高速鐵路雙洋大橋預應力孔道摩阻試驗研究

張經(jīng)緯 汪 峰 王 宇

(三峽大學 土木與建筑學院， 湖北 宜昌 443002)

高速鐵路雙洋大橋預應力孔道摩阻試驗研究

張經(jīng)緯 汪 峰 王 宇

(三峽大學 土木與建筑學院， 湖北 宜昌 443002)

雙洋大橋是大跨度鐵路連續(xù)箱梁橋，孔道摩阻系數(shù)的確定是其施工控制中的關(guān)鍵問題，會影響控制張拉力的準確施加．目前橋梁設(shè)計規(guī)范雖給出了孔道摩阻和偏差系數(shù)的取值范圍，但是預應力孔道摩阻影響因素復雜，需要通過現(xiàn)場摩阻試驗才能確定．選擇主橋5號墩頂1號塊直筋和彎筋2種典型測試鋼束，通過在墊板和限位板之間設(shè)置高精度穿心式壓力傳感器，千斤頂后工具錨設(shè)置夾片的安裝方法，開展了雙洋大橋孔道摩阻試驗研究，并采用最小二乘法計算了預應力束孔道摩阻系數(shù)．試驗表明：該橋孔道摩阻系數(shù)μ為0.232，孔道偏差系數(shù)k為0.002 6，均大于設(shè)計推薦值；彎曲型預應力鋼束摩阻偏差大于直線型鋼束，且鋼束長度越大，偏差值越大，孔道摩阻損失不容忽視．

連續(xù)梁橋； 最小二乘法； 孔道摩阻系數(shù)； 偏差系數(shù)

大跨度連續(xù)箱梁橋具有整體性好，剛度大，橋面伸縮縫少等特點，是高速鐵路跨越河流、溝谷的重要橋型之一．但連續(xù)梁體抗裂性能和變形能力受制于預應力的準確施加[1-2]，而孔道摩阻和偏差系數(shù)的確定是預應力張拉的關(guān)鍵問題[3]．目前我國鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范雖給出了孔道摩阻和偏差系數(shù)的取值范圍，但在實際連續(xù)梁橋建設(shè)過程中影響因素復雜多變，如施工荷載、材料特性、加工安裝等因素都會導致孔道彎曲和位置偏差，改變了預期的預應力大小．因此，開展現(xiàn)場孔道摩阻試驗，修正預應力張拉設(shè)計值十分重要．

針對孔道摩阻系數(shù)問題，國內(nèi)外學者進行了大量的研究．文獻[4]針對摩阻試驗問題，改進了管道摩阻損失的測試方法；使得管道摩阻測試更加合理準確；文獻[5]對大跨度預應力混凝土梁橋的預應力損失和敏感性進行了研究；文獻[6]提出了在確定k值的前提下，利用預應力束伸長量推算預應力損失的方法；文獻[7]多方面剖析了預應力混凝土后張梁生產(chǎn)過程中常見預應力損失產(chǎn)生的根源及其危害，發(fā)現(xiàn)喇叭口進漿，錨穴角度偏差產(chǎn)生的折角摩阻及張拉刮牙、纏繞穿錯孔眼所造成的預應力不可忽視；文獻[8]對32 m箱梁預應力孔道摩阻試驗進行了研究．

上述研究表明，連續(xù)梁橋因其跨度和結(jié)構(gòu)的不同，其孔道摩阻系數(shù)并不完全相同．現(xiàn)場測試的摩阻系數(shù)與設(shè)計值往往存在一定的偏差，跨度越大，這種偏差越不能被忽視．本文以雙洋大橋為工程背景，選取主橋5號墩1號塊2根預應力孔道，開展孔道摩阻試驗，計算了孔道摩阻系數(shù)μ和孔道偏差系數(shù)k，為橋梁的后期主梁懸臂澆筑和預應力的張拉修正提供實測依據(jù)．

