预应力混凝土桥梁孔道摩阻现场测试分析

预应力混凝土桥梁孔道摩阻 现场测试分析

田亮

中冶建筑研究总院有限公司， 北京 100088

摘要：在预应力混凝土桥梁施工中，设计图纸及规范给出的预应力可能与现场的实际情况并不相同，为了更科学地进行梁体预应力拉伸，施工单位的技术人员必须在施工现场进行桥梁孔道摩阻测试，以获取现场施工中实际的孔道摩阻系数及偏差系数，从而帮助施工企业更准确地施加预应力。本文就以某预应力混凝土桥梁施工建设中孔道摩阻现场测试为例，探讨了现场进行孔道摩阻测试的办法、操作的要点及数据处理的技巧，仅供相关施工企业参考。

关键词：预应力混凝土桥梁；孔道磨阻；现场测试

前言：

桥梁是我国交通领域重要的组成部分，随着现代科学技术的快速发展，在当前的桥梁建设中，预应力混凝土结构的桥梁建设形式越来越多，特别是预应力后张拉施工技术，更是成为大多数桥梁施工中普遍采用的施工方式。但在实际运用中，施工会受到材料、环境以及施工工艺等方面的影响，导致预应力损失与设计出现一定的偏差。如果预应力损失估算过高，会导致预应力混凝土桥梁局部出现开裂或破坏的现象，反之，预应力损失估算过低，则会影响到预应力混凝土桥梁的刚度及抗裂性能。因此，在实际施工中，为了保证桥梁中的预应力筋的实际有效预应力，应根据《公路桥涵施工规范》的相关规定，在预施应力前，进行孔道摩阻测试，并根据测试的结果计算实际的施工控制应力。

一、预应力混凝土桥梁孔道摩阻测试的目的、原理及方法分析

某大桥是某市市内高架立交桥，该桥连续梁跨度较大，建成后序通行大量车辆，对其结构的安全性要求极高，对外观的美观程度也具有一定的要求。在设计时，设计人员设计的是挂篮悬浇连续箱梁的方式，并建议桥梁预应力施工孔道摩阻系数μ值为0.20，偏差系数k值为0.0015。

（一）测试的目的分析

根据中华人民共和国交通运输部于2004年发布的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62－2004）的规定，进行孔道摩阻测试首先是验证设计所取的计算参数是否正确，避免预应力损失计算估值过高或过低给混凝土桥梁结构带来一定的安全隐患；其次是为实际施工提供更加准确、可靠的依据，从而帮助施工企业更精准地确定张拉控制力及预应力筋的伸长量；最后是方便施工企业技术人员及监理单位工程师检查孔道及张拉工艺的施工质量。

（二）测试原理

预应力混凝土桥梁孔道摩阻测试的原理如图1所示：

图1 预应力混凝土桥梁孔道摩阻测试原理图

（三）试验方法

在传统的孔道摩阻测试中，施工企业一般会采用主、被动安装千斤顶的方式，然后读取油表数，在根据读数进行计算。这种测试操作的过程过于繁琐，且存在着数据准确度不足的问题。为了避免这一问题的出现，当前大多数施工企业都会运用压力传感器代替油表，通过读取压力器的数值进行计算。在实际操作中，施工企业需要准备2台350t的千斤顶、2台高压油泵、2块0.4级的精密压力表、2台智能六弦数码穿心式压力传感器，要求传感器的灵敏度为1kN、1台读数仪、2根配套的连接线缆、专用的工具锚2套、专用的工作锚1套、配套限位板1块以及2把0.5mm精度的钢板尺和记录用的夹板、钢笔、计算器与若干张A4纸。

做好准备工作后，施工企业的技术人员可以将高精度传感器放置于工具锚与桥梁的梁体之间，湖综合室放置于千斤顶与梁体之间，以此准确感应管道两端预应力筋的拉力值。这样两端读数的差值即为孔道摩阻损失。为了确保测试结果的准确性，技术人员还应交换主动端和被动端，进行测试。如此反复进行三次重复测试，然后取平均值。此外，在进行测试时，传感器和千斤顶的安装必须保证正确对中，从而确保传感器、千斤顶和预应力筋束的轴线重合，且在操作中需要均匀施力张拉千斤顶，中途千万不能停顿，以有效避免预应力筋束出现回缩现象而影响到测试结果的准确性。

二、摩阻损失试验的关键点

首先，施工企业应合理选择试验孔道。为了确保开展孔道摩阻测试所选用的孔道具有典型性，确保测试所得的数据也具有代表性，并获得正确的预应力孔道摩阻参数，施工企业应对预应力桥梁各孔道的长度、弯曲度进行全面、细致的评估，最终选取最有代表性的孔道。在本次桥梁孔道摩阻测试中，施工企业就是根据这一原则，通过系统的评估，最终选取了其中具有典型代表性的4个孔道进行测试。

其次，施工企业应在试验前准确标定测试所用的高压油泵、压力传感器和张拉千斤顶。在这一环节的操作中，必须确保标定高压油泵、压力传感器和张拉千斤顶的压力机为同一设备，从而有效避免这三种仪器标定时的系统误差的存在。

再次，按照施工方案的要求顺序，以此进行预应力筋束、传感器、工具锚以及千斤顶的安装。然后在固定端千斤顶进油空顶10cm后予以关油处理，促使两端的预应力筋束能够预紧，并锚紧在千斤顶上。然后细致检查两端中轴是否对中重合。确保重合后，使千斤顶进油，保持4MPa左右的适当拉力。

