预应力砼箱梁孔道摩阻锚口喇叭口摩阻损失测试

1、预应力砼箱梁孔道摩阻，锚口、喇叭口摩阻损失测试海威公司 彭楠楠 魏正军摘 要：结合遂平梁场预应力施工实践，介绍一种较为新颖的箱梁孔道摩阻和锚圈口摩阻损失测试方法，提供随机抽测8片箱梁测试分析资料。关键词：箱梁；孔道摩阻损失；锚口，喇叭口摩阻损失；测试 已颁交通部、铁道部关于预应力损失测定资料中，孔道摩阻损失和锚圈口摩阻损失测定，为传统主被动千斤顶法，该法除测试精度外，操作工艺也存在一些缺点。本文介绍目前工程界已较普遍使用，两端安装经过标定穿心式压力传感器的测试方法；该法可有效提高测试精度，操作工艺比较明确规范。1 遂平梁场基本情况和张拉工艺遂平制梁场预制铁路预应力简支箱梁，规格为23.5m，6

2、片；31.5m，624片；共计630片箱梁。型式为单箱单室等高度简支箱梁，梁端底版，顶板及腹板内部局部向内侧加厚。预应力筋公称直径15.2mm，抗拉强度Rm=1860MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，孔道采用橡胶抽拔管成形。预加应力分三阶段：预张拉，拆除端模张拉部分预应力，砼强度fc=33.5Mpa；初张拉，制梁台座上进行，砼强度fc=43.5Mpa；终张拉，存梁台座上进行，砼强度fc=53.5Mpa,弹性模量Ec=35.5Gpa，且砼龄期不少于10d。(预应力张拉顺序见表1、表2、表3)。两种跨度箱梁截面如图1，2所示图1 31.5m预应力砼铁路桥简支箱梁预应力孔道分布

3、图图2 23.5m预应力砼铁路桥简支箱梁预应力孔道分布图 预张拉顺序表 表1张拉顺序12323.5梁2N72N2a2N131.5m梁2N62N2a2N1b 初张拉顺序表 表2张拉顺序1234523.5梁2N42N2c2N5/31.5m梁2N2c2N32N72N102N2d 终张拉顺序表 表3张拉顺序123456723.5m梁2N82N2c2N62N32N2b2N72N2a31.5m梁2N92N82N1a2N2d2N52N42N2b张拉顺序89101112131431.5m梁2N52N12N4/31.5m梁2N102N72N62N32N1b2N2c2N2a2 箱梁预应力损失组成预应力损失分为瞬时

4、损失和长期损失，如图3所示。瞬时损失 长期损失弹性压缩摩擦阻力锚具变形预应力总损失砼收缩砼徐变钢筋松驰图3 箱梁预应力损失组成2.1 预应力钢绞线与孔壁间摩阻损失箱梁张拉时，预应力钢绞线与孔壁接触滑动产生摩擦阻力，可分为弯道影响和孔道走动影响两部分。理论上讲，直线孔道无摩阻损失，施工时因震动等原因孔道并非理想顺直，加之预应力钢绞线因自重而下垂，与孔道实际上有接触，产生相对滑动时产生摩阻力，称孔道走动影响(或偏差影响、长度影响)。预应力钢绞线对孔道内壁的径向压力产生摩阻力，称为弯道影响，其计算公式为：式中：预应力钢绞线控制张拉应力；预应力钢绞线张拉端至计算截面水平投影距离(m)；预应力钢绞线与孔

5、道壁摩擦系数； k孔道每米长度局部偏差摩擦系数；张拉端至计算截面曲线孔道部分切线夹角(rad)；预应力钢筋截面积。本文下面将对其进行详细介绍。2.2 锚具变形、钢绞线回缩和接缝压缩引起的损失箱梁张拉结束锚固时，锚具受巨大压力，使锚具自身及锚下垫板产生压密变形，同时有些锚具的预应力钢绞线还要向内回缩；拼装式构件的接缝，在锚固后也将继续压密变形，所有这些变形都将使锚固后的预应力钢绞线放松，引起应力损失()，按下式计算： =式中：张拉端锚具变形，钢绞线回缩和接缝压缩值之和，可根据试验确定，当无可靠资料时，按照相关规范采用； 从张拉端至计算截面孔道长度，一般取水平投影长度(mm)；预应力钢绞线弹性模量

