連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力孔道摩阻試驗(yàn)研究

常 亮,臧紅剛

(中鐵十局集團(tuán)有限公司,山東濟(jì)南250101)

連續(xù)箱梁的預(yù)應(yīng)力張拉是一道極為重要的工序，在后張拉法預(yù)應(yīng)力箱梁施工中如何準(zhǔn)確將設(shè)計(jì)張拉力施加于梁體直接影響到箱梁的耐久性、安全性、剛度及矢拱高度。預(yù)應(yīng)力損失主要包括混凝土收縮徐變、鋼筋松弛、錨頭變形及鋼筋回縮、孔道摩阻、混凝土彈性壓縮五個(gè)因素，其中以預(yù)應(yīng)力鋼束與管道壁接觸引起的預(yù)應(yīng)力損失所占比例較大。特別對(duì)于孔道距離長(zhǎng)、豎彎和平彎角度較大的鋼絞線(xiàn)孔洞而言，其孔道摩阻系數(shù)和每1米孔道偏差系數(shù)一般比設(shè)計(jì)值偏大，預(yù)應(yīng)力損失也相應(yīng)偏大[1]。預(yù)應(yīng)力摩阻損失的準(zhǔn)確估計(jì)，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力計(jì)算以及橋梁的施工控制都十分重要，關(guān)系到橋梁的成橋質(zhì)量。摩阻損失很大程度上受到施工工藝的制約，如波紋管預(yù)埋的是否平順牢固、波紋管接頭是否光滑、波紋管在施工中是否被壓碰變形、混凝土澆筑時(shí)是否漏漿等，這些因素都會(huì)影響到鋼絞線(xiàn)張拉的摩阻損失的大小。摩阻損失很難通過(guò)理論準(zhǔn)確求出，因此張拉前應(yīng)對(duì)梁部進(jìn)行孔道摩阻現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)預(yù)應(yīng)力孔道摩阻試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)和施工實(shí)際參數(shù)的相符程度，以確保橋梁結(jié)構(gòu)受力安全[2]。

1 工程概況

本次試驗(yàn)的預(yù)應(yīng)力鋼束孔道為某(60 m+100 m+60 m)連續(xù)梁的腹板鋼束(編號(hào)：F6束)、頂板鋼束(編號(hào)：T6束)共兩束。F6束為22-φ15.2預(yù)應(yīng)力鋼束，設(shè)計(jì)張拉控制荷載為2 582 kN，T6束為19-φ15.2預(yù)應(yīng)力鋼束，設(shè)計(jì)張拉控制荷載2 142 kN。孔道均為金屬波紋管管道。F6預(yù)應(yīng)力孔道理論長(zhǎng)度為51.848 m，彎角和為0.8532 rad；T6預(yù)應(yīng)力孔道理論長(zhǎng)度為51.0 m，彎角和為0。試驗(yàn)的張拉端和固定端的力大小采用荷載傳感器測(cè)量和DH3815靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行。

2 試驗(yàn)原理及步驟

2.1 孔道摩擦損失的組成

張拉時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼束與管道接觸面產(chǎn)生摩擦力引起預(yù)應(yīng)力損失，成為摩阻損失。摩阻損失主要有兩種形式：一種是由于曲線(xiàn)處鋼束張拉時(shí)對(duì)管壁施以正壓力而引起的摩擦，其值隨鋼束的彎曲角度總和變化；另一種是由于管道對(duì)其設(shè)計(jì)位置的偏移致使接觸面增多，從而引起摩擦阻力，其值一般相對(duì)較小[3]。

2.2.孔道摩阻損失的計(jì)算公式

張拉時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼束距張拉端距離為x的任意截面上的拉力Px：

Px=Pke-(μθ+kx)

(1)

式中：Px為計(jì)算截面預(yù)應(yīng)力束的拉力，測(cè)量時(shí)取至固定端；

Pk為張拉端預(yù)應(yīng)力束的拉力；

θ為從張拉端至計(jì)算截面的孔道彎角之和，以rad計(jì)；

x為從張拉端至計(jì)算截面的孔道長(zhǎng)度，以m計(jì)；

μ為預(yù)應(yīng)力束與孔道壁的摩阻系數(shù)；

k為孔道對(duì)設(shè)計(jì)位置的偏差系數(shù)。

選取現(xiàn)場(chǎng)兩個(gè)不同弧度的孔道進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)孔道測(cè)試兩次。根據(jù)傳感器測(cè)定兩端千斤頂之下的拉力，并根據(jù)上式并利用最小二乘法原理計(jì)算孔道摩阻系數(shù)μ和孔道對(duì)設(shè)計(jì)位置的偏差系數(shù)k。計(jì)算公式如下。

(2)

(3)

2.3 試驗(yàn)步驟

(1)清理孔道，穿預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)；

(2)在錨下安裝力傳感器，然后依次安裝對(duì)中環(huán)、千斤頂和工具錨；

(3)錨固端千斤頂主缸進(jìn)油空頂10 cm關(guān)閉，兩端預(yù)應(yīng)力鋼束的錨塞均勻楔緊于千斤頂上；

(4)張拉端分級(jí)加載張拉控制值，每級(jí)加載時(shí)均記錄兩端力傳感器和，油壓的讀數(shù)值，從加載至第二級(jí)起，在鋼束上劃線(xiàn)，逐級(jí)測(cè)試鋼束伸長(zhǎng)量，如此反復(fù)兩次；

