预应力混凝土结构管道摩阻试验研究

预应力混凝土结构管道摩阻试验研究 2011年第5期 铁道建筑 RailwayEngineering9 文章编号:1003—1995(2011)05—0009—03 预应力混凝土结构管道摩阻试验研究 黄标良 (广州铁路(集团)公司,』州510600) 摘要:详细阐述了预应力钢筋管道摩阻试验的原理及计算方法,采用最小二乘法对 试验结果进行数据处 理.继而通过在施工现场进行管道摩阻试验,得到了合理的预应力管道摩阻系数和 偏差系数.为施工 过程中合理地确定张拉力提供了依据. 关键词:预应力混凝土管道摩阻摩阻系数最小二乘法 中图分类号:U445.471文献标识码:B 1管道摩阻试验的目的 随着预应力技术的发展,后张法预应力技术在土 建工程中的应用越来越广泛,在桥梁工程中应用得更 为普遍.在后张法预应力混凝土梁的预应力损失中, 管道摩阻损失是其中的主要部分之一.近年来,随着 设计水平和施工技术的进步,桥梁结构形式日趋多样, 如曲线连续梁,异型桥梁,大跨度桥梁等,预应力筋的 线型也更加复杂,大部分为空间曲线.因而,预应力摩 阻损失的影响就更难以精确估算. 后张法进行预应力筋张拉时,预应力钢束与管道 壁接触面间产生摩擦力引起预应力损失,称为管道摩 阻损失,以表示.摩阻损失主要由于管道的弯曲和 管道的偏差两部分因素影响所产生.从理论上说,直 线管道应该没有摩擦损失,但是由于施工中管道定位 的偏差及管道不光滑等原因,预应力筋与孔壁材料之 间形成接触摩擦,称此项为管道偏差影响(长度影响) 摩擦损失,其值较小,反应在系数k上.对于弯道部 分,除了管道偏差影响之外,预加应力的预应力筋对弯 曲管道内壁产生的径向挤压力,使预应力筋与孔壁材 料之间形成挤压摩擦,一般将这部分称为弯道影响摩 擦损失,其值较大,并随预应力筋弯曲角度的增加而增 加,反应在系数上. 在预应力混凝土梁的设计及施工过程中,准确地 计算预应力筋的应力损失,并进行细致的施工控制,都 是非常重要的,而且是很必要的,它直接决定预应力筋 中的有效预应力,关系到梁体在使用阶段的质量.因 此寻求合理的摩阻系数肛和管道偏差系数k值是后张 收稿日期:2010-11-19;修回日期:2011-01-10 作者简介:黄标良(1982一),男,广东佛山人,工程师,硕士. 法预应力梁施工的关键. 为了确定预应力混凝土内预应力的摩擦损失,以往 已经进行了大量有价值的研究工作.英国水泥和混凝 土协会做了大量的试验,致力于确定摩擦系数和偏摆效 应.试验指出,和k值取决于下述多种因素:所用钢 筋的类型,是钢丝,钢绞线或是粗钢筋;表面特征,是刻 痕还是波纹,是锈蚀还是清洁,或是镀锌的;管道弯曲角 度,管道尺寸成型偏差,管壁粗糙度,管道的总尺寸及管 道超过其中钢筋的空余量,以及管道成型材料和管道成 型的顺直度.因此,施工过程中所用材料的质量及施工 质量在很大程度上影响摩阻损失的大小. 虽然规范中已经提供了摩阻系数及偏差系数的建 议值,但是因施工材料及施工工艺的差异,它们的偏差 还是较大的.因此,有必要通过现场管道摩阻试验,确 定合理的摩阻系数及管道偏差系数,以准确求得 预应力管道摩阻损失,从而为施工中更加准确地确定 张拉控制应力及钢束伸长量,充分发挥预应力钢束的 作用提供可靠的依据. 2试验方法 本次管道摩阻损失测试在常规测试方法上做出一 定的改进,即采用穿心式电子压力传感器测取张拉端 图1管道摩阻试验布置 l0铁道建筑 和被张拉端的压力方法,代替千斤顶油压表读取数据 的方法,在传感器外使用约束垫板,取得了良好的效 果.测试布置如图1所示. 3管道摩阻损失试验中,k的计算方法 由《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设 计规范》(TBIO002.3—2005)可知,孔道摩阻预应力损 失的计算公式如下 fl= … (1一e一'"h)(1) 式中…——预应力筋锚下控制张拉应力; —— 预应力筋与孔壁的摩擦系数; —— 若管道只是平面曲线,则是从张拉端至计 算截面部分的夹角之和;若管道为三维曲 线,一般指包括竖弯曲线和平弯曲线,则 可按0=?臼+计算,其中:0,0分 别为该段内的水平夹角和竖向夹角,以 rad(弧度)计; j}——每米孑L道对其设计位置的偏差系数; —— 从张拉端至计算截面的孔道长度,一般可 取该段孔道在构件轴线上的投影长度. 在距离张拉端In处的钢束内力 F=F…e一'.(2) 其中F——计算截面的钢束拉力; F… —— 张拉端控制张拉力. 对式(2)两边取对数,可得 ln()=k(3) 令Y=In(F…/F),则 Y=+(4) 在施工现场,管道成型方法和材料一般是相同的, 管道成型质量比较均匀,计算时可以忽略摩阻系数 与偏差系数k的变异性.利用最小二乘法原理,令 A=??(+kx一Yi)(5) 要使式(5)得最小值,必须满足下列条件 警:0;等:0(6) 且: 』会=毫十j}—l,7 【OA=塞(+一y 整理式(7),可得 f?