1 工程概況

南龍客運專線雙洋大橋位于福建省漳平市雙洋鎮(zhèn)境內(nèi)，是南龍鐵路的節(jié)點工程．主橋為三跨(40.6+64+40.6)m預應力混凝土連續(xù)箱梁橋，橫跨雙洋溪和S208省道，采用三角掛籃懸臂施工．主墩頂3.0 m范圍內(nèi)梁高5.2 m，跨中及現(xiàn)澆段梁高2.8 m，箱梁底板下緣按二次拋物線變化．箱梁頂寬12.5 m，主墩處梁底寬6.352 m，單側(cè)懸臂長3.05 m，懸臂端部厚20 cm，懸臂根部厚60 cm．箱梁腹板變厚度，主墩處腹板厚110 cm，跨中及邊墩支點附近變成50 cm；底板也是變厚度，主墩根部處厚100 cm，跨中變至44 cm，而邊跨直線段底板厚60 cm；頂板在主墩根部厚69 cm，中跨處頂板厚43 cm，邊墩處59 cm．頂板和底板都設(shè)有50 cm×25 cm的倒角，箱梁在主墩及邊墩頂設(shè)置橫隔墻，主墩墩頂隔墻厚200 cm．隔墻設(shè)過人洞，供檢查人員通過．雙洋大橋箱梁截面構(gòu)造圖如圖2所示．

圖1 雙洋大橋橋跨立面布置圖(單位：m)

圖2 箱梁截面標準圖(單位：cm)

2 孔道摩阻試驗

大跨度連續(xù)箱梁橋的摩阻損失主要是預應力筋張拉時，鋼束與預留孔道壁之間存在接觸，對孔道施加正壓力而引起摩擦損失．研究表明，摩阻損失值隨著鋼束長度和彎曲角總和而增加，此時摩阻力較大．另外，孔道預留位置與設(shè)計值的偏差會導致預應力筋和孔道接觸面增大，也會引起摩阻力．因此，大跨度預應力連續(xù)梁橋需要進行現(xiàn)場的預應力孔道摩阻試驗，以便確定后期的預應力張拉，保證施工質(zhì)量．

2.1 鋼束選擇

雙洋大橋箱梁預應力鋼束共233根，為了摩阻試驗值具有代表性，又不延誤下階段梁的預應力張拉，鋼束選擇十分重要．如果選擇的鋼束長度過短，試驗獲得的孔道摩阻損失偏小，不具備代表性；鋼束長度過長，由于采用單端張拉，則鋼束伸長量過大，常用的千斤頂行程不能滿足要求，試驗難度增加．因此，結(jié)合雙洋大橋?qū)嶋H情況，選取5號主墩1號塊頂板束T2和腹板束M2，分別進行孔道摩阻試驗，鋼束位置如圖3所示，鋼束參數(shù)見表1．

圖3 孔道位置示意圖(單位：cm)

編號規(guī)格根數(shù)控制張拉力/kN管道長度L/cm管道曲線角θ/°管道曲線角θ/rad位置T212-φj15.2422100140000頂板M212-φj15.24221501446230.40腹板

2.2 試驗過程

1)根據(jù)如圖4所示摩阻試驗布置，安裝錨墊板、傳感器、限位板、千斤頂、工作錨．

2)為減小退錨難度，在張拉前將錨固端千斤頂油缸空載頂出10 cm，然后安裝夾片，張拉完成后，錨固端千斤頂回油，減小退錨時鋼絞線的預應力．

3)梁兩端轉(zhuǎn)千斤頂后同時充油，并保持一定數(shù)值(約4 MPa)．

4)腹板束M2龍巖端封閉，南平端張拉．根據(jù)張拉分級表，張拉端千斤頂進油分級張拉，20%-40%-60%-80%-100%(430 kN-860 kN-1 290 kN-1 720 kN-2 150 kN)，為了盡量減少試驗誤差，第2次和第1次一樣，但南平端封閉，龍巖端張拉．第3次龍巖封閉，南平端張拉．

