三河口大桥预应力混凝土简支梁

管道摩阻试验报告-1

兰州交通大学工程检测有限公司成都分公司

2015年2月

项目名称：三河口大桥预应力混凝土简支梁管道摩阻试验报告-1

合同编号：

报告编号：

检测日期：2015.02.27

批准：

审核：

项目负责：

报告编写：

检测人员：

检测单位：兰州交通大学工程检测有限公司成都分公司

委托单位：中铁五局西成客专(四川段)工程指挥部第二项目部

2015年2月

1. 概述

预应力结构中预应力筋的拉应力是一个不断变化的值。在预应力结构的施工及使用过程中，由于张拉工艺、材料特性以及环境条件的影响等原因，预应力筋中的拉应力是不断降低的。这种预应力筋应力的降低，即为预应力损失。满足设计需要的预应力筋中的拉应力，应是张拉控制应力扣除预应力损失后的有效预应力。因此，一方面需要预先确定预应力筋张拉时的初始应力(一般称为张拉控制应力)，另一方面需要准确估算预应力损失值。规范规定，后张法预应力混凝土构件预应力损失包括5项，其中预应力钢筋与管道之间的摩阻损失所占比例较大，为了给预应力张拉力提供可靠的科学依据。

本桥主梁纵向、竖向均设预应力。

1）纵向预应力钢绞线采用抗拉强度标准值为=1860MPa、弹性模量=195GPa，高强度低松弛钢绞线，其技术条件符合GB5224标准。

2）管道形成：纵向预应力钢束孔道采用塑料波纹管成孔，其技术条件满足《预应力混凝土桥梁用塑料波纹管》（JT/T529-2004）的标准，竖向预应力钢筋孔道采用铁皮管成孔。

3）张拉锚固体系：采用符合国家标准、经铁道部产品认证中心认可的锚具及其配套产品，并核对其尺寸是否满足设计要求。

2015年2月，受中铁五局西成客专第二项目部的委托，对西安到成都客运专线三河口大桥预应力混凝土简支梁进行了管道摩阻试验，预应力钢束由13-φj15.2预应力钢绞线组成。

2. 采用的规范

（1）《高速铁路设计规范》（试行）（TB10621-2009）；

（2）《铁路桥涵设计规范》（TB10002.1～TB10002.5-2005）；

（3）《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3-2005）；

（4）相关设计资料。

3. 检测使用的仪器及设备

管道摩阻测试在实体梁上进行，测试时采用的设备与实际施工时的设备相同。

（1）2台千斤顶、2台高压油泵，2块0.4级精密压力表。

（2）压力传感器为2台4000kN穿心式压力传感器（精度0.5%），测试仪器为INV60通道应变测试仪， 2根配套连接线缆。

（3）对中专用工装，根据现场条件确定。

（4）工具锚2套，工作锚1套，配套限位板1块。

（5）0.5mm精度钢板尺2把，记录用夹板2个，钢笔2，计算器1，记录纸若干。

4. 应力损失机理及试验原理

4.1 管道摩阻应力损失机理

预应力钢筋与管道之间的摩阻损失，出现在后张法预应力混凝土构件中。在张拉预应力筋时，由于预留管道的位置可能不顺直、管道壁粗糙等原因，使预应力筋与管道壁之间产生摩擦，故通过千斤顶对预应力筋在控制应力下进行张拉而产生的每个截面应力逐渐减小，离张拉端越远，应力减小的越快。而任何两个截面之间的应力差，在短时间内，主要就是由所造成的，可以近似的看成这两个截面之间的预应力管道摩阻损失值。

