桥梁预应力构件孔道摩阻试验方案.docx

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桥梁预应力构件孔道摩阻试验方案

桥梁预应力构件孔道摩阻试验方案

XXXX技术有限公司

2014年12月

1试验的意义和目的

随着现代预应力技术的发展,预应力混凝土在土木工程中的应用日益广泛。

特别是在桥梁结构中,预应力技术更为普遍,且大量采用后张法预应力施工技术。

但后张法预应力施工中,预应力损失大,准确计算困难。

在5种预应力损失（混凝土收缩徐变,预应力筋松弛,锚头变形、预应力筋回缩和接缝压缩,摩阻和混凝土弹性压缩）中,摩阻损失所占比例较大,计算尤为困难。

对于弯曲长束预应力孔道,摩阻损失高达40%以上。

预应力损失的准确计算是确定预应力筋中有效预应力的关键,直接影响桥梁结构的使用性能。

对预应力损失估计过高,可能使梁端混凝土局部破坏或梁体预拉区开裂,且降低延性。

对预应力损失估计不足,则不能有效提高预应力混凝土梁的刚度和抗裂性。

在现行桥梁规范中，对于一定的成孔材料其孔道摩阻系数是一个定值，并不考虑预应力钢绞线的数量、张拉力的吨位、曲率半径的影响。

但是实际上，当孔道曲率半径较小时，预应力钢绞线在同样的张拉控制力下，产生的径向作用很大，预应力钢绞线有陷入孔道内壁的趋势，将增大摩阻系数。

此外，随着预应力钢绞线根数的增加，沿小曲率半径布置的钢绞线受力不均匀，预应力钢绞线之间、钢绞线与孔道壁之间的摩阻也将有所不同，这些因素都将引起摩阻系数的增大。

一般来说，随着曲率半径的减小，预应力钢绞线数量的增加，摩阻系数也将增大。

如采用挂篮悬臂浇筑大跨径连续钢构桥时，精确计算预应力束的有效应力是保证施工过程中结构安全、成桥以后的线形和受力状态合理，需要考虑的重要因素之一。

然而，规范提供了孔道摩阻系数μ和偏差系数k的使用范围，但是范围太大，取不同的值，会得到完全不同的孔道摩阻损失。

虽然可以根据施工采用的结构材料，在试验室进行模型试验，但是试验室和施工现场环境相差较大，得出的结果相差甚远。

在《公路桥梁施工技术规范（JTG/TF50-2011）》中第7.8.5第一点“预应力张拉之前，宜对不同类型的孔道进行至少一个孔道的摩阻测试，通过测试所确定的值和k值宜用于对设计张拉控制应力的修正。

”

因此，开展孔道摩阻试验的目的是为了验证并修正设计数据和积累施工资料。

在高速公路桥梁工程施工中，为了准确确定预应力施工的张拉控制应力，非常有必要开展孔道摩阻试验。

2试验范围及内容

试验对象为高速公路桥梁预应力构件孔道摩阻试验，具体内容为桥梁T梁、箱梁、盖梁、连续梁、连续钢构等预应力构件孔道摩阻系数测试。

由于孔道摩阻系数与预应力构件的孔道类型，孔道成型方式以及预应力钢束的数量等因素的影响。

因此，需要对不同的预应力构件分别进行测试。

同时，同种类型的预应力构件由于长度的不同，导致曲率半径不同，也需要分别进行测试。

对于控制性工程、特殊桥梁，应该进行重点测试。

试验包括孔道摩阻试验、锚口和喇叭口摩阻试验。

孔道摩阻试验，要求被测试的梁应符合有关检验评定质量标准，其曲线孔道的布置应符合设计图坐标的要求，锚具的型号规格符合有关质量标准，锚垫板的位置符合规定要求。

锚口和喇叭口摩阻试验在试件进行。

孔道摩阻试验通过测定张拉束主动端与被动端实测压力值，根据规范规定的公式计算摩擦系数μ和偏差系数k。

锚口和喇叭口摩阻试验主要测试锚口和喇叭口的摩阻损失，根据张拉束主动端与被动端的差值计算锚口和喇叭口的摩阻损失。

3试验相关标准

（1）《公路工程质量检验评定标准》（土建工程）（JTGF80-1-2004）；

（2）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）；

（3）《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50--2011）；

（4）《桥梁预应力及索力张拉施工质量检测验收规程》CQJTG/TF81—2009

（5）国家相关标准、规范。

4试验仪器

（1）穿心式千斤顶：

测量范围0～2500KN,精度等级0.3级；

（2）对中环：

要求与传感器、千斤顶相匹配；

（3）测力传感器：

测量范围0～3000KN,精度0.01KN；

（3）位移计：

0～500mm，精度0.01mm；

（4）游标卡尺：

0～300mm，精度0.02mm;

