连续梁预应力孔道摩阻检测技术
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摘要：通过对连续梁预应力孔道摩阻进行检测及研究，对张拉力及管道进行调整，将设计张拉力准确施加至梁体，控制好梁体线形。
关键词： 连续梁；预应力；孔道摩阻检测
中图分类号：U448文献标识码： A
Abstract: through the examination and analysis of prestressed continuous beam of friction, to adjust the tension and pipeline, the design tension accurately applied to beam, beam shape control.
Keywords: continuous beam; prestressed; friction testing.
中途分类号：TU37 文献标识码：A
一、工程概况
万安横江特大桥采用（48＋80＋48）m连续梁跨越万安横江河道，为单箱单室预应力混凝土连续箱梁桥。连续梁设计采用挂篮悬臂浇筑法施工，其中2个0#梁段在支架上现浇，长12m；1#-10#为悬臂节段，长度分别为1×2.7m+3.1m+7×3.5m；边跨现浇段长分别为7.75m，在支架上现浇；2个边跨合龙段及1个中跨合龙段，合龙段长度均为2m。
二、检测目的
在后张法预应力混凝土梁施工过程中，预应力张拉是一道极为重要的工序。由于梁体内预应力束道与管道壁接触并沿管道滑动，而产生摩擦阻力，摩阻损失可分为弯道影响和管道走动影响两部分。预应力混凝土梁施工过程中如何准确将设计张拉力施加于梁体直接影响梁的耐久性、安全性、刚度及矢拱度。而后张梁管道摩阻是引起预应力损失的五个主要因素（混凝土收缩徐变、预应力筋松弛、锚头变形及预应力筋回缩、摩阻、混凝土弹性压缩）之一。孔道摩阻试验工作主要内容包括：孔道摩阻系数μ、孔道偏差系数k的测定与分析。其目的有：
(一) 根据测试结果对张拉力及管道进行调整，将设计张拉力准确施加至梁体，控制好梁体线形；
(二) 准确测试出管道摩阻系数，进而核算出预应力束道的理论伸长量，确实做到双控。
三、检测前的准备工作
(一)原始数据收集。包括孔道钢束参数（钢束工作长度、起弯角、锚固时的控制力、钢束组成、设计钢束伸长值）、成孔方式、锚具情况（生产厂家、规格型号、厂家提供的锚口摩阻损失率）、钢绞线参数（生产厂家、型号规格、实测弹性模量）。
表1万安横江特大桥检测原始数据统计1
表2万安横江特大桥检测原始数据统计2
(二)传感器、应变仪、千斤顶、高压油泵、精密压力表（0.4级）检查。
(三)传感器和应变仪的系统标定（用压力机），千斤顶和精密压力表的标定（用标定好的传感器、应变仪）。千斤顶应标定进油、回油曲线。
(四)根据标定结果，每束预应力筋分5级张拉（20%，40%，60%，80%，100%）。
表3张拉分级表
(五)现场确定传感器、千斤顶对中方法，检查位置是否有干涉。
(六)计算钢绞线的下料长度并下料、穿束。
(七)孔道、梁端面清理干净。
(八)准备足够的记录表格。记录表格的格式见表4～8。
(九)试验前应对有关人员进行技术交底。
四、检测仪器、设备及用品
(一) 2台YDC-4000张拉千斤顶（公称张拉力4000kN）、2台ZB4-500高压油泵，2块0.4级精密压力表。
(二)2台压力传感器（湖南长沙金码公司的量程为6000kN，灵敏度为1kN的JMZX-3360AT智能六弦数码穿心式压力传感器），2台应变仪（JMZX-2006综合测试仪），2根配套连接线缆。
(三)对中专用工具。根据现场条件确定。
(四)工具锚2套，工作锚1套，配套限位板1块。
(五)0.5mm精度钢板尺2把，记录用夹板2个，钢笔2支，科学计算器1个，记录纸若干。
五、检测内容与方法
