某匝道桥预应力损失试验及试验结果分析

某匝道桥预应力损失试验及试验结果分析

冯宏宇

哈尔滨市市政工程设计院哈尔滨150040

摘要：在工程实践中，预应力施加时张拉控制应力与伸长量双控却与规范规定的数据出入较大，仔细分析其原因，主要是实际孔道摩阻损失系数与规范给定的数据不相符。随着工程实践反映出来的问题，目前越来越多的设计单位要求在现场测试孔道摩阻损失系数，以便于设计单位调整控制张拉应力，确保桥梁的施工质量及使用安全。但是目前规范给定的试验方法得出的实验数据较为粗糙，得出的结论可靠度不高。

1、工程概况

桥梁结构为半径150m的现浇预应力混凝土曲线连续箱梁，分为4联，跨径布置均为4×22m。下部构造为花瓶形独柱结构形式桥墩和混凝土钻孔灌注桩及5×5m矩形承台。桥台采用双肋板式结构。现浇箱梁采用C50混凝土，弹性模量为3.45×104MPa。钢绞线采用低松弛高强度钢绞线，其抗拉强度标准值fpk=1860MPa，公称直径d=15.2mm，弹性模量Ep=1.95×105MPa，松驰系数0.3。预应力管道采用预埋金属波纹管。桥梁横断面图、预应力束布置图所示。

图2桥梁横断面图布置图

张拉时预应力钢束与管道壁接触面产生摩擦力引起预应力损失，称为摩阻损失。其损失主要有两种形式：一是由于曲线处钢束张拉时对管道壁施以正压力而引起的摩擦，其值随钢束弯曲角度总和而增加，阻力较大。另一是由于管道对其设计位置的偏差致使接触面增多，从而引起摩擦阻力，其值一般相对较小。预应力束的伸长量可以反映预应力钢束的总体受拉伸长值。

2、试验模型

用公路桥梁结构分析软件桥梁博士对该截面按A类构件进行结构计算。实际桥梁为弯桥结构，运用梁格法建立模型：首先，将箱梁划分成两道纵梁，两道纵梁截面如截面划分图一、二所示；其次，两道纵梁间用虚拟横梁进行连接，虚拟横梁自重不计；预应力钢束编号：模型中1、2#钢束对应实际N1号外侧、内侧钢束，模型中3、4#钢束对应实际N2外侧、内侧钢束，模型中5、6#钢束对应实际N3号外侧、内侧钢束；模型中预应力钢束的管道摩阻系数μ及局部偏差系数k按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中表6.2.2的规定取最大值，分别为：μ值取0.25，k值取0.0015。

图3单元钢束外形图

表1预应力筋长度及伸长量理论值表

图5固定端照片（安装仪器后）

4、试验步骤

为了测定后张法预应力损失，拟选择一束外侧预应力束N2-1作为测试束进行试验。确保试验安全、顺利进行，以及提供准确可靠的实验数据，试验按如下步骤进行：

1、张拉前应标定好试验用的千斤顶和高压油泵，校核传感器读数；

2、根据孔道摩阻试验布置示意图安装穿心式锚索计（传感器）、锚具、千斤顶以及检测仪器；

3、根据分级荷载张拉千斤顶，加载级别共分10级荷载，分别为控制应力（1395MPa）的10%、20、30%、40%、50%、60%、70%、80%缓慢张拉，记录固定端和张拉端及应变测点的数据；

计算固定端和张拉端的比值，当荷载等级在60%~80%时固定端和张拉端的比值相差不大（或接近）时停止试验；

4、当张拉至分级荷载最大值时张拉千斤顶回油，并卸载到零；

5、为消除偶然因素所造成的误差影响，重复步骤3-步骤5一次，即摩阻试验共加载2次，进行结果分析时，各级加载情况下的测试值为两次测试结果的算术平均值；

6、摩阻试验结果及计算

后张法预应力混凝土施工是通过千斤顶施加给预应力钢束预加张拉力，预加张拉力的大小由经过标定的油泵仪表测量，油泵仪表上显示的张拉力数据是钢束张拉力的基本数值，但由于千斤顶在使用过程中可能出现误差以及发生部件的损坏，还有钢束发生破坏等因素存在，因此油泵仪表读数不能作为施加预应力施工的唯一控制标准。为了保证施工顺利进行，一般在张拉作业时，还必须对预应力钢束张拉伸长量进行校核，二者结合起来，才能综合反映预应力束筋张拉力是否满足设计要求。

