某橋預(yù)應(yīng)力孔道摩阻試驗(yàn)方案研究

喬為國(guó) 曲慧明 馬悅

重慶市設(shè)計(jì)院有限公司 重慶 400015

1 工程概況

某長(zhǎng)江大橋系在原橋上游平行新建一座橋梁。橋梁結(jié)構(gòu)體系采用長(zhǎng)聯(lián)大跨徑鋼混組合式剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋。橋跨布置為：4×138+ 330+ 138米，橋梁總長(zhǎng)1120米，單向四車(chē)道，橋面寬19米。其中，1號(hào)、2號(hào)墩為墩梁分離（簡(jiǎn)單支承），3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、7號(hào)墩為墩梁固結(jié)[1]。

2 研究目的、意義

由于懸臂長(zhǎng)、工期緊等因素，設(shè)計(jì)方采用了諸多技術(shù)措施來(lái)保證大橋的安全實(shí)施，其中包括：大節(jié)段、大噸位預(yù)應(yīng)力筋。但是作為新型成孔材料與施工工藝，關(guān)于預(yù)應(yīng)力筋摩阻損失可參考資料不多。同時(shí)，本橋預(yù)應(yīng)力筋多為超長(zhǎng)索，而且彎曲多、彎曲半徑小、彎曲角度較大，在兩端張拉時(shí)，其中段的有效預(yù)應(yīng)力損失很大。這種預(yù)應(yīng)力的損失往往不容易準(zhǔn)確地計(jì)算出來(lái)，因而其在張拉控制應(yīng)力作用下的伸長(zhǎng)值也無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算。在連續(xù)剛構(gòu)梁懸臂施工過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力孔道埋設(shè)的實(shí)際位置不可避免與設(shè)計(jì)存在誤差，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失量有所不同。這時(shí)，設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)值若按照以往經(jīng)驗(yàn)計(jì)算是不能真實(shí)反映實(shí)際施工情況的。因此，測(cè)量預(yù)應(yīng)力筋的摩阻力，是確保施工質(zhì)量的有效措施。同時(shí)也為今后的設(shè)計(jì)、科研積累科學(xué)數(shù)據(jù)。

該項(xiàng)目的試驗(yàn)研究直接指導(dǎo)橋梁預(yù)應(yīng)力施工，它不僅為橋梁安全、順利實(shí)施提供重要的技術(shù)保證，同時(shí)也為其他大跨度的懸臂施工梁橋的實(shí)施提供重要的技術(shù)參考[2]。

3 主要研究?jī)?nèi)容

（1）直線形預(yù)應(yīng)力索孔道摩阻系數(shù)μ和孔道偏差系數(shù)k試驗(yàn)研究。

（2）豎彎形預(yù)應(yīng)力索孔道摩阻系數(shù)μ和孔道偏差系數(shù)k試驗(yàn)研究。

4 實(shí)施方案、試驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗(yàn)對(duì)象選取及測(cè)點(diǎn)布置

直線形預(yù)應(yīng)力索選取為下游側(cè)3T41（3T41 鋼束規(guī)格：21φj15.24，單束長(zhǎng)13350.4cm，張拉伸長(zhǎng)量：開(kāi)始端451.1mm，結(jié)束端476.8mm，張拉力：4101.3KN）。豎彎形預(yù)應(yīng)力選取為下游側(cè)3T14（3T14 鋼束規(guī)格：21φj15.24，單束長(zhǎng)13364.8cm，張拉伸長(zhǎng)量：開(kāi)始端639.9mm，結(jié)束端222.8mm，張拉力：4101.3KN）。被測(cè)預(yù)應(yīng)力束長(zhǎng)度按設(shè)計(jì)下料長(zhǎng)度選取。

一般測(cè)試方法是壓力片直接貼在鋼絞線上，測(cè)試數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，但是貼片操作難度大、鋼絞線中部須開(kāi)孔，而且張拉過(guò)程中因鋼絞線扭動(dòng)，壓力片損壞的概率較大，測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。測(cè)點(diǎn)布置綜合考慮了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性、施工現(xiàn)場(chǎng)的可操作性，同時(shí)盡量避免箱梁表面開(kāi)孔對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。參考已有預(yù)應(yīng)力摩阻損失試驗(yàn)方案，根據(jù)本橋參建各方意見(jiàn)，最后決定采用主動(dòng)及被動(dòng)千斤頂相結(jié)合的試驗(yàn)方案。主要過(guò)程為：首先標(biāo)定千斤頂及配套電動(dòng)油泵儀表，提高讀數(shù)精度。試驗(yàn)時(shí)在預(yù)應(yīng)力束張拉端及錨固端安裝千斤頂。然后啟動(dòng)張拉端千斤頂，根據(jù)試驗(yàn)工況分級(jí)加載，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行卸載，調(diào)換張拉端及錨固端位置，重新進(jìn)行分級(jí)張拉，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)設(shè)備布置，詳見(jiàn)圖1。先進(jìn)行頂板束（3T41）孔道摩阻力測(cè)試，按θ=θ1時(shí)求得k值；再進(jìn)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(yàn)[3]。

