基于摩阻試驗的應力損失與伸長量的關系分析

趙 俊 茗

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

1 概述

在大跨度橋梁施工中，預應力張拉是后張法施工極為重要的一道工序，而預應力管道的布置形狀、施工質量等因素又對預應力有不可忽視的影響。對于預應力損失的錯誤估計將會直接導致連續梁橋應力儲備不足，進而導致梁體跨中下撓、腹板開裂[1]。諸多學者也對此進行了研究，劉振之[2]的研究表明長孔道摩阻試驗中張拉力傳遞到被動端的速度慢于短孔道，員寶珊等[3]對56 m預應力連續箱梁的管道摩阻試驗表明施工中使用塑料波紋管可以有效減小管道摩阻損失；王向陽等[4]的研究表明彎曲較大的梁結構摩阻損失率往往較高；張開銀等[5]對預應力梁橋彎曲孔道預應力損失表明縱向張拉力作用下預應力束接觸位置相對改變而引起預應力彎曲孔道摩阻損失增加現象。混凝土連續梁橋的預應力損失計算直接關系到成橋后的線形與受力情況，本文通過對32 m簡支梁橋的摩阻試驗，驗證了孔道摩阻損失、孔道偏差系數和孔道摩阻系數等，研究了加載等級、孔道長度、彎起角度等與預應力損失之間的關系，對于預應力混凝土連續梁橋結構的設計施工有一定的參考意義。

2 摩阻試驗

2.1 試驗背景

衢寧鐵路某特大橋，橋長877.86 m，梁跨布置形式為：11-32 m+2-24 m+1-32 m簡支T梁+(65+110+65)m連續梁+4-32 m+2-24 m簡支T梁。縱向預應力筋采用抗拉強度標準值為1 860 MPa、彈性模量為195 GPa，公稱直徑為15.2 mm高強度鋼絞線，縱向預應力管道形成采用金屬波紋管成孔。縱向預應力管道摩阻按圓形鍍鋅金屬波紋管成孔計算，設計管道摩擦系數取0.24，管道偏差系數取0.002 8。根據此特大橋預應力鋼絞線現場施工和實際布置情況，選取腹板某束(T)和底板某束(M)兩束縱向預應力筋，分別進行管道摩阻測試(見圖1)。

2.2 試驗方法

1)張拉控制時的兩端分別為主動端和被動端。主動端先安裝約束圈，然后依次安裝工作錨、工作夾片、限位板、測力傳感器、千斤頂、工具錨、工具夾片；被動端直接安裝測力傳感器，然后依次安裝千斤頂、工具錨、工具夾片。張拉測試時，被動端由于沒有受到約束圈的約束，鋼絞線與管道發生摩擦，產生阻力。

2)管道摩阻測試采用一端張拉，從20%的張拉控制力開始，分級張拉20%,40%,60%,80%的設計張拉力。標準試件的一端為主動端時測試兩次，然后對調主被動端，再測試兩次，取平均值。鋼束伸長量通過鋼板尺測量張拉端油缸長度并減掉夾片回縮量來獲取。表1為本次試驗中加載等級與相關試驗參數。

表1 加載等級

3 試驗結果及分析

表2 孔道摩阻試驗結果

表2是兩次試驗過程中不同加載等級下張拉力損失率試驗結果。圖2是摩阻損失隨加載等級的變化。對表2和圖2進行分析可知：隨著加載等級的增大，孔道摩阻損失率呈逐漸減小的趨勢。對T孔道而言，初始張拉時損失率能夠達到20%以上，在第四級張拉時，則減小到16%左右，M孔道與之類似。此外，還可以看出：孔道M與孔道T相比，張拉力損失率更大一些。孔道M的張拉力損失率普遍在30%以上，而孔道T則在15%～23%之間。M孔道與T孔道相比，孔道長度和彎起角度更大。這說明孔道長度與彎起角度對預應力損失有一定的影響，具體表現為孔道越長，彎起角度越大，預應力損失越大。

