基于摩阻试验的应力损失与伸长量的关系分析

赵 俊 茗

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

1 概述

在大跨度桥梁施工中，预应力张拉是后张法施工极为重要的一道工序，而预应力管道的布置形状、施工质量等因素又对预应力有不可忽视的影响。对于预应力损失的错误估计将会直接导致连续梁桥应力储备不足，进而导致梁体跨中下挠、腹板开裂[1]。诸多学者也对此进行了研究，刘振之[2]的研究表明长孔道摩阻试验中张拉力传递到被动端的速度慢于短孔道，员宝珊等[3]对56 m预应力连续箱梁的管道摩阻试验表明施工中使用塑料波纹管可以有效减小管道摩阻损失；王向阳等[4]的研究表明弯曲较大的梁结构摩阻损失率往往较高；张开银等[5]对预应力梁桥弯曲孔道预应力损失表明纵向张拉力作用下预应力束接触位置相对改变而引起预应力弯曲孔道摩阻损失增加现象。混凝土连续梁桥的预应力损失计算直接关系到成桥后的线形与受力情况，本文通过对32 m简支梁桥的摩阻试验，验证了孔道摩阻损失、孔道偏差系数和孔道摩阻系数等，研究了加载等级、孔道长度、弯起角度等与预应力损失之间的关系，对于预应力混凝土连续梁桥结构的设计施工有一定的参考意义。

2 摩阻试验

2.1 试验背景

衢宁铁路某特大桥，桥长877.86 m，梁跨布置形式为：11-32 m+2-24 m+1-32 m简支T梁+(65+110+65)m连续梁+4-32 m+2-24 m简支T梁。纵向预应力筋采用抗拉强度标准值为1 860 MPa、弹性模量为195 GPa，公称直径为15.2 mm高强度钢绞线，纵向预应力管道形成采用金属波纹管成孔。纵向预应力管道摩阻按圆形镀锌金属波纹管成孔计算，设计管道摩擦系数取0.24，管道偏差系数取0.002 8。根据此特大桥预应力钢绞线现场施工和实际布置情况，选取腹板某束(T)和底板某束(M)两束纵向预应力筋，分别进行管道摩阻测试(见图1)。

2.2 试验方法

1)张拉控制时的两端分别为主动端和被动端。主动端先安装约束圈，然后依次安装工作锚、工作夹片、限位板、测力传感器、千斤顶、工具锚、工具夹片；被动端直接安装测力传感器，然后依次安装千斤顶、工具锚、工具夹片。张拉测试时，被动端由于没有受到约束圈的约束，钢绞线与管道发生摩擦，产生阻力。

2)管道摩阻测试采用一端张拉，从20%的张拉控制力开始，分级张拉20%,40%,60%,80%的设计张拉力。标准试件的一端为主动端时测试两次，然后对调主被动端，再测试两次，取平均值。钢束伸长量通过钢板尺测量张拉端油缸长度并减掉夹片回缩量来获取。表1为本次试验中加载等级与相关试验参数。

表1 加载等级

3 试验结果及分析

表2 孔道摩阻试验结果

表2是两次试验过程中不同加载等级下张拉力损失率试验结果。图2是摩阻损失随加载等级的变化。对表2和图2进行分析可知：随着加载等级的增大，孔道摩阻损失率呈逐渐减小的趋势。对T孔道而言，初始张拉时损失率能够达到20%以上，在第四级张拉时，则减小到16%左右，M孔道与之类似。此外，还可以看出：孔道M与孔道T相比，张拉力损失率更大一些。孔道M的张拉力损失率普遍在30%以上，而孔道T则在15%～23%之间。M孔道与T孔道相比，孔道长度和弯起角度更大。这说明孔道长度与弯起角度对预应力损失有一定的影响，具体表现为孔道越长，弯起角度越大，预应力损失越大。