在充分考虑预应力张拉空间及实际可操作性的情况下，选取万安横江特大桥29号墩3#节段的不同类型的预应力束进行试验。本次试验的预应力钢束共有4束，分别为：T5（外侧2束）和F8，其中，T5为顶板束，F8为腹板束，均为竖向弯曲。并在钢筋混凝土小梁上进行锚口及喇叭口摩阻试验。
各测试孔预应力钢束大样及位置如图1~3所示，张拉控制力见表4。
表4测试钢束几何参数及张拉控制力
图1 预应力钢束大样图
图2孔道摩阻检测位置侧面图
图3孔道摩阻检测位置立面图
如图4所示，所有试验束采用一端张拉，为了提高测试精度，采用专门的压力传感器来准确测试张拉端和被动端的压力。传感器采用钢弦式穿心压力传感器，试验时采取有效措施确保对中，以提高试验精度。
试验测得的总摩阻损失为孔道+锚头+喇叭口摩阻损失之和。试验时，同时记录读数仪和电动油泵的读数以及预应力筋伸长量，以确保试验结果的可靠性。试验时采用分级加载，稳定后同时读取两端传感器的数据。
图4孔道摩阻检测装置示意图
锚口及喇叭口摩阻试验装置如下图5所示，首先制作了长2 m的钢筋混凝土张拉台座，两端埋设锚板。试验采用单端张拉的方式，张拉端的千斤顶完成测试时的张拉工作，锚固端的千斤顶在测试前首先预张，以便在测试完成后进行退锚工作。在张拉时，为保证钢绞线与中间断孔道不产生摩擦应设置多片限位板以加强传感器、千斤顶及锚具之间的衔接对中。
图5锚头＋喇叭口摩阻检测装置图
六、 检测原理
根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构设计规范》（TB 10002.3-2005），预力筋束与孔道间的摩阻损失计算表达式为：
(1)
式中：― 力筋（锚下）控制应力；
― 从张拉端至计算截面的长度上，力筋的弯曲角之和，以rad计。
直线力筋 =0；
― 张拉端至计算截面的孔道水平投影长度，以m计；
― 力筋与孔道壁之间的摩阻系数，取值为0.2 ～0.26；
― 考虑管道对其设计位置的偏差系数，取值为0.002 ～ 0.003；
― 。
可以证明，空间曲线束的孔道摩阻损失计算表达式和平面曲线相同，唯其曲线转角 改用空间包角包。空间包角包的计算表达式为：
(2)
式中：为力筋束竖向平面内的弯起角；为该力筋束水平面内弯起角，若该力筋束仅在竖向平面内弯起，则=0。
在预施应力过程中，离张拉端处因管道摩阻而损失的力筋束内力值为：
（3）
式中为张拉力，为损失率。
当采用一端张拉一端固定的方法来测定参数和时，式（3）则可写为
（4）
式中和分别为张拉端至固定端力筋束长和空间包角（为书写简便起见，仍用代替）。若该力筋束为直线布置，即，则可由式（4）直接得到；若该力筋束为曲线布置，则须借助于两根以上力筋束的测试结果利用最小二乘法计算得到、。
试验存在误差是不可避免的。假定式（4）的误差为，则有
（5）
如果有n束力筋束，则式（5）变为
（6）
式中、分别为第根力筋束的、，，从而得到全部力筋束测试误差的平方和为
（7）
欲使得试验误差最小，应有
， （8）
由式（7）和式（8）可得
（9）
根据式（9），从而可求得、。
式中：，角标代表第根钢筋束。由上式可见，根据多管道摩阻测试结果，可利用极值原理建立μ、的联立方程，同时求出μ、。
需要注意的是，在μ与k的计算中，损失率β应用实测的损失率减去锚口及喇叭口损失率，以得到纯摩阻及孔道偏差的损失率。
七、 检测结果
每束预应力筋分5级张拉（20%，40%，60%，80%，100%），张拉过程中平稳缓慢送油，当主动端油表指针到达某级张拉力时，由施工方油泵操作人员发出指令，试验方人员立即读出传感器及被动端油表读数并记录之。各级张拉力及对应的油表读数，由千斤顶检定时的回归方程算出。
当试验张拉力达到第2级后，若各数据间的线性与相关度不明显，应检查、调整设备，并重做试验。当张拉至试验最大张拉力后，持荷5min，再读取传感器及被动端油压表数据。