摩阻损失主要由管道的弯曲和管道的偏差两部分影响所产生的。理论上，直线管道无摩阻损失，但由于施工中管道主要由分布在一定间距上的定位钢筋来固定的，这样任何两个定位钢筋之间的管道必然会产生一定的弧度，因而直线预应力筋在张拉时实际上仍会与周围管道接触、摩擦而引起摩擦损失，此项损失被称为管道偏差影响摩擦损失(偏差系数)，其值较小。主要与预应力筋的长度、管道的施工质量以及管道的材料系数有关。弯道部分除了管道偏差影响外，还有因管道弯曲、张拉时预应力筋对管道内壁的径向垂直挤压力所引起的摩擦损失，此项损失被称为弯道影响的摩擦损失(摩阻系数)，其值较大，并随预应力筋弯曲角度之和的增加而增加。

管道摩阻常规测试方法以主被动千斤顶法为主，该方法主要存在测试不够准确和测试工艺等问题。

1，由于千斤顶内部存在摩擦阻力，虽然主被动端交替测试可消除大部分影响，但仍存在一定的影响；

2，千斤顶主动和被动张拉的油表读数是不同的，需要在测试前进行现场标定被动张拉曲线；

3，在测试工艺上，力筋从喇叭口到千斤顶张拉端的长度不足，使得力筋和喇叭口有接触，产生一定的摩擦阻力，也使得测试数据包含了该部分的影响。

为解决上述问题，保证测试数据的准确，使用压力传感器测取张拉端和被张拉端的压力，不再使用千斤顶油表读取数据的方法。为保证所测数据准确反映管道部分的摩阻影响，在传感器外采用约束垫板的测试工艺，其测试原理如图1所示。采用该试验装置，由于力传感器直接作用在工具锚或千斤顶与梁体之间，因此各种压缩变形等影响因素在张拉中予以及时补偿，同时测试的时间历程比较短，避免了收缩与徐变等问题，因而两端力的差值即为管道的摩阻损失。

4.2 管道摩阻试验原理

在预应力张拉时，距离张拉端L1处因管道摩阻而损失的力筋束内力值按下式计算：

                                （4.1）

式中：

—预应力钢筋锚下的张拉控制应力（MPa）；

θ—从张拉端至计算截面曲线管道部分切线的夹角之和（rad）；

—从张拉端至计算截面的管道长度，可近似取该管道在构件纵轴上的投影长度（m）；

μ—预应力钢束与管道壁的摩擦系数；

—管道每米局部偏差对摩擦的影响系数。

图1 管道摩阻试验示意图

4.3 参数 、分析

根据式(4.1)推导和的计算公式。设张拉端传感器测试值为，锚固端传感器测试值为，此时为管道长度l，为管道全长的总曲线包角，考虑式两边同乘以预应力钢铰线的有效面积，则可得：

                             （4.3）

对上式两边取对数得：

                    （4.4）

一般情况下，预应力施工采用一种制孔方法，这时管道质量比较均匀，可以不考虑摩阻系数和变异。由于设计和实际施工存在差异，故不可避免的产生误差，假设误差为，即：

                              （4.5）

若有n束预应力钢束，则：

                             （4.6）

利用最小二乘法原理，全部预应力钢束误差的平方和为：

                    （4.7）

欲使试验误差最小，应使

                              （4.8）

由式（3.8）对式（3.7）求导，并整理得：

                         （4.9）

式中：

—第管道对应的（）值；

—第管道对应的预应力筋空间曲线长度；

—第管道对应的预应力筋空间曲线包角（rad）；

—为实测的管道数目，且不同线形的预应力筋数目不小于2。

根据式（4.9）可求得参数μ和k。

                        （4.10）

5. 试验步骤及操作注意事项

5.1 试验步骤

（1）根据试验布置图安装传感器、锚具、锚垫板、千斤顶。

（2）锚固端千斤顶主缸进油空顶100mm（根据钢束理论伸长值确定）关闭，两端预应力钢束均匀楔紧于千斤顶上，两端装置对中。

（3）千斤顶充油，保持一定数值（约4MPa）。

（4）甲端封闭，乙端张拉。根据张拉分级表，张拉端千斤顶进油分级张拉，实验级数制定为20%，40%，60%，80%。记录乙端压力传感器的读数，甲端压力传感器的读数，如此反复进行三次，取三次测试的平均值分布记为和；