最后，测试系统经过检查无误后，施工技术人员可以张拉主动端，在这一环节中，可按级张拉，每级递加5MPa。而且，每升一级张拉力时，都要准确读取两端传感器的读数，并量测油缸伸出量，同时进行准确记录。而且，在这一环节中，每个测试孔道都要张拉3次，然后再将主动端和被动端进行调换，按照上述方法在进行3次的张拉，并记录下每一级荷载下的测试数据。此外，在测试中，技术人员必须保证每完成一个孔道的所有测试后，才能进行下一个孔道的测试。

三、试验数据分析处理的方法

针对测试所得的各个参数，可采用二元线性回归法进行计算。预应力筋束与孔道间的摩阻损失计算公式是：

б_s摩＝б_con[1－e^{-（μθ+kx）}]＝βб_con………………………………（1）

式中的б_con为锚下预应力筋束的控制应力，单位是MPa；θ是从张拉端至计算截面的长度上力筋弯曲角之和，单位是rad。一般情况下，直线力筋的θ值为0；x是张拉端至计算截面的孔道水平投影长度，单位是m；μ是力筋束与孔道壁之间的摩阻系数，其取值范围根据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）规范的建议值，应在0.20～0.25之间；k是管道对其设计位置的偏差系数，根据《公路桥涵施工技術规范》（JTG/T F50-2011）的推荐值为0.0015；β为损失率，单位是%。

在计算空间曲线束的孔道摩阻损失时，其计算表达式与平面曲线相同，但需要将曲线转角θ改为空间包角θ_包。这一空间包角的计算公式为：

θ_包＝

式中的a为力筋束竖向平面内的弯起角， 为力筋束水平面内的弯起角。如果该力筋束仅在竖向平面内弯起，则 的取值为0。

在预施应力产生的过程中，当离开张拉端x处后，因管道摩阻而损失的力筋束内力值计算公式为：

F_x＝F_A[1－e^{-（μθ+kx）}]＝βF_A

式中的F_A为张拉力，单位是kN。如果在施工中采用一端固定，仅张拉另一端的方式时，在测定孔道摩阻系数及偏差系数时，其计算公式为：μθ_包＋kι＝-ln（1－β）。式中的“ι”和“θ_包”分别代表张拉端至固定端力筋束的长和空间包角，如果力筋束呈直线布局，则“θ_包”的取值为0，这样k＝-ln（1－β）/ι。如果力筋束的布置呈曲线状，则需要借助两根以上的力筋束测试的结果，再利用最小二乘法计算得出μ和k的值。

在试验的过程中，难免会出现失误，导致误差的出现，工作人员就可以运用极值原理，建立μ和k的联立方程，最终准确求出μ值和k值。

通过将测试所的参数套进公式计算，得出本次孔道摩阻系数μ值为0.2134，计算值在《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）规范的建议值0.20～0.25范围内，表明实测值合理有效。而从计算结果得到的偏差系数k＝0.0016，计算值与《公路桥涵施工技術规范》（JTG/T F50-2011）的推荐值（0.0015）相差不大，表明实测值合理有效（见表1）。但从实际测量试验工作的计算结果看来，实际的孔道摩阻系数与偏差系数均与设计单位在施工图纸上给出的建议值存在着一定的差异，这也意味着在实际施工中，对预应力混凝土桥梁进行孔道摩阻试验十分必要，能确保预应力结构施工的质量。在本次施工中，施工企业按照实际孔道摩阻试验测得系数μ和偏差系数k对各孔道的预应力束张拉值进行了重新计算，并据以施加预应力。

表1 孔道摩阻试验结果

Tab.1 Duct friction resistance test results

结束语：

综上所述，在预应力混凝土桥梁施工中，为了准确控制梁体预应力施加的质量，准确对其施加预应力，并确保结构承载性能的安全及线型的美观，施工企业必须进行孔道摩阻现场测试。本文就以某预应力混凝土桥梁施工中的孔道摩阻试验为例，探讨了现场进行孔道摩阻测试的办法、操作的要点及数据处理的技巧，希望笔者的阐述能为相关企业的施工提供参考，提升施工的质量。

参考文献：

[1]张开银,曹萱,胡国海.预应力混凝土桥梁弯曲孔道接触应力研究[J].大连理工大学学报,2019,v.59,(06):70-76.

[2]杨德忠.预应力混凝土桥梁施工中真空压浆技术的应用分析[J].人民交通,2019,No.380,(09):72+74.

[3]王彦伟,付建村.基于IES法测试预应力孔道灌浆密实度的研究[J].工程建设,2019,v.51,(06):25-29.

[4]邹君.大跨径预应力混凝土桥梁弯曲孔道预应力摩阻损失研究[D].导师:张开银,武汉理工大学,2019:1-83.

[5]郭青伟,李科,孟超.预应力混凝土桥梁孔道磨阻现场测试及研究[J].黄河水利职业技术学院学报,2017,v.29;No.113,(04):48-52.

[6]张俊光,张勇.冲击回波在预应力混凝土桥梁孔道压浆质量检测中的应用[J].内蒙古公路与运输,2015,No.145,(01):41-43.

[7]张志林.预应力混凝土桥梁孔道摩阻试验研究[J].科学技术与工程,2010,v.10,(18):97-100.