預應力混凝土梁張拉摩擦阻力試驗【摘 要】 以天津市區至濱海新區快速軌道交通工程為實例,通過預應力張拉摩擦阻力試驗,測定了預應力混凝土結構中的管道摩擦阻力。 【關鍵詞】 快速交通軌道;預應力;摩擦阻力;徐變1工程概況 天津市區至濱海新區快速軌道交通工程是天津城市交通重要組成部分,是目前全國最長的輕軌工程。該工程一期設計全長45.409ｋｍ,含高架橋和地面線,均為一次雙線,本次建成車站15個,預留車站4個,全線高架橋梁長度為40ｋｍ,區間高架橋均采用現澆混凝土連續梁。列車兩動兩拖編組,設計運行速度為100ｋｍ/ｈ。 天津市區至濱海新區快速軌道交通工程橋梁徐變與變形分析和長期觀測的目的主要是為了通過理論分析與現場試驗觀測掌握預應力鋼筋混凝土橋梁的收縮與徐變的變形特征及變化規律,正確估算與預測橋梁的徐變拱度,為設計單位提供合理化建議,使得天津市區至濱海新區快速軌道交通工程中的橋梁徐變拱度不超過規定限值,確保線路中的橋梁耐久性、安全性和平順性的要求,并能提高整個軌道交通工程列車運營的安全性、旅客的乘坐舒適性,并能有效地減輕整個軌道交通工程的養護、維修工程量。 天津市區至濱海新區快速軌道交通線路中,由于88%的線路部分為高架橋,橋梁的上部結構又以預應力鋼筋混凝土結構為主,高架線路以無碴軌道為主。對于無碴軌道線路,由于沒有道碴來調節軌道的高程,所以,它的高程的可調節性很小。如果由于混凝土徐變,使得梁的上拱度(徐變拱度)超出了無碴軌道高程的可調節范圍,將對軌道線路的平順性產生巨大的危害。徐變拱度太大,也可能導致鋼軌扣件破壞失效,影響軌道的穩定性。這些都是影響列車安全運營的巨大隱患。預應力越大,徐變拱度越大。所以對預應力混凝土梁的徐變拱度進行控制是很重要的。2 預應力張拉摩擦阻力試驗 摩擦損失是指預應力筋與周圍接觸的混凝土或套管之間發生摩擦造成的應力損失。在后張混凝土中,預應力筋通常一端為固定端,另一端為張拉端,用千斤頂張拉。當預應力鋼材受到張拉并與管壁接觸時,就會引起摩擦力,結果使固定端的拉應力小于千斤頂張拉端的應力,一般可通過超張拉來予以補償。 后張法預應力混凝土結構中管道摩擦阻力估算的準確程度直接影響結構的使用安全,而施工質量的優劣往往會影響管道摩阻的大小。為確保津濱快速軌道交通工程橋梁質量,鐵道科學研究院鐵道建筑研究所于2002年6月29日對Ａ319—Ａ322段3×25Ｍａ型預應力混凝土連續箱梁的三種預應力曲線管道(3束)進行了管道摩阻測試(整個三跨連續箱梁有通長的預應力曲線管道12束,分上中下3排,橫向分成4組。這里對其中一組的上中下3束通長管道進行測試)。管道由Φ90ｍｍ波紋管成型,預應力鋼絞線束由12-Φ15預應力鋼絞線組成。2.1試驗方法 試驗時采用的張拉設備與實際施工時相同,由于管道長度達75ｍ,應該采用兩端張拉的方法,但是為了試驗的要求,準確測出預應力中摩擦阻力的損失值,所以試驗中采用單端張拉的方法。在主動端把兩臺千斤頂串聯使用,以滿足張拉時過大的伸長量的要求。測力傳感器為上海華東電子儀器廠生產的2500ｋＮ穿心式壓力傳感器(精度0. 5%),鋼絞線束伸長量過鋼直尺測量張拉端千斤頂伸長量并減掉夾片回縮量來獲得。
試驗中采用一端張拉,12-Φ15預應力鋼絞線從220ＫＮ拉力開始,分8級張拉至接近設計噸位1900ｋＮ。對于每個管道中的預應力鋼絞線張拉伸長直,測量時主要讀取下列內容:張拉端與固定端測力傳感器讀數、張拉端千斤頂油缸伸長量、張拉端與固定端夾片回縮量。 試驗中可以在預應力束張拉前分別在其固定端和張拉端安裝壓力傳感器,分級測試預應力束在張拉過程中固定端和張拉端的荷載(兩個循環),并利用線性回歸確定管道固定端和張拉端的荷載比值。由此可確定預應力鋼筋應力及管道摩阻系數,由于管道摩阻而產生的預應力損失等。在測量中同時測出預應力鋼絞線束的伸長量,可以測量預應力束的彈性模量。2.2 試驗結果與分析 (1)管道摩阻:管道摩阻力由管道曲率效應和偏差效應兩部分組成,管道摩阻可按下面的理論計算公式計算: Ｐ2=Ｐ1×ｅ-(μθ+ＫＬ)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—分別為管道總長度(ｍ)和管道總彎起角(ｒａｄ); Ｋ、μ—分別為管道偏差系數和鋼絞線束與管道壁之間摩擦系數。 Ｐ1、Ｐ2可由傳感器測出,Ｌ、θ按設計值取用,因此按二元線性回歸即可求得Ｋ和μ,3束管道長度、管道彎起角、Ｐ2 /Ｐ1設計值和實測回歸Ｐ2 /Ｐ1列表1。 根據第一次張拉結果,經回歸可得三跨連續箱梁Ｋ=0 .00369,μ=0 .0513。