每束试验时，一端封闭，一端张拉，直至张拉控制应力，如此反复进行3次，取两端压力的平均值。按上述方法，调换张拉端和封闭端，取两端3次压力差的平均值。将上述两次压力差的平均值再次平均，即为孔道摩阻力的测定值。
万安横江特大桥连续梁锚头+喇叭口摩阻损失试验结果列于表5，孔道摩阻损失试验结果列于表6。摩阻试验结果中，孔道摩阻损失率为总摩阻损失率减去两端锚头+喇叭口摩阻损失率的差值。
表512束预应力筋（锚头+喇叭口）摩阻损失试验结果
表6预应力筋摩阻损失试验结果（KN）
横江特大桥连续梁用于计算μ、的所需各种参数列于表7。采用前述方法计算的箱梁管道摩阻系数μ和偏差系数结果列于表8。为了便于比较，表8中同时列出设计取值及规范值。从表中可看出，实测该桥孔道摩阻系数μ＝0.233和孔道偏差系数＝0.00279均较设计取值稍大，与规范上限值一致。
表7孔道摩阻系数μ和偏差系数k计算参数
表8孔道摩阻系数的实测值和规范值
通过对横江特大桥连续梁桥1#块预应力孔道的摩阻实测与理论分析，得到主要结论如下：
（一） 实测孔道摩阻系数μ＝0.233，偏差系数k＝0.00279。
（二）摩阻系数μ和偏差系数k的实测值均在规范的取值范围内，说明已浇筑连续梁段的预应力孔道，在设计方面，在波纹管、钢绞线和张拉锚固体系的材质方面，以及预留孔道的线形控制方面，均符合常规。
（三）由于孔道摩阻系数μ和偏差系数k的实测值略不同于设计取值，说明预应力筋的预应力损失略不同于设计，施工时应酌情调整张拉控制力。
八、 检测注意事项
(一)张拉涉及高空作业、作业人员应注意高空作业安全。
(二)张拉人员应按预应力筋张拉作业流程进行张拉。
(三)被动端不能安装工作锚。
(四)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。
(五)千斤顶和传感器标定时应采用同一压力机标定，以消除千斤顶和传感器的标定系统误差。标定时要有初读数、标到额定荷载后要缓慢回零，并记下回零读数。当三次的读数差别较大或有两次差别不大而与另一次差别较大、或逐次增大时，应标第四次。应变仪AC、BD接头可互换。
(六)试验前检查压力表指针是否在零读数位置。
(七)千斤顶行程要留20mm，这一段一般不成线性。两端千斤顶预先伸长一部分以便退锚。
(八)读数根据加载表每级都读，注意应记录初始、σK、持荷、锚固、回零几个状态的读数。有关数据应由技术人员负责读取。由于加压时压力表有振动，节流阀密实性的影响，操作人员的控制误差，实际读数与计算值有误差，此时压力表数据必须读实际达到的压力值，并且不得靠回油来调整压力值。
(九)张拉工艺：锚具不能超张拉，张拉中应观察钢绞线是否有滑丝。
(十)由于实际张拉为两端张拉，而试验为一端张拉，因此千斤顶行程可能不够。可采用两种方法，一是倒顶，二是张拉端串联两台顶。
(十一)试验中应及时处理数据，发现数据反常则增加试验次数。每做完一束均要计算实测伸长值、理论伸长值并校核误差。
(十二)钢束弯起角指其圆心角，等于弧长除以半径。
(十三)钢束回缩值和锚固前后的应力损失值不存在对应关系。因为锚固后由于千斤顶内摩阻的影响，锚外钢束实际还有荷载；传力锚固时钢束停止滑移时的长度和对应张拉力无法测出；孔道内钢束回缩受反向摩阻的影响，存在一个应力不动点，实际参与回缩的钢束实际长度小于其工作长度。
(十四)一定要将千斤顶和传感器系统标定，以消除系统误差。
(十五)试验时要及时松倒，确保各部位受力顺畅。
参考文献
[1]铁建设[2010]241号《高速铁路桥涵工程施工技术指南》.北京：中国铁道出版社,2011.
[2]TZ324-2010铁路预应力混凝土连续梁（钢构）悬臂浇筑施工技术指南.
北京：中国铁道出版社,2010.
[3]高速铁路施工工序管理要点（第三册 预应力混凝土连续梁悬臂浇筑线形监控）上海铁路局.北京：中国铁道出版社,2010.
[4]中铁第四勘察设计院.无砟轨道现浇预应力混凝土连续梁双线（40+64+40）m预应力混凝土连续梁设计文件