（5）仍按上述方法，但乙端封闭，甲端张拉，分级张拉至控制应力。记录甲端压力传感器的读数，乙端压力传感器的读数，如此反复进行三次，取三次测试的平均值分布记为和；

（6)将上述和进行平均记为， 和进行平均记为。则和即为该孔道的张拉端和被动端压力。

（7）张拉完后卸载至初始位置，退锚进行下一孔道钢绞线的测试。

（8）如时间允许，每个孔道测三个循环。

读取数据内容包括：张拉端与被动端压力传感器读数、张拉端油缸伸长量、被动端油缸外露量、张拉端与被动端夹片回缩量。

5.2 试验操作注意事项

（1）张拉千斤顶与压力传感器的安装顺序如图1所示，被动端（锚固端）的钢环板换成千斤顶，约束垫板换成对中套（和压力传感器配套的）或限位板。

（2）安装传感器应满足其受压面均匀受压，不得偏心或偏离，使其平面与锚垫板相接触，并与千斤顶油缸对中接触。传感器压力环与锚垫板、千斤顶、锚具之间的过渡环需要有针对性地加工制作，应尽量满足过渡环与传感器压力环接触面积大于压力环面积的2／3。

（3）被动端锚固用的千斤顶，在张拉前主缸空顶10cm关闭，以便于退锚。

（4）千斤顶安装时，要注意油缸的方向，应使油缸向外便于侧伸长值。

（5）试验前检查压力表指针是否在零读数位置。

（6）由于实际张拉为两端张拉，而试验为单端张拉，因此千斤顶行程可能不够，可采用张拉端串联两台顶。

（7）试验中应及时处理数据，发现数据反常，应查找原因，看传感器是否对中或千斤顶是否已经稳住，并应增加试验次数。每做完一束均要计算实测伸长值、理论伸长值并校核误差。

（8）钢束弯起角指其圆心角，等于弧长除以半径。

（9）测试用压力传感器安装时，应注意保护传感器上突起的转换装置，防止磕碰，同时应注意防水。

（10）初始测试时，应预拉1次对传感器做预压处理，使其处于最佳工作状态。

（11）分级测试时，应要求油泵操作人员控制好每级荷载，在压力显示值稳定后，迅速读取主、被动两端读数。

（12）1次循环完成后，应对整个测试系统进行仔细检查，包括：安装传感器位置是否偏心偏离，千斤顶油泵等是否状态良好、钢铰线是否出现问题等，之后放置约10 min，方可进行下一次测试。

（13）试验过程中，所有试验人员应注意安全，千斤顶前方及侧前方不得有人员活动。

6. 测试结果

管道摩阻试验测试数据包括每级荷载下主动端压力FZ和被动端压力FB，2个管道共计4组数据。

图2 N2a钢束第一次张拉回归曲线

图3 N2a钢束第二次张拉回归曲线

图4 N10钢束第一次张拉回归曲线

图5 N10钢束第二次张拉回归曲线

试验钢束对应的管道长度、弯道弯起角、FB/ FZ设计值和实测回归值列于表5.1。

表5.1  连续梁桥预应力管道摩阻测试结果

7. 结论

1、实测的管道摩擦系数μ值为0.251、偏差系数k值为0.00243。所得管道摩阻力占设计的锚下控制应力6.08%。设计值管道摩擦系数μ值为0.25、偏差系数k值为0.0025，管道摩阻力为锚下控制应力的6%。实测值计算比设计值大1.3%。差值在工程允许范围之类。

2、据此，由于实测值与设计值相差很小，建议在正式张拉时按设计参数进行张拉。

附：现场试验照片

图6被动端仪器的安装过程图

图7主动端仪器安装完成图

图8数据采集过程图下载本文