某橋預應力孔道摩阻試驗方案研究

喬為國 曲慧明 馬悅

重慶市設計院有限公司 重慶 400015

1 工程概況

某長江大橋系在原橋上游平行新建一座橋梁。橋梁結構體系采用長聯大跨徑鋼混組合式剛構-連續組合梁橋。橋跨布置為：4×138+ 330+ 138米，橋梁總長1120米，單向四車道，橋面寬19米。其中，1號、2號墩為墩梁分離（簡單支承），3號、4號、5號、7號墩為墩梁固結[1]。

2 研究目的、意義

由于懸臂長、工期緊等因素，設計方采用了諸多技術措施來保證大橋的安全實施，其中包括：大節段、大噸位預應力筋。但是作為新型成孔材料與施工工藝，關于預應力筋摩阻損失可參考資料不多。同時，本橋預應力筋多為超長索，而且彎曲多、彎曲半徑小、彎曲角度較大，在兩端張拉時，其中段的有效預應力損失很大。這種預應力的損失往往不容易準確地計算出來，因而其在張拉控制應力作用下的伸長值也無法準確計算。在連續剛構梁懸臂施工過程中，預應力孔道埋設的實際位置不可避免與設計存在誤差，導致預應力損失量有所不同。這時，設計伸長值若按照以往經驗計算是不能真實反映實際施工情況的。因此，測量預應力筋的摩阻力，是確保施工質量的有效措施。同時也為今后的設計、科研積累科學數據。

該項目的試驗研究直接指導橋梁預應力施工，它不僅為橋梁安全、順利實施提供重要的技術保證，同時也為其他大跨度的懸臂施工梁橋的實施提供重要的技術參考[2]。

3 主要研究內容

（1）直線形預應力索孔道摩阻系數μ和孔道偏差系數k試驗研究。

（2）豎彎形預應力索孔道摩阻系數μ和孔道偏差系數k試驗研究。

4 實施方案、試驗方法、數據分析

4.1 試驗對象選取及測點布置

直線形預應力索選取為下游側3T41（3T41 鋼束規格：21φj15.24，單束長13350.4cm，張拉伸長量：開始端451.1mm，結束端476.8mm，張拉力：4101.3KN）。豎彎形預應力選取為下游側3T14（3T14 鋼束規格：21φj15.24，單束長13364.8cm，張拉伸長量：開始端639.9mm，結束端222.8mm，張拉力：4101.3KN）。被測預應力束長度按設計下料長度選取。

一般測試方法是壓力片直接貼在鋼絞線上，測試數據較為準確，但是貼片操作難度大、鋼絞線中部須開孔，而且張拉過程中因鋼絞線扭動，壓力片損壞的概率較大，測量數據不穩定。測點布置綜合考慮了試驗數據的完整性、施工現場的可操作性，同時盡量避免箱梁表面開孔對結構受力的影響，確保試驗數據準確、可靠。參考已有預應力摩阻損失試驗方案，根據本橋參建各方意見，最后決定采用主動及被動千斤頂相結合的試驗方案。主要過程為：首先標定千斤頂及配套電動油泵儀表，提高讀數精度。試驗時在預應力束張拉端及錨固端安裝千斤頂。然后啟動張拉端千斤頂，根據試驗工況分級加載，記錄試驗數據，再進行卸載，調換張拉端及錨固端位置，重新進行分級張拉，記錄試驗數據。試驗設備布置，詳見圖1。先進行頂板束（3T41）孔道摩阻力測試，按θ=θ1時求得k值；再進行與頂板束（3T41）孔道同樣工藝及施工條件帶有曲線的有豎彎束（3T14）孔道的摩阻力試驗[3]。