+k?X,i0.一?Yi0=0J 一(8) 【?xi0.+?一?Y=0 式中Y——第i管道对应的ln(F…/F)值; Xi——第i管道对应的管道长度; —— 第i管道对应的管道曲线包角; n——参与计算管道数目. 将实测数据代入式(8)中,解方程就可求得和k 的数值,当然,参与计算的管道数目不得低于2个. 4实测结果与分析 本次试验对客运专线32Ill组合箱梁进行管道摩 阻损失测试.该试验梁全长32.6m,计算跨径31.5 m,预应力钢绞线采用I×7—15.2一I860一GB/ T5524--2003,钢绞线强度等级为1860MPa,设计锚外 控制张拉力F…分别为1687.39kN和2249.86kN.梁 体共有15个预应力管道,管道采用橡胶抽拔管成孔, 穿束采用人工喂推作业,其中7个预应力管道为9根 预应力钢绞线,另外8个管道为12根预应力钢绞线, 梁端横截面管道布置图如图2所示(其中.表示9— 76s,?表示12—765). 1dI11dl 图2支点截面管道布置(单位:mm) l N6N5l u—耳— |N2\N1a2N1b2N1C 图3管道纵向立面布置 跨 中 对 称 线 2011年第5期预应力混凝土结构管道摩阻试验研究 本次试验选取4个管道,分别为图2中2个直线 管道N1e(12—7+5),左边曲线管道N3(9—7+5)和右 边曲线管道N5(9—7th5),各个管道顺桥向布置如图3 所示. 试验管道的相应参数见表l. 表1管道的相应参数 通过测试得到的管道摩阻损失率平均值见表2. 表2管道摩阻损失率及y值 根据表1及表2的数据,采用二元线性回归与数 值平均方法可计算得到管道的参数测试结果:= 0.4666,k=0.0024.在正常情况下,管道摩擦系数比 较稳定,管道偏差系数因受施工水平的影响波动较大. 施工过程中,预应力的张拉方式一般采用两端同 时张拉,根据规范中的取值=0.55,k=0.0015,以及 肛,k的实测值分别计算摩阻损失对张拉控制应力的影 响,计算结果如表3所示. 表3不同摩阻系数结果对比 注:摩阻系数为1一e". 摩阻系数的规范计算值与实测计算值的对应值见 图4. 从表3,图4可知,直线型预应力筋的实测值与规 0.10 0.O9 0.O8 O.07 籁O.06 訾o.05 登O.04 0.03 0.O2 O.0l O l }l 哭aL| ,i _J/,规范值 --,,r Nlc左Nlc右N3左N5左 钢束编号 图4摩阻系数的规范值与实测值对比 范值之间的误差相对较大,而曲线型预应力筋的实测 值与规范值则比较接近.由试验数据可知:管道摩阻 损失受材料性能,施工工艺等多方面因素的影响较大, 而规范值对于一般工程具备良好的指导性. 5小结 由试验结果可知,本次管道摩阻试验是成功的,测 试原理简明,测试工艺简单方便,利用最小二乘法原理 对数据进行处理,数据准确可靠.比较真实地反映了 该片梁的管道摩阻损失,为现场预应力筋的张拉提供 了重要的依据,保证了施工质量. 对于后张法预应力混凝土梁,施工过程中要重视 管道的定位及固定,在浇筑梁体混凝土过程中,尽量避 免扰动预埋管道,特别是长预应力束管道;如果在施工 过程中产生较大的误差,将影响预应力管道的平顺,进 而对摩阻损失会产生很大的影响. 对于重点工程和复杂桥式的后张法预应力梁,特 别是含长预应力筋和空间曲线预应力筋的梁,应该尽 量进行现场的管道摩阻试验,确定准确的,k值,并根 据实际情况对锚下控制应力进行调整. 摩阻系数很大程度上取决于施工质量.在施工现 场,可以通过超张拉和两端张拉来减小摩阻损失的影 响.当摩阻损失不太大时,一般是使超张力等于最大 摩阻损失,应以计算摩阻损失对应的钢丝伸长量作为 超张拉时的校核.为了克服摩阻所需要的超张拉量, 并不需要和为了克服锚具损失或尽量减小钢丝徐变所 需要的超张拉量累积在一起. 由两端张拉,当然是降低摩擦损失的另一种手段, 这样,曲线的切线夹角0以及管道计算长度即可减 少一半.当预力筋较长或当弯曲角度较大时常常要凭 借这一方法.对于简支梁,控制点是在它的跨中处,由 两端张拉不会明显地影响跨中的控制预应力,虽然它 会较多地改变梁的挠度. 参考文献 [1]李国平.桥梁预应力混凝土技术及设计原理[M].北京:人 民交通出版社,2004. [2]林同炎,BURNSN.预应力混凝土结构设计(第三版)[M]. 路湛沁,黄棠,译.北京:中国铁道出版社,1983. [3]中华人民共和国铁道部.TB10002.3—2005铁路桥涵钢筋 混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京:中国铁道出版 社.2005. [4]贺拴海.桥梁结构理论与计算方法[M].北京:人民交通出 版社,2003. [5]金秀梅,彭彦彬,杜彦良.大型预应力混凝土结构预应力筋 应力测试技术研究[J].铁道建筑,2008(9):9—11. (责任审编孟庆伶)