單端張拉條件下預應力孔道摩阻損失測試研究

2016-07-27 03:17:25曲海軍

四川建筑 2016年2期

曲海軍

(中鐵十二局第七工程有限公司，湖南長沙 410000)

曲海軍

(中鐵十二局第七工程有限公司，湖南長沙 410000)

【摘要】預應力孔道摩阻損失系數(shù)的準確估計是后張預應力混凝土構(gòu)件張拉力設計的基礎，其取值是否合理不僅會影響結(jié)構(gòu)的正常使用功能及耐久性，甚至影響結(jié)構(gòu)的安全。目前規(guī)范給出的測試方法只有在具備兩端張拉的條件下才適用，為此文章提出了利用單端張拉力和伸長量求解孔道摩阻損失系數(shù)的測試方法，并進行了工程實例驗證，可為同類工程提供參考。

【關鍵詞】后張法；預應力；摩阻損失；測試

后張法預應力摩阻損失包括孔道摩阻損失、喇叭口和錨口圈摩阻損失3部分，是后張預應力混凝土梁的預應力損失的主要部分之一[1]。高速鐵路橋梁多采用預應力混凝土梁結(jié)構(gòu)，由于行車速度快，對軌道平順度要求極高，如果預應力摩阻損失計算取值不準確，不可避免地影響梁體后期徐變變形預測的準確性，導致軌道的豎向平順度超過規(guī)范要求，不僅給后期的維護帶來困難，甚至影響行車安全。

預應力摩阻損失不僅與孔道材料性質(zhì)、預應力鋼絞線種類及錨具類型有關，而且與施工水平、張拉工藝及環(huán)境等因素密切相關[2-5]。為確保預應力的準確施加，避免梁體后期發(fā)生不可預見的變形，確保承載力滿足設計需求，需要對同一工地同一施工條件下的預應力摩阻相關系數(shù)進行實際測定，從而為控制錨下張拉力和預拱度設定提供可靠依據(jù)。目前規(guī)范給定的后張法預應力孔道摩阻損失的測試方法只適合兩端張拉情況[6]，但實際過程中經(jīng)常需要對單端張拉條件下的預應力進行孔道摩阻損失測試。為此本文提出了單端張拉預應力摩阻損失測試方法，推導了相應的計算過程，并進行了實際工程驗證。

1預應力摩阻損失測試

后張法預應力結(jié)構(gòu)在進行預應力張拉時由于預應力筋與孔道壁接觸并沿孔道滑動而產(chǎn)生摩擦阻力。孔道摩阻損失可分為孔道彎曲影響和孔道偏差影響兩部分，分別用孔道摩阻系數(shù)μ和孔道偏差系數(shù)k表示。目前測試孔道摩阻損失系數(shù)的方法有應變分布法和拉力比法等。

1.1常規(guī)測試方法及優(yōu)缺點

(1)應變分布法：即沿預應力筋長度方向不同位置粘貼應變片，并通過錨具預留出的孔眼將測試導線引出(圖1)，通過測試預應力筋沿長度方向應變的變化情況，求得預應力孔道摩阻損失系數(shù)。該測試方法的優(yōu)點是精度較高，測試誤差不會在求解過程中被放大，可以在單端張拉的條件下進行摩阻損失參數(shù)測試；缺點是測試過程繁瑣，費用高，速度慢，對鋼絞線有一定的損傷，一般多用于理論研究，不適合工程生產(chǎn)測試。

(2)拉力比法測試預應力孔道摩阻系數(shù)，一端作為主動端進行張拉，另一端作為被動端，通過測試兩端拉力比的方式來求得孔道摩阻系數(shù)(圖2)。該方法的優(yōu)點是測試過程簡單，速度快，費用低，適合工程生產(chǎn)測試；但該測試方法在單端張拉的情況下不適用，而且測試誤差在求解過程中會被放大。

圖1　應變分布法測試圖

圖2　拉力比法測試原理

1.2單端張拉P-△測試法

根據(jù)相關規(guī)范，考慮孔道摩擦損失后預應力筋任意位置處的實際拉力為：

(1)

式中:Px為計算截面處預應力筋的實際拉力(kN)；Pcon為張拉端錨下控制張拉力(kN)；μ為預應力筋與孔道之間的摩擦系數(shù)；θ為預應力筋曲線段孔道彎折夾角(rad)；k為預應力孔道偏差系數(shù)；x為從張拉端至計算截面的預應力孔道長度(m)。

根據(jù)式(1)，由彈性變形理論得鋼絞線微段dx的伸長量為：

(2)

式中：Δ為從張拉端至x長度范圍的總伸長量，則d(Δ)為對應微段dx上的伸長量；E為為鋼絞線的彈性模量；A為為鋼絞線的面積。

將式(2)在鋼絞線長度范圍內(nèi)積分即可得到鋼絞線的總伸長量:

(3)

采用P-△法測試預應力孔道摩阻損失參數(shù)的測試方法為通過測試鋼束張拉力Pcon和對應的鋼束伸長量△，經(jīng)過相關計算求得孔道摩阻系數(shù)μ及孔道偏差系數(shù)k，具體計算原理及方法如下。

根據(jù)式(3)可知，在鋼絞線彎折角度θ、長度l和張拉端錨下控制張拉力Pcon一定的情況下，鋼絞線的伸長量為μ和k的函數(shù)，由多元函數(shù)微分疊加原理有:

(4)

式(4)為dμ和dk的方程組。取設計值μd和kd為初始值，即μ(0)=μd，k(0)=kd，則，d(Δli(0) = |Δlic-Δli (μ(0),k(0))|,代入式(4)求出dμ(1)和dk(1)，進而得μ(1)=μ(0)+dμ(1)，k(1)=k(0)+dk(1)，d(Δli(1) =|Δlic-Δli (μ(1),k(1))|。循環(huán)迭代，直至收斂到理想結(jié)果。實際過程中可以對所測試鋼絞線的P、△進行兩兩組合，分別求出孔道摩阻系數(shù)μ及孔道偏差系數(shù)k，然后取平均值作為測試結(jié)果。

1.3測試實例

某城際鐵路32m支架現(xiàn)澆箱梁的預應力管道采用金屬波紋管成型管道形式，鋼束與管道壁之間的摩阻系數(shù)規(guī)范值為μ=0.23，偏差系數(shù)k=0.0025，選擇N1a、N1b、N3和N5束進行了管道摩阻測試。箱梁的管道摩阻測試基本數(shù)據(jù)見表1，管道摩阻測試數(shù)據(jù)分析見表2。

計算得該32m支架現(xiàn)澆單線簡支箱梁管道摩阻系數(shù)μ=0.21，k=0.0030。

2結(jié)論與建議

(1)應變分布法的測試精度較高，可以適用于單端張拉的條件；但測試過程繁瑣，費用高，速度慢，對鋼絞線有一定的損傷，不適合工程生產(chǎn)測試。

(2)拉力比法的測試過程簡單，速度快，費用低，適合工程生產(chǎn)測試；但該測試方法在單端張拉的情況下不適應，而且測試誤差在求解過程中會被放大。

(3)單端張拉P-△測試法不僅測試過程簡單，速度快，費用低，而且在單端張拉的情況下也適用。