6、，2.02X105 Mpa(试验值)。2.3 砼弹性压缩引起的损失预应力砼箱梁张拉时，砼弹性压缩是在张拉过程中完成的，一次完成张拉的构件，不会引起应力损失。但是，预应力钢绞线根数往往较多，采用分批张拉锚固或逐束张拉锚固的，张拉后批钢绞线时，产生的砼弹性压缩变形，使先批已张拉预应力钢绞线产生应力损失，通常称为分批张拉应力损失，用表示。=式中：预应力钢绞线弹性模量与砼弹性模量比值；在计算截面上先张拉钢束重心处，由后张拉各批钢绞线所产生的砼法向应力之和，对于简支梁，取1/4跨度处截面为准计算沿梁长平均2.4 预应力钢绞线应力松弛损失预应力钢绞线在应力作用下，随加荷时间延长产生徐变变形。一般称钢绞线松

7、弛或者应力松弛。后张法预应力构件，松弛损失值在使用阶段中完成。按时间延长建立完成损失终值百分比。其计算方法如下：采用低松弛预应力钢丝或钢绞线：当时，当时，根据规范，实际计算时，当初应力小于钢绞线极限强度50%时，松弛量甚小，可忽略不计。2.5 砼收缩和徐变砼收缩，徐变会使预应力砼构件缩短，因而引起应力损失。收缩与徐变变形性能相似，影响因素大都相同，将砼收缩与徐变引起应力损失值综合计算，对于箱梁： ，式中：，受拉区、受压区预应力钢绞线中由于砼收缩徐变所产生的预应力损失；受拉区、受压区预应力钢绞线在各自合力点所产生的砼法向压应力；受拉区、受压区预应力钢绞线与非预应力筋的配筋率（其值为受拉区和受压区

8、预应力钢绞线和非预应力筋的截面面积与砼结构截面面积之比）施加预应力时，砼立方体抗压强度。砼收缩和徐变是长期过程，但是箱梁预施应力过程与之相比历时短，在预应力施工中，按设计给定值计算。2.6 预应力筋和台座之间温差此项损失，在先张法构件蒸养或者其他加热养护时才考虑。在此不予考虑。综合考虑多方面原因，在箱梁实际预应力施工时，对第一项应力损失现场测试。预应力施工时，实际施工与设计给定的预应力损失估算可能存在较大偏差，特别是孔道摩阻、锚口摩阻、锚垫板喇叭口摩阻。这些摩阻损失与孔道材料性质、力筋束种类以及张拉工艺等有关，实际施工值与设计值相差最大可达45。一般设计文件中，按照设计规范给出了建议取值范围，

9、对于大型桥梁和大型预制梁场设计规范提出专门进行孔道摩阻损失，锚口，喇叭口摩阻损失测试要求。客运专线预应力砼预制梁暂行技术条件(铁科技【2004】120号)，简称技术条件。规定：预制梁试生产期间，至少对2片梁体进行各种预应力瞬时损失测试，确定预应力实际损失，必要时请设计方对张拉控制应力进行调整。正常生产后每100片进行一次损失测试。需测试的各项瞬时损失有：孔道摩阻，锚口、锚垫板喇叭口摩阻，锚具回缩损失等，以下结合遂平制梁场预应力砼箱梁张拉工艺实施进行测试说明。3.1 测试目的(1)检验设计参数；(2)为施工提供数据支撑；(3)检验孔道及张拉工艺施工质量；(4)现场测试，在统计基础上，为规程修订提

10、供基础数据参考。3.2 摩阻测试准备(1)基础资料收集 包括：预应力钢绞线参数(工作长度，起弯角，锚固控制力，钢绞线组成，设计钢绞线伸长值)；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)；参数(生产厂家、型号规格、实测弹性模量)。(2)传感器、千斤顶、高压油泵、精密压力表(0.4级)检查，选用规格如表4所示。 测试器具一览表 表4所用器材选用考虑因素选用型号器材数量传感器根据控制力数值和安全系数确定柳州LS-300型传感器2(台)配套连接线缆连接传感器与传感器配套使用2(根)千斤顶张拉吨位为张拉力1.5倍300T穿心式千斤顶(YCD3000)2(台)高压油泵油泵邮箱容量应