(5)超張拉持壓5 min，回壓到張拉值，頂塞錨固。記錄錨固前后兩端油壓表讀數(shù)、力傳感器、鋼束延伸量和錨塞外露值，千斤頂回油到零，記錄力傳感器及錨塞外露值;

(6)利用最小二乘法計(jì)算，即得到孔道摩阻力的測(cè)定值。

試驗(yàn)裝置圖見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及施工建議

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

將預(yù)應(yīng)力鋼束兩端壓力傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器的標(biāo)定曲線(xiàn)換算成對(duì)應(yīng)的荷載后，即可得到各級(jí)荷載下張拉主動(dòng)端至被動(dòng)端的鋼束沿孔道全長(zhǎng)的摩阻損失值，列表1。

表1 摩阻損失值

通過(guò)對(duì)箱梁F6束、T6束兩束金屬波紋管預(yù)應(yīng)力管道進(jìn)行孔道摩阻試驗(yàn)，得到實(shí)測(cè)的預(yù)應(yīng)力鋼束與孔道壁的摩阻系數(shù)μ=0.202 55，孔道每米局部偏差對(duì)摩擦的影響系數(shù)k=0.00 117。實(shí)測(cè)孔道摩阻系數(shù)和孔道偏差系數(shù)在規(guī)范建議取值范圍內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 張拉施工建議

后張拉預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的預(yù)應(yīng)力張拉是一道極為重要的工序，是否準(zhǔn)確將設(shè)計(jì)張拉力施加于梁體直接影響到箱梁的耐久性、安全性。在張拉時(shí)給出以下幾點(diǎn)建議。

(1)預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)和波紋管要有防雨、防潮措施，有嚴(yán)重銹蝕的不得使用，在普通鋼筋骨架成型后再鋪設(shè)波紋管，以減少對(duì)其損傷。

(2)加強(qiáng)施工中波紋管坐標(biāo)精度的檢查，將波紋管用U形定位鋼筋點(diǎn)焊在鋼筋上，確保波紋管線(xiàn)形準(zhǔn)確。

(3)施加預(yù)應(yīng)力所用的機(jī)具設(shè)備以及儀表應(yīng)定期維護(hù)和校驗(yàn)。千斤頂及其配套的油泵、油壓表一起進(jìn)行校驗(yàn)；當(dāng)千斤頂使用超過(guò)6個(gè)月或200次或在使用過(guò)程中出現(xiàn)不正常現(xiàn)象或檢修之后，應(yīng)將千斤頂重新送到法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校驗(yàn)。

(4)預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)嚴(yán)格按工藝規(guī)程要求進(jìn)行分絲、梳絲、理順排列順序，并分段綁扎牢固，避免鋼絞線(xiàn)相互扭結(jié)，使預(yù)應(yīng)力筋受力不均勻，摩阻力增大。

(5)張拉時(shí)，構(gòu)件混凝土強(qiáng)度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。張拉順序也應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

張拉作業(yè)中，不能只盯著壓力表，要注意所張拉鋼束的異常響動(dòng)。操作工人熟練和有責(zé)任心，保證加載速率、持荷時(shí)間、油表讀數(shù)以及測(cè)量值的準(zhǔn)確性，填寫(xiě)張拉記錄表。

(6) 管道壓漿前應(yīng)用壓力水沖洗管道，灌漿順序應(yīng)先下后上，直線(xiàn)孔道灌漿可以從構(gòu)件一端到另一端，曲線(xiàn)孔道應(yīng)從最低點(diǎn)開(kāi)始向兩端進(jìn)行，在最高點(diǎn)設(shè)排氣管，排氣孔一出濃漿后，加壓到0.5～0.6 MPa，持荷2 min，保證壓漿飽滿(mǎn)、密實(shí)，保護(hù)鋼絞線(xiàn)不生銹，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用年限。

4 結(jié)束語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力摩阻損失的準(zhǔn)確估計(jì)，對(duì)于連續(xù)梁懸臂施工的變形和應(yīng)力十分重要，關(guān)系到橋梁施工的順利進(jìn)行和成橋質(zhì)量。本試驗(yàn)的實(shí)測(cè)孔道摩阻系數(shù)和孔道偏差系數(shù)在規(guī)范建議設(shè)計(jì)取值范圍內(nèi)，保證了橋梁預(yù)應(yīng)力的張拉安全。

[1] 張瑞森.松花江特大橋預(yù)應(yīng)力孔道摩阻試驗(yàn)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2006,(5)：47-48

[2] 劉永前,張彥兵,王新敏.后張梁管道摩阻損失測(cè)試技術(shù)與數(shù)據(jù)處理[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2005,15(1):104-107

[3] 胡長(zhǎng)松.混凝土連續(xù)梁橋施工監(jiān)控關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010

[4] 石建林，李玉娟.淺談橋梁施工的預(yù)應(yīng)力張拉[J].科學(xué)咨詢(xún), 2011, (16):69

[5] 高朝旭.淺議后張法預(yù)應(yīng)力張拉施工中的伸長(zhǎng)量及施工控制[J].港工技術(shù)與管理，2011,(16):63

[6] 聶和軍.預(yù)應(yīng)力孔道摩阻試驗(yàn)分析探討[J].施工管理, 2013,(1):108-109