本次试验，考虑到实际环境温度较低及预应力束疲劳工作状态等情况，为了防止试验过程中出现断丝情况，将张拉端的控制应力控制在1395Mpa的80%和60%。

在实际试验中为了模拟多孔道数据，在距主梁张拉端54.747米的主梁腹板处布置一个应变测点，通过静态应变测试仪测试出预应力束张拉过程中的钢绞线的应变。这样可以将张拉端至固定端、张拉端至应变测点处分别作为一组孔道数据，表6-2为预应力束N2-1在两部分孔道的实际数据与测试数据。

N2基本资料及测试数据

将以上数据得到实测摩阻系数与实测局部偏差系数为：k=0.55，μ=0.0035。

在实测系数下（μ值取0.55，k值取0.0035时），通过模型计算，预应力筋在张拉控制应力为1395Mpa下的各项预应力损失及有效预应力值见表6-3~表6-8所示。

在实测的摩阻系数与局部偏差系数下，锚固端的有效预应力的理论值与实测值基本接近，比值在1.01~1.35，说明试验数据可靠的。

根据施工规范要求对N2-1束预应力钢绞线进行张拉，测量预应力钢束的实际张拉伸长量，并与实测得到的k和μ值计算的伸长量进行分析比较。具体数据见下表。

张拉伸长量

根据张拉伸长量比较结果中可以看到根据实测k、μ值计算的理论伸长量与张拉实测伸长量值均较为吻合，理论伸长量和实测伸长量的比值为1.12，各个荷载等级下理论伸长量与实际伸长量的比值在0.68~1.01之间，表明本次试验方法和试验成果是可靠的。

7、结论

随着预应力筋张拉力的增大和弯曲包角的变大，弯曲孔道摩阻预应力损失也将快速增加。现行JTGD62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》弯曲孔道预应力损失计算的缺陷，使得计算预应力损失远远小于实际值。对于大跨度预应力混凝土连续梁桥、结构刚构桥，多弯曲、大角度超长预应力筋的不合理设置，过大的预应力损失是其箱梁跨中挠度过大或腹板开裂的主要原因。

通过对匝道桥的预应力损失的检测试验可以得到以下结论：

1、在对张拉端及锚固端的预应力束应力监测时，在各荷载等级下，锚固端的有效预应力为张拉端的39.8%左右，说明预应力管道不存在突变和尖角，预应力束无卡死状态，预应力可以通过波纹管传递到锚固端。

2、对实测数据进行整理、计算，得到实测管道摩阻系数μ=0.55，局部偏差系数k=0.0035。本次试验所测试的管道摩阻系数μ及局部偏差系数k超过《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定的极值0.25及0.0015。

3、在实测的管道摩阻系数及局部偏差系数下，试验预应力束锚固端的有效预应力理论值与实测值的比值比较接近，在1.01~1.35之间，说明锚固端的应力测试数据准确、可靠。

4、在实测的管道摩阻系数及局部偏差系数下，试验预应力束理论伸长量和实测伸长量的比值为1.12，各个荷载等级下理论伸长量与实际伸长量的比值比较接近，在0.68~1.01之间，说明预应力束伸长量测试数据准确、可靠。

另外需要说明的是：本次试验数据和结论只能代表所试验的预应力束的实际情况，随着施工的进行，有可能发生工艺、材料、人员、温湿度等情况的变动，因此，本次试验结论不能对后续节段未确定因素进行推导，而只能作为一种参考。