11、为千斤顶总输油量1.5倍，额定油压数应为使用油压数1.4倍柳州ZB4-600H型油泵2(台)高压油表表面最大读数为张拉力倍，精度不低于0.5MPa江苏无锡红旗牌 YN-60型2(块) (3)传感器系统标定(用压力机)，千斤顶和精密压力表标定(用标定好的传感器)。千斤顶应标定进油、回油曲线。(4)根据标定结果，按每级4MPa确定张拉分级。(5)现场确定传感器、千斤顶对中方法，检查位置是否有干涉。(6)计算钢绞线下料长度并下料、穿束(两端钢绞线长度比设计长度均多出1.2m)。(7)孔道、梁端面清理干净。(8)准备足够记录表格。(9)对有关操作人员进行技术交底。3.3 测试内容以跨度32.6m，ZJ

12、SP31.5 Z-411箱梁为例，孔道摩阻测试选定六条孔道(N9、N8、N5、N4、N2b、N1a)，测定张拉束主动端与被动端实测压力值，根据规范规定公式计算摩擦系数和偏差系数k。设计摩阻系数=0.55，偏差系数k=0.0015。根据铁路桥涵钢筋砼和预应力砼结构设计规范TB10002.3-2005第 条规定，箱梁张拉时，预应力钢绞线与孔道间摩擦引起的应力损失按式(1)计算： (1)式中：预应力钢绞线张拉端曲线切线与计算截面曲线切线间夹角，称曲线包角；从张拉端至计算截面孔道长度，一般取水平投影长度；摩擦系数；为偏差系数。曲线包角实用计算以综合法计算精度较好，其表达式为： 式中： 空间曲线在水平面

13、内投影切线角之和；空间曲线在圆柱面内展开的竖向切线角之和。根据公式，求孔道摩阻损失，需求得 ，3.4 测试方法图4 孔道摩阻测试原理示意常规孔道摩阻测试方法是主被动千斤顶法(根据交通部公路桥涵施工技术规范附录G-9，预应力损失的测定)，该法测试精度存在一些问题。 (图中左端固定端可以用和右端相同千斤顶代替) (1)千斤顶内部存在摩擦阻力，主被动端交替测试可消除大部分影响，但仍存在一定影响；(2)千斤顶主动和被动张拉油表读数是不同的，需测试前现场标定主、被动张拉曲线，主被动张拉曲线即主动张拉和被动张拉时张拉力和油表读数的回归方程，是数理统计的结果，较之穿心式千斤顶法精确程度低；(3)钢绞线从喇叭

14、口到千斤顶张拉端长度不足，使钢绞线和喇叭口有接触，产生一定摩擦阻力，测试数据包含该部分影响，影响值难以消除。鉴于主被动千斤顶法存在以上缺陷，铁路部门至今没有新的测试方法相关规定，项目采用了铁路行业已较普遍采用，工艺艺也较成熟的传感器法。传感器法是在张拉端和固定端，安装经过标定的穿心式压力传感器，千斤顶逐级张拉到设计张拉力。压力传感器读取张拉端和被张拉端压力，不再使用千斤顶油表读数方法。为保证数据准确反映孔道部分摩阻影响，传感器外采用约束垫板测试工艺。张拉过程中，分别读取两端力传感器示值，表示各级张拉力未受损失张拉力，受损失后力，测试装置如图4所示。(图中左端固定端可以用和右端相同千斤顶代替)。

15、该装置，压力传感器直接作用与工具锚或千斤顶与梁体之间，各种压缩变形影响因素在张拉中及时补偿，测试时间比较短，避免了收缩与徐变问题，两端力差值即孔道摩阻损失。为减少测试误差，采用固定端和张拉端交替张拉，重复3次，每束预应力筋共进行6次张拉测试，取平均结果。测试中均匀连续张拉预应力钢绞线，中途不停止，防止预应力钢绞线回缩，引起误差。传感器以及千斤顶安装时，中轴线与预应力钢绞线中轴线重合。该测试方法与传统方法相比，优点如下：(1)测试原理科学、合理。图4中约束垫板的圆孔直径与孔道直径基本相等，预应力钢绞线以直线形式穿过喇叭口和压力传感器，与二者没有接触，所测数据仅包括孔道摩阻力，保证了孔道摩阻损失测