圖1 管道摩阻試驗方法

4.2 試驗方法

預應力束的兩端，以下簡述為A端和B端。

此試驗擬做以下工況測試：

（1）錨固B端，張拉A端；

（2）錨固A端，張拉B端；

為保證測試數據的可靠性，以上每個工況至少重復一次。

每個測試工況，按以下步驟進行：

（1）預應力束初張拉至10%δk，持荷3～5min，讀取、記錄電動油泵儀表數據，測試、記錄鋼絞線伸長量；

（2）張拉至30%δk，持荷3～5min，讀取、記錄電動油泵儀表數據，測試、記錄鋼絞線伸長量；

（3）張拉至50%δk，持荷3～5min，讀取、記錄電動油泵儀表數據，測試、記錄鋼絞線伸長量；

（4）張拉至70%δk，持荷3～5min，讀取、記錄電動油泵儀表數據，測試、記錄鋼絞線伸長量；

（5）張拉至80%δk，持荷3～5min，讀取、記錄電動油泵儀表數據，測試、記錄鋼絞線伸長量。

要求：張拉設備完好并經過檢校，能穩定保持張拉力。

4.3 試驗結果及數據分析

后張法預應力混凝土結構中管道摩擦阻力估算的準確程度直接影響結構的使用安全，而施工質量的優劣往往會影響管道摩阻的大小。為確保橋梁質量，于2月20日至22日對3號墩3T41、3T14兩束平彎束和豎彎束分別進行了管道摩阻測試，預應力鋼絞線束由21φj15.24預應力鋼絞線組成。

試驗時采用的張拉設備與實際施工時相同，試驗前張拉設備須經過校正。由于管道長度達132m左右，應該采用兩端張拉的方法，但是為了試驗的要求，準確測出預應力中摩擦阻力的損失值，所以試驗中采用單端張拉的方法。在主動端把兩臺千斤頂串聯使用，以滿足張拉時過大的伸長量的要求，但實際試驗過程采用一臺千斤頂張拉，張拉至最大行程后回油，同時記下夾片回縮量，繼續張拉。

管道摩阻力由管道曲率效應和偏差效應兩部分組成，管道摩阻可按下面的理論計算公式計算：

式中：P1、P2—分別為張拉端和固定端管道口鋼絞線束拉力；

L、θ—分別為管道總長度(m)和管道總彎起角(rad)；

K、μ—分別為管道偏差系數和鋼絞線束與管道壁之間摩擦系數。

P1、P2可由壓力表測出，L、θ按設計值取用，因此按二元線性回歸即可求得K和μ，兩束管道長度、管道彎起角、P2/P1設計值和實測回歸P2/P1列表1。按照規范管道摩阻系數μ取為0.25，局部偏差系數K為0.0015。

表1 預應力管道的主要參數和摩擦阻力試驗結果（此計算中，彎起角θ只是端頭夾角）

第一次：

解得，K=0 .000945，μ=0 .095594

第二次：

解得，K=0.001235，μ=0.056794

空間包角綜合法（管道長度投影法（近似計算法））：

表2

按照上面公式求得：

第一次：μ1=0.109972 K1=0.002178

第二次：μ2=0.065523 K2=0.0028448

空間包角求和法（管道長度投影法（近似計算法））：

表3

按照上面公式計算求得：

第一次：μ1=0.101342 K1=0.002196

第二次：μ2=0.060382 K2=0.002283

另一種計算方法：

（1）對于3T41，由于此剛束累計彎起角僅為16度，可假定μ值為零，

即：P2=P1×e-KL

經計算得，K1=0.002411，K2=0.002984，平均值為0.0026975

（2）對于3 T 1 4，由預應力束3 T 4 1計算可假定K=0.0026975，代入公式：

求得，μ1=0.06344 μ1=0.07872，平均值為0.07108（偏小的是因為P2/P1實測值比設計值大）

如采取K=0.0015，則μ1=0.159700 μ1=0.173996，平均值為0.166848

5 結束語

通過等比例模型試驗測量預應力筋的摩阻力，可以確保預應力施工質量，同時也為同類型預應力索的設計、科學研究積累實驗數據。通過本次試驗研究直接指導現場橋梁的預應力張拉施工，它不僅為橋梁安全、順利實施提供重要的技術保證，同時也為其他大跨度的懸臂施工梁橋的實施提供重要的技術參考。