張經(jīng)緯 汪 峰 王 宇

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

高速鐵路雙洋大橋預(yù)應(yīng)力孔道摩阻試驗(yàn)研究

張經(jīng)緯 汪 峰 王 宇

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)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(huì)影響控制張拉力的準(zhǔn)確施加．目前橋梁設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)力孔道摩阻影響因素復(fù)雜，需要通過現(xiàn)場摩阻試驗(yàn)才能確定．選擇主橋5號(hào)墩頂1號(hào)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(yàn)研究，并采用最小二乘法計(jì)算了預(yù)應(yīng)力束孔道摩阻系數(shù)．試驗(yàn)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(jì)推薦值；彎曲型預(yù)應(yīng)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(diǎn)，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(yù)應(yīng)力的準(zhǔn)確施加[1-2]，而孔道摩阻和偏差系數(shù)的確定是預(yù)應(yīng)力張拉的關(guān)鍵問題[3]．目前我國鐵路橋梁設(shè)計(jì)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(shí)際連續(xù)梁橋建設(shè)過程中影響因素復(fù)雜多變，如施工荷載、材料特性、加工安裝等因素都會(huì)導(dǎo)致孔道彎曲和位置偏差，改變了預(yù)期的預(yù)應(yīng)力大?。虼?，開展現(xiàn)場孔道摩阻試驗(yàn)，修正預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)計(jì)值十分重要．

針對(duì)孔道摩阻系數(shù)問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究．文獻(xiàn)[4]針對(duì)摩阻試驗(yàn)問題，改進(jìn)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(zhǔn)確；文獻(xiàn)[5]對(duì)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的預(yù)應(yīng)力損失和敏感性進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[6]提出了在確定k值的前提下，利用預(yù)應(yīng)力束伸長量推算預(yù)應(yīng)力損失的方法；文獻(xiàn)[7]多方面剖析了預(yù)應(yīng)力混凝土后張梁生產(chǎn)過程中常見預(yù)應(yīng)力損失產(chǎn)生的根源及其危害，發(fā)現(xiàn)喇叭口進(jìn)漿，錨穴角度偏差產(chǎn)生的折角摩阻及張拉刮牙、纏繞穿錯(cuò)孔眼所造成的預(yù)應(yīng)力不可忽視；文獻(xiàn)[8]對(duì)32 m箱梁預(yù)應(yīng)力孔道摩阻試驗(yàn)進(jìn)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(jì)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?yàn)楣こ瘫尘埃x取主橋5號(hào)墩1號(hào)塊2根預(yù)應(yīng)力孔道，開展孔道摩阻試驗(yàn)，計(jì)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(yù)應(yīng)力的張拉修正提供實(shí)測依據(jù)．

1 工程概況

南龍客運(yùn)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(diǎn)工程．主橋?yàn)槿?40.6+64+40.6)m預(yù)應(yīng)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(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)圖(單位：cm)

2 孔道摩阻試驗(yàn)

大跨度連續(xù)箱梁橋的摩阻損失主要是預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)，鋼束與預(yù)留孔道壁之間存在接觸，對(duì)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(shí)摩阻力較大．另外，孔道預(yù)留位置與設(shè)計(jì)值的偏差會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋和孔道接觸面增大，也會(huì)引起摩阻力．因此，大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋需要進(jìn)行現(xiàn)場的預(yù)應(yīng)力孔道摩阻試驗(yàn)，以便確定后期的預(yù)應(yīng)力張拉，保證施工質(zhì)量．

2.1 鋼束選擇

雙洋大橋箱梁預(yù)應(yīng)力鋼束共233根，為了摩阻試驗(yàn)值具有代表性，又不延誤下階段梁的預(yù)應(yīng)力張拉，鋼束選擇十分重要．如果選擇的鋼束長度過短，試驗(yàn)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(yàn)難度增加．因此，結(jié)合雙洋大橋?qū)嶋H情況，選取5號(hào)主墩1號(hào)塊頂板束T2和腹板束M2，分別進(jìn)行孔道摩阻試驗(yàn)，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(hào)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(yàn)過程