根据表2，对每级荷载的主动端读数、被动端读数进行线性回归分析，用最小二乘法原理，代入表2的试验数据，计算得到孔道偏差系数k为0.002 6，孔道摩阻系数μ为0.228，在设计中k为0.002 8，μ为0.24，满足设计要求。同时，根据《铁路桥涵设计基本规范》[6]，k位于0.002～0.003区间之内，μ位于0.2～0.26区间之内，满足规范要求。

4 应力损失与伸长量的关系

图3是T孔道和M孔道伸长量的试验结果。从图中可以看出：各孔道预应力钢束的试验实测伸长量与理论伸长量变化规律一致，都是随加载等级的增加而逐渐递增的变化规律，各级的增加量比较接近，前两个加载等级的增加量略大，而后两个加载等级的增加量略小。这主要是因为钢束在前两个加载等级的张拉力范围内处于初张拉状态，钢束的伸长随张拉力的变化是一种线性增长的趋势。从图中还可以看出，T孔道与M孔道的伸长量随加载等级的变化差距并不大，最大仅为10.2%。这说明弯起角度和孔道长度对伸长量的影响不大。

图4是应力损失随加载等级的变化。从中可以看出：孔道的应力损失随加载等级的增大呈线性增大的趋势。这说明在加载张拉过程中，钢束基本处于线性状态，并未有应力疲劳的现象产生。同时，T孔道的应力损失要多于M孔道也说明弯起角度和孔道长度对钢束应力损失的影响较大，这与前面的伸长量不同。预应力孔道线性往往有直线形和曲线形两种，由于孔道的制作偏差、孔壁粗糙度等原因，张拉预应力筋时，力筋与孔壁发生接触摩擦。孔道的长度越大，弯起角度越大，摩擦阻力累积越多，应力损失越大。

图5是伸长量与应力损失之间的关系。从中可以看出：应力损失随着伸长量的增加逐渐增大。这是因为随着加载等级的增大，伸长量逐渐变大，应力损失也逐渐变大，于是有应力损失与伸长量之间互为正相关关系。但从图5中也可以看出，伸长量与应力损失之间的这种正相关关系并非线性的。同时，T孔道的应力损失随伸长量的变化趋势较M孔道更大。这说明应力损失、伸长量随加载等级的变化与孔道的弯起角度、孔道长度等因素有关。依据前文的分析可知，M孔道的伸长量随加载等级与变化与T孔道相差不大，但应力损失随加载等级的变化则相差较大，于是造成了M孔道的应力损失随伸长量的变化趋势更大。

5 结语

1)通过对预应力桥梁的摩阻试验，结果表明该桥梁结构的摩阻损失、孔道偏差系数和孔道摩阻系数等均满足设计、规范要求，说明该试验梁体施工水平较高，孔道成孔质量好。2)孔道长度和弯起角度对钢束伸长量和应力损失都有一定程度的影响。不同的是孔道长度和弯起角度对应力损失影响较大，而对钢束伸长量的影响较小，但都表现为孔道越长，弯起角度越大，应力损失、伸长量都越大。3)由于伸长量和应力损失随加载等级的变化程度有所不同，所以钢束伸长量与应力损失之间为非线性的正相关关系。

[1] 郭振武,彭楠楠.预应力混凝土箱梁孔道摩阻损失测试[J].公路,2010(12):60-67.

[2] 刘振之.预应力长孔道摩阻试验研究[J].中外公路,2016(3):207-211.

[3] 员宝珊,李登科,孙帅峰.乌准铁路56 m预应力连续箱梁管道摩阻试验研究[J].铁道建筑,2017(7):32-34.

[4] 王向阳,吕 攀,王 杰.桥梁结构预应力损失试验研究[J].公路,2015(6):88-93.

[5] 张开银,黎 晨,成 琛,等.PC连续梁桥弯曲孔道摩阻损失[J].土木工程与管理学报,2011,28(4):6-11.

[6] TB 10002—2017，铁路桥涵设计基本规范[S].