（4）钢直尺：

0～300mm,精度1mm。

5试验原理

5.1孔道摩阻损失的组成

后张法张拉时，由于梁体内力筋与孔道壁接触并沿孔道滑动而产生摩擦阻力，摩阻损失可分为弯道影响和孔道走动影响两部分。

理论上讲，直线孔道无摩擦损失，但孔道在施工时因震动等原因而变成波形，并非理想顺直，加之力筋因自重而下垂，力筋与孔道实际上有接触，故当有相对滑动时就会产生摩阻力，此项称为孔道走动影响（或偏差影响、长度影响）。

对于孔道弯转影响除了孔道走动影响之外，还有力筋对孔道内壁的径向压力所产生的摩阻力，该部分称为弯道影响，随力筋弯曲角度的增加而增加。

直线孔道的摩阻损失较小，而曲线孔道的摩擦损失由两部分组成，因此比直线孔道大的多。

5.2孔道摩阻损失的计算公式

⑴摩阻损失的计算公式

JTGD62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中，对平面曲线和空间曲线力筋的孔道摩阻损失计算公式如下

（1）

式中：

为力筋张拉端曲线的切线与计算截面曲线的切线之夹角，称为曲线包角；

为从张拉端至计算截面的孔道长度，一般可取在水平面上的投影长度；

为力筋与孔道壁之间的摩擦系数，

为考虑孔道对其设计位置的偏差系数。

曲线包角的实用计算以综合法的计算精度较好，其表达式为：

（2）

式中：

为空间曲线在水平面内投影的切线角之和；

为空间曲线在圆柱面内展开的竖向切线角之和。

⑵测试数据的处理方法

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

，此时

为孔道长度

，

为孔道全长的曲线包角，考虑式

（1）两边同乘以预应力钢束的有效面积，则式

（1）可写为：

（3）

两边取对数可得：

（4）

对于直束，上式为：

（5）

、

可以通过实际测试得来，一元一次方程直接可以求得

值。

对于曲线束，一般情况下，制梁现场均采用一种制孔方法，或所测试的孔道均为一种制孔方法，这时孔道质量比较均匀，可以不考虑摩阻系数

和

的变异，利用最小二乘原理，试验误差最小时的

和

应使下式取得最小值：

（6）

故有：

（7）

式中：

为第i个孔道对应的

值，

为第i个孔道对应的力筋空间曲线长度（m），

为第i个孔道对应的力筋空间曲线包角（rad），

为实际测试的孔道数目，且不同线形的力筋数目不小于2。

实际测试的数据代入式（7），联立求得摩阻系数

和

。

6试验前的准备工作

（1）原始数据收集。

包括孔道钢束参数（钢束工作长度、起弯角、锚固时的控制力、钢束组成、设计钢束伸长值）、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）、钢绞线参数（生产厂家、型号规格、实测弹性模量）

（2）传感器、位移计、千斤顶、高压油泵、精密压力表（0.4级）检查。

（3）测力传感器的系统标定（用压力机），千斤顶和精密压力表的标定（用标定好的测力传感器）。

千斤顶应标定进油、回油曲线。

（4）根据标定结果，按每级5MPa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）计算钢绞线的下料长度并下料、穿束。