從表1中還可以看出,管道摩擦阻力隨重復張拉次數的增加變化不大。(2)預應力鋼絞線束彈性模量和伸長值:鋼絞線束伸長值ΔＬ可由積分求得,其計算式為: ΔＬ=Ｐ1×Ｌ(1-ｅ-(μθ+ＫＬ)) /(μθ+ＫＬ)ＥｙＡｙ(1)式中ΔＬ應是扣除管道長度外的鋼絞線束伸長值和兩端夾片回縮值后的理論伸長值。另外根據張拉端拉力與實際伸長值的回歸可得: ΔＬ=ｂ×Ｐ1(2)式中:ｂ—實測伸長的回歸值。 聯立(1)、(2)式可得: Ｅｙ=Ｌ(1-ｅ-(μθ+ＫＬ)/(μθ+ＫＬ)ｂＡｙ鋼絞線束彈性模量和伸長值計算結果列于表2。3結語 (1)津濱快速軌道交通工程Ａ319-Ａ322段3×25Ｍａ型預應力混凝土連續箱梁管道偏差系數Ｋ=0 .00369,摩阻系數μ=0 .0513,表明管道形成工藝良好。 (2)鋼絞線束彈性模量平均值為1 953×105ＭＰａ,實測伸長值與理論計算伸長值大致接近,最大誤差僅為-3 .1%,符合設計誤差控制在±6%以內的要求,滿足試驗預期目的。 (3)實測跨中管道摩阻是很小的,試驗數據表明,如果在設計時管道摩阻按設計規范中規定的最小值取值,既按μ=0. 2,Ｋ=0. 002取值,則實測跨中管道摩阻只比設計值大0. 5%,不用調整預應力張拉參數。如果設計院所采用的管道摩阻不是規范中給定的最小值,那么按設計院給定的參數進行預應力張拉的話,箱梁在跨中的實際預應力比設計值要大,但仍然在設計的容許范圍之內。參考文獻[1] 杜拱辰 現代預應力混凝土結構[Ｍ] 北京:中國建筑工業出版社,1988,9
試驗中采用一端張拉,12-Φ15預應力鋼絞線從220ＫＮ拉力開始,分8級張拉至接近設計噸位1900ｋＮ。對于每個管道中的預應力鋼絞線張拉伸長直,測量時主要讀取下列內容:張拉端與固定端測力傳感器讀數、張拉端千斤頂油缸伸長量、張拉端與固定端夾片回縮量。 試驗中可以在預應力束張拉前分別在其固定端和張拉端安裝壓力傳感器,分級測試預應力束在張拉過程中固定端和張拉端的荷載(兩個循環),并利用線性回歸確定管道固定端和張拉端的荷載比值。由此可確定預應力鋼筋應力及管道摩阻系數,由于管道摩阻而產生的預應力損失等。在測量中同時測出預應力鋼絞線束的伸長量,可以測量預應力束的彈性模量。2.2 試驗結果與分析 (1)管道摩阻:管道摩阻力由管道曲率效應和偏差效應兩部分組成,管道摩阻可按下面的理論計算公式計算: Ｐ2=Ｐ1×ｅ-(μθ+ＫＬ)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—分別為管道總長度(ｍ)和管道總彎起角(ｒａｄ); Ｋ、μ—分別為管道偏差系數和鋼絞線束與管道壁之間摩擦系數。 Ｐ1、Ｐ2可由傳感器測出,Ｌ、θ按設計值取用,因此按二元線性回歸即可求得Ｋ和μ,3束管道長度、管道彎起角、Ｐ2 /Ｐ1設計值和實測回歸Ｐ2 /Ｐ1列表1。 根據第一次張拉結果,經回歸可得三跨連續箱梁Ｋ=0 .00369,μ=0 .0513。從表1中還可以看出,管道摩擦阻力隨重復張拉次數的增加變化不大。(2)預應力鋼絞線束彈性模量和伸長值:鋼絞線束伸長值ΔＬ可由積分求得,其計算式為: ΔＬ=Ｐ1×Ｌ(1-ｅ-(μθ+ＫＬ)) /(μθ+ＫＬ)ＥｙＡｙ(1)式中ΔＬ應是扣除管道長度外的鋼絞線束伸長值和兩端夾片回縮值后的理論伸長值。另外根據張拉端拉力與實際伸長值的回歸可得: ΔＬ=ｂ×Ｐ1(2)式中:ｂ—實測伸長的回歸值。 聯立(1)、(2)式可得: Ｅｙ=Ｌ(1-ｅ-(μθ+ＫＬ)/(μθ+ＫＬ)ｂＡｙ鋼絞線束彈性模量和伸長值計算結果列于表2。3結語 (1)津濱快速軌道交通工程Ａ319-Ａ322段3×25Ｍａ型預應力混凝土連續箱梁管道偏差系數Ｋ=0 .00369,摩阻系數μ=0 .0513,表明管道形成工藝良好。 (2)鋼絞線束彈性模量平均值為1 953×105ＭＰａ,實測伸長值與理論計算伸長值大致接近,最大誤差僅為-3 .1%,符合設計誤差控制在±6%以內的要求,滿足試驗預期目的。 (3)實測跨中管道摩阻是很小的,試驗數據表明,如果在設計時管道摩阻按設計規范中規定的最小值取值,既按μ=0. 2,Ｋ=0. 002取值,則實測跨中管道摩阻只比設計值大0. 5%,不用調整預應力張拉參數。如果設計院所采用的管道摩阻不是規范中給定的最小值,那么按設計院給定的參數進行預應力張拉的話,箱梁在跨中的實際預應力比設計值要大,但仍然在設計的容許范圍之內。參考文獻[1] 杜拱辰 現代預應力混凝土結構[Ｍ] 北京:中國建筑工業出版社,1988,9