16、试正确性。常规测试中所测孔道摩阻力，包括喇叭口摩阻力，测试原理存在缺陷。(2)数据准确可靠。穿心式压力传感器提高了测试数据可靠性和准确性，不受张拉千斤顶影响。(3)预应力钢绞线可正常使用。从喇叭口到压力传感器外端，钢绞线与二者没有接触，钢绞线未损伤，可以正常使用。(4)预应力钢绞线较长，千斤顶行程不足时，为避免重复倒顶引起钢绞线回缩误差，采取两种方法：一：固定端将钢环板更换为1台千斤顶，测试前用该千斤顶将钢绞线张拉到一定荷载后锁紧油阀，从另一张拉端开始张拉测试；二：张拉端采用2台千斤顶串联后同时张拉。3.5 测试步骤(1)千斤顶充油，保持一定数值(约4MPa)；(2)甲端封闭，乙端张拉。张拉时

17、分级升压，直至张拉控制应力。记录乙端压力传感器读数，甲端压力传感器读数，反复进行3次，取平均值记为和；(3)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读数，乙端压力传感器读数，反复进行3次，取平均值记为和；(4)和进行平均记为，和进行平均记为。则和即为该孔道张拉端和被动端压力。3.6 参数识别根据图4测试原理，设张拉端压力传感器测试值为，被动端压力传感器测试值为， 为孔道全长曲线包角，式(1)两边乘以预应力钢筋有效面积，式(1)可写为： (2)将式(2)两边取自然对数，令，经整理可得： (3)已知、x和时，需要识别孔道摩阻参数为值和k值。理论上仅要两组测试结果就

18、可确定，实际测试中，误差不可避免，利用实测结果，上式中右边应为一个误差量i与之对应，即 (4)为减小误差进行多次测试，多组测试结果采用最小二乘法进行摩阻系数参数识别。根据最小二乘法极值原理，对于同一工地，同一成孔方法和同一材质孔道，存在一组值和k值，使式(5)中，误差i的平方和最小。即此时有： (5)为最小。； (6)将式(6)代入式(5)得： (7)式中： 第i个孔道对应值，为第i个孔道对应力筋水平投影长度(m)；第i个孔道对应力筋空间曲线包角(rad)，为实际测试孔道数目，且不同线形力筋数目不小于2。利用式(7)将各孔道测试结果转换成关于和k的二元一次方程组，不难求解得到孔道摩阻系数和孔道

19、偏差系数k。亦可以运用Matlable进行二元线性回归计算。4 锚口及喇叭口摩阻损失4.1 测试原因张拉过程中钢绞线不可避免与喇叭口和锚圈口接触，产生相对滑动，产生摩擦阻力，其值应包括在张拉控制应力中。设计规范给出参考值为张拉控制应力的6%，本场确定，锚圈口摩阻和喇叭口摩阻需进行现场实测。4.2 测试方法测试在砼试件实施，构件截面中心处预应力孔道为直孔道，成孔方式及锚具、锚垫板与箱梁采用的完全相同。考虑到测试方便和准确测试所确定内容，制作2个砼长方体，尺寸为0.5m×0.5m×4.0m，留有与预应力孔道相同直线孔道，两端安埋喇叭口，分别用以做9束和12束钢绞线的锚口与喇叭口

20、摩阻测试。以此为测试平台，采用多组锚头和钢绞线反复测试此项损失。锚圈口与喇叭口摩阻损失测试采用工作状态锚头(必须安装夹片)，通过其前后压力传感器测其数值，测试原理如图5所示(图中左端固定端可以用和右端相同千斤顶代替)。图5 喇叭口和锚圈口损失测试原理示意图4.3 测试步骤(1)千斤顶充油，保持一定数值(约4MPa)；(2)甲端封闭，乙端张拉。张拉到控制应力。记录乙端压力传感器读数，甲端压力传感器读数，反复3次，取平均值记为和；(3)仍按上述方法，但乙端封闭，甲端张拉，张拉至控制应力。记录甲端压力传感器读数，乙端压力传感器读数，进行3次，取平均值记为和；(4)将和进行平均记为，和进行平均记为。则

21、和即为该孔道张拉端和被动端压力。(5)喇叭口和锚圈扣摩阻损失：=-5 测试结果5.1 孔道摩阻损失测试结果遂平制梁场预应力孔道采用芯棒成孔工艺，设计提供摩阻系数=0.55，偏差系数k=0.0015。选择跨度32.6m， ZJSP31.5Z-411箱梁六条孔道(N9、N8、N5、N4、N2b、N1a)孔道摩阻测试，测试基本数据如表5所示，测试数据分析如表6所示。测试基本数据 表5钢束编号钢绞线规格孔道成孔方式孔道直径(mm)所在位置P2/P1实测回归值第一次第二次N1a12-15.2抽芯棒90底板0.8860.89N2b9-15.280底板0.7940.79N49-15.280腹板0. 7140