1)根據(jù)如圖4所示摩阻試驗(yàn)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(shí)鋼絞線的預(yù)應(yīng)力．

3)梁兩端轉(zhuǎn)千斤頂后同時(shí)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(jí)表，張拉端千斤頂進(jìn)油分級(jí)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(yàn)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(jí)張拉至控制應(yīng)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(dòng)端各做1次即可．

圖4 現(xiàn)場孔道摩阻試驗(yàn)布置圖

2.3 孔道摩阻系數(shù)計(jì)算

依據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB1002.3-2005)[9]，預(yù)應(yīng)力鋼束摩阻損失σsl按下式計(jì)算：

(1)

式中，σk為預(yù)應(yīng)力的張拉控制應(yīng)力(MPa)；θ為彎曲孔道端部切線交角(rad)，對(duì)于空間預(yù)應(yīng)力束，空間包角情況下，θ采用如下近似方法計(jì)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(yù)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(yàn)采集的張拉端和固定端的壓力，采用最小二乘法計(jì)算孔道摩阻系數(shù)μ和k．被動(dòng)端的拉力FB與主動(dòng)端的張拉力FZ關(guān)系為：

(3)

為根據(jù)試驗(yàn)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(yàn)存在試驗(yàn)誤差，假定測試誤差為Δ，即

(6)

假設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼束有n束，則

(7)

采用最小二乘法，全部預(yù)應(yīng)力鋼筋測試誤差的平方和為

(8)

欲使試驗(yàn)誤差最小，應(yīng)使

(9)

整理可得：

(10)

孔道摩阻參數(shù)μ和k可由式(10)計(jì)算．由于方程的兩個(gè)參數(shù)存在偶聯(lián)[10]，摩阻試驗(yàn)時(shí)有必要選擇2束及以上的預(yù)應(yīng)力鋼束才能求解出μ和k值．

3 結(jié)果分析

為計(jì)算預(yù)應(yīng)力摩阻損失，本試驗(yàn)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(shí)測結(jié)果見表2．

由公式(10)聯(lián)立可求解：

將摩阻實(shí)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(yàn)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(yàn)壓力值

由摩阻系數(shù)試驗(yàn)值可知，雙洋大橋現(xiàn)場實(shí)測摩阻系數(shù)0.232大于設(shè)計(jì)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(jì)值0.002 5．實(shí)測和設(shè)計(jì)存在一定的偏差，有必要修正預(yù)應(yīng)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(jì)有一定誤差等原因造成的．

基于試驗(yàn)結(jié)果，為了進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)摩阻與實(shí)測摩阻的偏差對(duì)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(hào)T2～T9，分別代表1號(hào)到8號(hào)梁塊箱梁頂部鋼束，T9最長為61.99 m．編號(hào)M2～M9為腹部鋼束，M9長為62.25 m，彎曲角度22°．對(duì)于每根鋼束，計(jì)算了摩阻損失與實(shí)測摩阻損失之間的偏差，如圖5所示．

圖5 設(shè)計(jì)值與實(shí)測值偏差

由圖5可知，彎曲預(yù)應(yīng)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(duì)最長的直線

鋼束T9而言，偏差值達(dá)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(zhǔn)確測試孔道摩阻系數(shù)，充分考慮摩阻損失，保證預(yù)應(yīng)力有效值達(dá)到設(shè)計(jì)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(jì)推薦值；偏差主要是孔道位置和彎起角度與設(shè)計(jì)有一定誤差等原因造成的．

2)彎曲預(yù)應(yīng)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(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制波紋管的位置，張拉之前應(yīng)清理管道，這些因素都會(huì)影響張拉的效果．

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

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

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

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

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

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[9] TB10002．3-2005．鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

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[責(zé)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(xiàng)目(Q20131307)；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB331)

汪 峰(1979-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)閺?fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)非線性計(jì)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