圖1 管道摩阻試驗(yàn)方法

4.2 試驗(yàn)方法

預(yù)應(yīng)力束的兩端，以下簡(jiǎn)述為A端和B端。

此試驗(yàn)擬做以下工況測(cè)試：

（1）錨固B端，張拉A端；

（2）錨固A端，張拉B端；

為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性，以上每個(gè)工況至少重復(fù)一次。

每個(gè)測(cè)試工況，按以下步驟進(jìn)行：

（1）預(yù)應(yīng)力束初張拉至10%δk，持荷3～5min，讀取、記錄電動(dòng)油泵儀表數(shù)據(jù)，測(cè)試、記錄鋼絞線伸長(zhǎng)量；

（2）張拉至30%δk，持荷3～5min，讀取、記錄電動(dòng)油泵儀表數(shù)據(jù)，測(cè)試、記錄鋼絞線伸長(zhǎng)量；

（3）張拉至50%δk，持荷3～5min，讀取、記錄電動(dòng)油泵儀表數(shù)據(jù)，測(cè)試、記錄鋼絞線伸長(zhǎng)量；

（4）張拉至70%δk，持荷3～5min，讀取、記錄電動(dòng)油泵儀表數(shù)據(jù)，測(cè)試、記錄鋼絞線伸長(zhǎng)量；

（5）張拉至80%δk，持荷3～5min，讀取、記錄電動(dòng)油泵儀表數(shù)據(jù)，測(cè)試、記錄鋼絞線伸長(zhǎng)量。

要求：張拉設(shè)備完好并經(jīng)過(guò)檢校，能穩(wěn)定保持張拉力。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中管道摩擦阻力估算的準(zhǔn)確程度直接影響結(jié)構(gòu)的使用安全，而施工質(zhì)量的優(yōu)劣往往會(huì)影響管道摩阻的大小。為確保橋梁質(zhì)量，于2月20日至22日對(duì)3號(hào)墩3T41、3T14兩束平彎束和豎彎束分別進(jìn)行了管道摩阻測(cè)試，預(yù)應(yīng)力鋼絞線束由21φj15.24預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成。

試驗(yàn)時(shí)采用的張拉設(shè)備與實(shí)際施工時(shí)相同，試驗(yàn)前張拉設(shè)備須經(jīng)過(guò)校正。由于管道長(zhǎng)度達(dá)132m左右，應(yīng)該采用兩端張拉的方法，但是為了試驗(yàn)的要求，準(zhǔn)確測(cè)出預(yù)應(yīng)力中摩擦阻力的損失值，所以試驗(yàn)中采用單端張拉的方法。在主動(dòng)端把兩臺(tái)千斤頂串聯(lián)使用，以滿(mǎn)足張拉時(shí)過(guò)大的伸長(zhǎng)量的要求，但實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程采用一臺(tái)千斤頂張拉，張拉至最大行程后回油，同時(shí)記下夾片回縮量，繼續(xù)張拉。

管道摩阻力由管道曲率效應(yīng)和偏差效應(yīng)兩部分組成，管道摩阻可按下面的理論計(jì)算公式計(jì)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(zhǎng)度(m)和管道總彎起角(rad)；

K、μ—分別為管道偏差系數(shù)和鋼絞線束與管道壁之間摩擦系數(shù)。

P1、P2可由壓力表測(cè)出，L、θ按設(shè)計(jì)值取用，因此按二元線性回歸即可求得K和μ，兩束管道長(zhǎng)度、管道彎起角、P2/P1設(shè)計(jì)值和實(shí)測(cè)回歸P2/P1列表1。按照規(guī)范管道摩阻系數(shù)μ取為0.25，局部偏差系數(shù)K為0.0015。

表1 預(yù)應(yīng)力管道的主要參數(shù)和摩擦阻力試驗(yàn)結(jié)果（此計(jì)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(zhǎng)度投影法（近似計(jì)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(zhǎng)度投影法（近似計(jì)算法））：

表3

按照上面公式計(jì)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(jì)算方法：

（1）對(duì)于3T41，由于此剛束累計(jì)彎起角僅為16度，可假定μ值為零，

即：P2=P1×e-KL

經(jīng)計(jì)算得，K1=0.002411，K2=0.002984，平均值為0.0026975

（2）對(duì)于3 T 1 4，由預(yù)應(yīng)力束3 T 4 1計(jì)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?yàn)镻2/P1實(shí)測(cè)值比設(shè)計(jì)值大）

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

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)等比例模型試驗(yàn)測(cè)量預(yù)應(yīng)力筋的摩阻力，可以確保預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量，同時(shí)也為同類(lèi)型預(yù)應(yīng)力索的設(shè)計(jì)、科學(xué)研究積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)本次試驗(yàn)研究直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)橋梁的預(yù)應(yīng)力張拉施工，它不僅為橋梁安全、順利實(shí)施提供重要的技術(shù)保證，同時(shí)也為其他大跨度的懸臂施工梁橋的實(shí)施提供重要的技術(shù)參考。