時,會和該管道的實測伸長量產(chǎn)生一定誤差。在測試的多個預(yù)應(yīng)力管道中,如某個管道實測的P2/P1與設(shè)計的P2/P1相差最大,即該管道的真實摩阻系數(shù)與平均值偏差也最大,采用平均值計算出來的伸長量與實測伸長量的相對誤差也會最大,有可能會超出規(guī)范允許的偏差范圍。

(2)對于預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁,采用橡膠管抽芯成型預(yù)應(yīng)力管道時,影響因素比較多,摩阻系數(shù)的離散性比較大,施工時需嚴(yán)格控制定位和成孔工藝；采用金屬波紋管成型預(yù)應(yīng)力管道時,摩阻系數(shù)相對比較穩(wěn)定,一般情況下可小于設(shè)計值,但施工時需采取有效措施避免管道內(nèi)漏漿。

(3)當(dāng)現(xiàn)澆簡支梁或連續(xù)梁的預(yù)應(yīng)力管道設(shè)計為金屬波紋管成型時,管道摩阻系數(shù)設(shè)計值建議統(tǒng)一取用鐵路規(guī)范中規(guī)定值的上限值,這樣可以為后續(xù)依據(jù)實測摩阻系數(shù)調(diào)整張拉應(yīng)力時留下較大的應(yīng)力富余量。

(4)從大量的實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析看,客運專線鐵路的多數(shù)制梁場在預(yù)應(yīng)力管道施工方面的精細(xì)化程度還不夠,主要表現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力管道初始定位不準(zhǔn)確、橡膠棒和定位網(wǎng)片之間固定不牢靠,這些因素均會使預(yù)應(yīng)力管道的實際位置和設(shè)計位置產(chǎn)生較大偏差,從而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力管道的線形和平順性較差。當(dāng)灌注完梁體混凝土后,如在靜停較短的時間后即抽拔橡膠棒,由于管道內(nèi)壁的水泥還沒有完全硬化,此時橡膠棒的抽出必將會增大管道內(nèi)壁的粗糙度,即增大了管道摩擦系數(shù),嚴(yán)重的會出現(xiàn)塌孔或縮頸的情況,所以應(yīng)合理掌握橡膠棒的抽拔時機,不宜早拔。這兩方面的施工細(xì)節(jié)如注意不到,最終會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力管道摩阻偏大。當(dāng)摩阻偏大不多時,可以通過提高預(yù)應(yīng)力束張拉控制應(yīng)力來達(dá)到梁體設(shè)計的應(yīng)力水平；但偏大較多時,就需要通過增加預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量來保證梁體預(yù)應(yīng)力滿足設(shè)計要求或?qū)⒘盒徒导壥褂谩?/p>

(5)鐵路橋梁施工單位應(yīng)對預(yù)應(yīng)力管道定位控制的重要性引起足夠重視,并采取有效措施切實加強預(yù)應(yīng)力管道施工控制。

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[7] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)[2010]241號 高速鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南[S].北京：中國鐵道出版社,2011.