22、.72N59-15.280腹板0.6730.68N89-15.280腹板0.7320.73N99-15.280腹板0.670.67 测试数据分析 表6梁型钢束编号(m) (rad)P2/P122直线N1a31.8380.13950.8860.121040.019464.44140.016881013.658243.85362N2b32.3380.13950.7940.230670.019464.511150.032181045.746247.45947N432.4360.36630.7140.336780.1341811.881310.12341052.094110.92679N532.509

23、0.50590.6730.396010.2559316.44630.200341056.8350812.87389N832.5060.36630.7320.311970.1341811.906950.114281056.6400410.14105N932.5790.50590.670.400480.2559316.481720.20261061.3912413.047160.8191465.668830.689686286.3649458.30197根据P2/P1实测回归值，以第一次测试为准，建立方程。将表6中数据代入公式(7),得到方程：解得=0.606和k=0.0029，(设计摩阻系数=0

24、.55，偏差系数k=0.0015)，测试计算，k值比设计值大，原因是管道定位偏差较大。5.2 锚口及喇叭口摩阻损失测试结果与分析模型梁M15-9和M15-12锚具锚圈口和喇叭口摩阻损失之和测试结果见表7、8所示。 1#模型梁M15-9测试锚具数据 表7 循环次数锚口和喇叭口摩阻损失锚具回缩量(mm)总损失(%)平均值(%)偏差(%)回缩值(mm)平均值(mm)16.50 6.538.83 5.10 5.1026.60 5.00 36.50 5.20 2#模型梁M15-12锚具测试数据 表8循环次数锚口和喇叭口摩阻损失锚具回缩量(mm)总损失(%)平均值(%)*偏差(%)回缩值(mm)平均值(m

25、m)16.90 6.8313.83 5.10 5.226.70 5.20 36.90 5.20 注释：锚口和喇叭口摩阻损失偏差：测试平均值与设计值6%的偏差锚具回缩量平均值：计算所用数据6 测试结果处理控制应力公式 平均应力公式 伸长量计算公式 依据，k值计算各钢绞线相应伸长量，张拉过程中应及时校核钢绞线张拉伸长值，采用应力应变双控，以保证预施应力。技术条件规定，试生产期间对2片箱梁测试瞬时损失。分别产生，k值，和锚具回缩量值。，k值与设计给定值比较，锚具回缩量平均值用于计算总体预应力损失的值。以此验证施工时预应力孔道定位的准确性，同时认为一定程度上也可以检验设计部门给定值的精确性，正常生产后

26、每100片箱梁随机抽样，进行一次损失测试，检验生产期间预应力工艺执行情况，包括及时调整孔道定位，确定预应力修正值。按设计要求，随机抽测8片箱梁，测试资料汇总见表9。 8片箱梁测试资料汇总表统计 表9测试梁编号测试值测试k值锚口,喇叭口摩阻之和(%)值偏差(%)k值偏差(%)锚口,喇叭口摩阻偏差(%)10.5620.00226.122.18 46.67 2.00 20.5730.00216.034.18 40.00 0.50 30.5910.00196.247.45 26.67 4.00 40.6010.00246.459.27 60.00 7.50 50.5770.00186.094.91 2

27、0.00 1.50 60.6060.00296.6810.18 93.33 11.33 70.5860.00166.326.55 6.67 5.33 80.5920.00216.237.64 40.00 3.83 施工过程中应严格控制孔道定位及成孔工艺，以减少成孔孔道摩阻系数变异，保证后续箱梁预施应力准确，如果出现影响孔道摩阻变化的因素，或实际伸长值和计算伸长值差值超限，应及时查找原因，对箱梁进行孔道摩阻系数测试，重新调整张拉力。根据测试，锚口和喇叭口摩阻超出控制应力的6%,需要在计算张拉力时重新考虑锚口和喇叭口摩阻，调整张拉控制应力，保证施加预应力应力质量。7 总体预应力损失计算ZJSP31.5 Z-411箱梁中N1a孔道预应力损失值汇总，见表 10。 N1a孔道预应力损失值汇总表 表10损失内容计算