根據表2，對每級荷載的主動端讀數、被動端讀數進行線性回歸分析，用最小二乘法原理，代入表2的試驗數據，計算得到孔道偏差系數k為0.002 6，孔道摩阻系數μ為0.228，在設計中k為0.002 8，μ為0.24，滿足設計要求。同時，根據《鐵路橋涵設計基本規范》[6]，k位于0.002～0.003區間之內，μ位于0.2～0.26區間之內，滿足規范要求。

4 應力損失與伸長量的關系

圖3是T孔道和M孔道伸長量的試驗結果。從圖中可以看出：各孔道預應力鋼束的試驗實測伸長量與理論伸長量變化規律一致，都是隨加載等級的增加而逐漸遞增的變化規律，各級的增加量比較接近，前兩個加載等級的增加量略大，而后兩個加載等級的增加量略小。這主要是因為鋼束在前兩個加載等級的張拉力范圍內處于初張拉狀態，鋼束的伸長隨張拉力的變化是一種線性增長的趨勢。從圖中還可以看出，T孔道與M孔道的伸長量隨加載等級的變化差距并不大，最大僅為10.2%。這說明彎起角度和孔道長度對伸長量的影響不大。

圖4是應力損失隨加載等級的變化。從中可以看出：孔道的應力損失隨加載等級的增大呈線性增大的趨勢。這說明在加載張拉過程中，鋼束基本處于線性狀態，并未有應力疲勞的現象產生。同時，T孔道的應力損失要多于M孔道也說明彎起角度和孔道長度對鋼束應力損失的影響較大，這與前面的伸長量不同。預應力孔道線性往往有直線形和曲線形兩種，由于孔道的制作偏差、孔壁粗糙度等原因，張拉預應力筋時，力筋與孔壁發生接觸摩擦。孔道的長度越大，彎起角度越大，摩擦阻力累積越多，應力損失越大。

圖5是伸長量與應力損失之間的關系。從中可以看出：應力損失隨著伸長量的增加逐漸增大。這是因為隨著加載等級的增大，伸長量逐漸變大，應力損失也逐漸變大，于是有應力損失與伸長量之間互為正相關關系。但從圖5中也可以看出，伸長量與應力損失之間的這種正相關關系并非線性的。同時，T孔道的應力損失隨伸長量的變化趨勢較M孔道更大。這說明應力損失、伸長量隨加載等級的變化與孔道的彎起角度、孔道長度等因素有關。依據前文的分析可知，M孔道的伸長量隨加載等級與變化與T孔道相差不大，但應力損失隨加載等級的變化則相差較大，于是造成了M孔道的應力損失隨伸長量的變化趨勢更大。

5 結語

1)通過對預應力橋梁的摩阻試驗，結果表明該橋梁結構的摩阻損失、孔道偏差系數和孔道摩阻系數等均滿足設計、規范要求，說明該試驗梁體施工水平較高，孔道成孔質量好。2)孔道長度和彎起角度對鋼束伸長量和應力損失都有一定程度的影響。不同的是孔道長度和彎起角度對應力損失影響較大，而對鋼束伸長量的影響較小，但都表現為孔道越長，彎起角度越大，應力損失、伸長量都越大。3)由于伸長量和應力損失隨加載等級的變化程度有所不同，所以鋼束伸長量與應力損失之間為非線性的正相關關系。

[1] 郭振武,彭楠楠.預應力混凝土箱梁孔道摩阻損失測試[J].公路,2010(12):60-67.

[2] 劉振之.預應力長孔道摩阻試驗研究[J].中外公路,2016(3):207-211.

[3] 員寶珊,李登科,孫帥峰.烏準鐵路56 m預應力連續箱梁管道摩阻試驗研究[J].鐵道建筑,2017(7):32-34.

[4] 王向陽,呂 攀,王 杰.橋梁結構預應力損失試驗研究[J].公路,2015(6):88-93.

[5] 張開銀,黎 晨,成 琛,等.PC連續梁橋彎曲孔道摩阻損失[J].土木工程與管理學報,2011,28(4):6-11.

[6] TB 10002—2017，鐵路橋涵設計基本規范[S].