5)頂板束T2仍按上述方法，分級張拉至控制應力，第一次按20%-40%-60%-80%-100%(420 kN-840 kN-1 260 kN-1 680 kN-2 100 kN)．第2次和第1次一樣但南平端封閉，龍巖端張拉．由于是直線管道，摩阻損失較小，兩邊分別作為主動端各做1次即可．

圖4 現(xiàn)場孔道摩阻試驗布置圖

2.3 孔道摩阻系數(shù)計算

依據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB1002.3-2005)[9]，預應力鋼束摩阻損失σsl按下式計算：

(1)

式中，σk為預應力的張拉控制應力(MPa)；θ為彎曲孔道端部切線交角(rad)，對于空間預應力束，空間包角情況下，θ采用如下近似方法計算：

(2)

式中，θH為彎曲鋼束在水平面上投影包角；θV為彎曲鋼束在豎向圓柱面展開平面上投影包角；i為曲線鋼束的分段數(shù)；x為預留孔道長度(m)；μ、k分別為孔道摩阻系數(shù)和孔道偏差系數(shù)．

本文根據(jù)試驗采集的張拉端和固定端的壓力，采用最小二乘法計算孔道摩阻系數(shù)μ和k．被動端的拉力FB與主動端的張拉力FZ關(guān)系為：

(3)

為根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定參數(shù)μ和k的值，令

(4)

則：

(5)

由于施工因素影響，孔道摩阻試驗存在試驗誤差，假定測試誤差為Δ，即

(6)

假設(shè)預應力鋼束有n束，則

(7)

采用最小二乘法，全部預應力鋼筋測試誤差的平方和為

(8)

欲使試驗誤差最小，應使

(9)

整理可得：

(10)

孔道摩阻參數(shù)μ和k可由式(10)計算．由于方程的兩個參數(shù)存在偶聯(lián)[10]，摩阻試驗時有必要選擇2束及以上的預應力鋼束才能求解出μ和k值．

3 結(jié)果分析

為計算預應力摩阻損失，本試驗采用單端張拉．一端作為張拉端，一端作為固定端，相互交叉，摩阻損失值為兩端壓力傳感器的壓力差．實測結(jié)果見表2．

由公式(10)聯(lián)立可求解：

將摩阻實測數(shù)據(jù)代入公式(10)可得，腹板束c值平均為0.129，頂板束試驗c值平均值為0.037，最終可得：

μ=0.232，k=0.002 6．

表2 孔道兩端試驗壓力值

由摩阻系數(shù)試驗值可知，雙洋大橋現(xiàn)場實測摩阻系數(shù)0.232大于設(shè)計孔道摩阻系數(shù)0.23．孔道偏差系數(shù)為0.002 6也大于設(shè)計值0.002 5．實測和設(shè)計存在一定的偏差，有必要修正預應力張拉控制力．這種偏差主要是由于孔道位置和彎起角度與設(shè)計有一定誤差等原因造成的．

基于試驗結(jié)果，為了進一步分析設(shè)計摩阻與實測摩阻的偏差對不同長度、不同彎曲率鋼束控制張拉力的影響規(guī)律，選擇了8根頂板直線束和8根腹板彎曲束，共16束．其中編號T2～T9，分別代表1號到8號梁塊箱梁頂部鋼束，T9最長為61.99 m．編號M2～M9為腹部鋼束，M9長為62.25 m，彎曲角度22°．對于每根鋼束，計算了摩阻損失與實測摩阻損失之間的偏差，如圖5所示．

圖5 設(shè)計值與實測值偏差

由圖5可知，彎曲預應力鋼束的摩阻偏差大于直線鋼束，且鋼束長度越大，偏差值越大．對最長的直線

鋼束T9而言，偏差值達到11.1 kN．最長的彎曲鋼束M9的偏差為11.6 kN，故彎曲筋的孔道摩阻損失不容忽視．因此，施工前，有必要準確測試孔道摩阻系數(shù)，充分考慮摩阻損失，保證預應力有效值達到設(shè)計值．

4 結(jié) 論

1)該橋孔道摩阻系數(shù)μ為0.232，孔道偏差系數(shù)k為0.002 6，均大于設(shè)計推薦值；偏差主要是孔道位置和彎起角度與設(shè)計有一定誤差等原因造成的．

2)彎曲預應力鋼束的摩阻偏差大于直線鋼束，且鋼束長度越大，偏差值越大，孔道摩阻損失不容忽視．施工時應嚴格控制波紋管的位置，張拉之前應清理管道，這些因素都會影響張拉的效果．

3)本文只選取了2種鋼束進行了試驗，如果條件允許，建議選擇更多的鋼束進行摩阻試驗，得到準確的摩阻系數(shù)值，以便更好地指導施工．

[1] 張 文，謝全懿，李學斌，等．高速鐵路橋預應力孔道摩阻損失系數(shù)誤差敏感性分析[J]．中國鐵道科學，2015，36(6)：31-36．

[2] 丁大均．鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學[M]．上海：上?？茖W技術(shù)出版社，1985．

[3] 桂丹公路特大橋預應力孔道摩阻試驗研究[J]．混凝土，2010(11)：13-15．

[4] 劉永前，張彥兵，王新敏．后張梁管道摩阻損失測試技術(shù)與數(shù)據(jù)處理[J]．中國安全科學學報，2005，15(1)：104-107．

[5] 李準華，劉 釗．大跨度預應力混凝土梁橋預應力損失及敏感性分析[J]．世界橋梁，2009(1)：36-42．

[6] 祝朝旺，黃強東，陳舜東．交梨河特大橋預應力孔道摩阻的試驗研究[J]．鐵道建筑，2012(4)：50-52．

[7] 孫金更．后張梁預應力損失的研究[J]．鐵道建筑，2015(5)：18-25．

[8] 賀國京，鄒永旺，易 錦．石梅灣大橋32 m箱梁預應力孔道摩阻試驗研究[J]．中南林業(yè)科技大學學報，2010(1)：69-72．

[9] TB10002．3-2005．鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]．

[10] 高小華，成劍波，張 峰，等．斜拉橋索塔U形預應力束摩阻試驗研究[J]． 中外公路，2016，36(2)：82-85．

[責任編輯 王康平]

Experiment Research on Friction Resistance of Prestressed Duct of Shuangyang Bridge in High-speed Railway

Zhang Jingwei Wang Feng Wang Yu

(College of Civil Engineering & Architecture, China Three Groges Univ., Yichang 443002， China)

The Shuangyang Bridge is a continuous beam bridge with large span; it is important to determine duct friction coefficients in construction, which affect the accuracy of the design and control of tensile force. At present, the ranges of friction resistance coefficient and deviation coefficient have been given in the bridge design code. However, the influence factors of the frictional resistance of prestressed ducts are complex, which needed to be determined through the field test. The straight and curved steel strands were selected in the block #1 at the top of pier #5; the duct friction test of Shuangyang Bridge was processed by setting high precision through-type pressure sensor between the backing plate and the location-limited plate and clamping jaws with wedges were behind jacks. The least square method is used to calculate the friction coefficient of the prestressed duct. The experimental results show that the friction resistance coefficient of the duct is 0.232 and deviation coefficient of duct is 0.0026, both of which are bigger than recommended values in code; the friction resistance of the curved prestressed steel strands is larger than that of the straight stands is, the larger the length of the steel stands the bigger the deviation value is; and the duct resistance loss cannot be ignored.

continuous girder bridge； least square method； duct friction resistance； deviation coefficient

2016-07-06

湖北省教育廳項目(Q20131307)；湖北省自然科學基金項目(2014CFB331)

汪 峰(1979-)，男，博士，副教授，研究方向為復雜橋梁結(jié)構(gòu)非線性計算分析．E-mail：wanggoody@126.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.011

TU378

A

1672-948X(2017)03-0049-04