（7）孔道、梁端面清理干净。

（8）准备足够的记录表格。

（9）试验前应对有关人员进行技术交底。

7试验方法

图1箱梁孔道摩阻现场试验

图2连续钢构孔道摩阻现场试验

图3连续钢构孔道摩阻现场试验

7.1孔道摩阻试验

（1）试验时采用单端张拉，张拉前应标定好试验用的千斤顶和高压油泵，并在试验中配套使用，以校核传感器读数。

（2）试验采用两台压力传感器，分级测试预应力束张拉过程中张拉端与锚固端的荷载。

试验开始，梁的两端装千斤顶后同时充油，保持一定数值（约4MPa）。

（3）甲端作为张拉端，乙端作为锚固端。

从10％张拉控制拉力开始，荷载分8级张拉至接近设计张拉力，通过线性回归确定孔道张拉端和锚固端荷载的比值，如此反复进行三次（取三次结果的平均值）。

试验时根据千斤顶油表读数控制张拉荷载级，并校核数据，以确保试验结果的可靠性。

图4孔道摩阻试验示意图

（4）仍按上述方法，但乙端作为张拉端，甲端作为锚固端，乙端张拉，取三次结果的平均值。

（5）将上述两个平均值再次平均，作为该孔道的张拉端和锚固端荷载的比值。

（6）若两端为锥形锚，则需要进行锚口和喇叭口摩阻测试，以修正上述比值。

（7）利用二元线性回归的方法确定预应力孔道的k、μ值。

（8）钢束伸长量和夹片外露量通过位移计测量。

（9）钢绞线下料长度要满足要求，张拉端或锚固端钢绞线工作长度包括一个穿心式压力传感器长度、一台千斤顶长度、工具锚长度及额外工作长度。

备注：

采用智能千斤顶直接测量力值时需要注意千斤顶的主被动标定公式。

7.2锚口和喇叭口摩阻试验

锚口和喇叭口摩阻试验在混凝土试件上进行，截面中心处的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。

测试时需采用工作状态的锚头（安装夹片），试验采用单端张拉方式，在试件两端分别安装千斤顶，被动端测试前首先张拉，以便完成测试后进行退锚。

试验时示意图见图5。

试验时千斤顶分两次直接张拉至0.8

（

－钢绞线的面积），分别读取主动端和被动端传感器读数。

选取3套不同孔群锚锚具进行试验，每套共计张拉2次。

图5锚口和喇叭口摩阻试验示意图

图6锚板、喇叭口摩阻损失试验

8试验数据处理

8.1二元线性回归法计算μ、

值

计算公式为：

其中：

——第i束孔道长度，单位为m；

——第i束曲线孔道切线夹角之和，单位rad；

——第i束主动端与被动端传感器压力之比；

μ______钢筋与管道壁间的摩擦系数；

______管道每米局部偏差对摩擦的影响系数。

二元线性回归法是建立在数理统计基础上的计算方法，如果原始数据离散性大，则计算结果不稳定，任意增加或减少几组数据会造成结果的较大变动，反之则可证明原始数据的稳定性。

只有原始数据稳定可靠的情况下方可采用此法。

8.2固定μ值算

值

由于梁两端孔道位置均被端模板固定，故认为弯起的角度一般不会出现较大的波动，整个孔道摩阻系数的变化主要取决于孔道位置偏差；μ值是材料固有性质，和施工工艺没有关系，故可确定一固定的μ值，计算

。

μ值的确定有两种方法，一是直接取规范规定值，二是测出μ值。

μ值的测试可委托有关机构进行。

8.3张拉时钢绞线非弹性伸长值计算

（1）从张拉第一级起，逐级记录千斤顶油缸伸长值

；

（2）根据每级千斤顶油缸伸长值，计算每一级的钢绞线伸长值：

；

（3）取

相差最小的若干值求其平均值，一般是从第二级算起，并扣除传力锚固前的一级（该级往往不是级差的整倍数），计算方法为：

（4）钢绞线非弹性伸长值=

，此处

一般取第一、二级即可。

8.4钢绞线伸长值精确计算

（1）被动端锚外钢束伸长值计算

其中：

-被动端千斤顶压力

-被动端锚外长度

（2）孔道长度范围内钢束伸长值计算

其中：

——钢绞线伸长值；

——持荷5min后主动端锚下力；

——钢绞线工作长度；

——钢绞线弹性模量；

——钢绞线束截面积。

（3）主动端锚外伸长值计算

其中：

-主动端千斤顶压力

-主动端锚外长度

（4）钢绞线伸长值：

8.5试验中钢绞线伸长值的估算

其中：

-主动端锚下压力

-主动端锚下压力

9注意事项

在测试过程中需注意及准备以下事项：

（1）锚口和喇叭口摩阻测试时，被动端不能安装工作锚。

（2）限位板两面的槽深不同，一侧为6.5mm，另一侧为7.5mm，适用于不同的钢绞线类型，一侧为1860MPa，另一侧为1650MPa。

注意安装面。

（3）千斤顶安装时，要注意油缸的方向，应使油缸向外便于侧伸长值。

（4）千斤顶和传感器标定时应采用同一压力机标定，以消除千斤顶和传感器的标定系统误差。

标定时要有初读数、标到额定荷载后要缓慢回零，并记下回零读数。

当三次的读数差别较大或有两次差别不大而与另一次差别较大、或逐次增大时，应标第四次。

（5）试验前检查压力表指针是否在零读数位置。

（6）千斤顶行程要留20mm，这一段一般不成线性。

两端千斤顶预先伸长一部分以便退锚。

（7）读数根据加载表每级都读，注意应记录初始、

、持荷、锚固、回零几个状态的读数。

有关数据应由技术人员负责读取。

由于加压时压力表有振动，节流阀密实性的影响，操作人员的控制误差，实际读数与计算值有误差，此时压力表数据必须读实际达到的压力值，并且不得靠回油来调整压力值。

（8）张拉工艺：

张拉中应观察钢绞线是否有滑丝。

（9）由于实际张拉为两端张拉，而试验为一端张拉，因此千斤顶行程可能不够。

可采用两种方法，一是倒顶，二是张拉端串联两台顶。

（10）试验中应及时处理数据，发现数据反常则增加试验次数。

每做完一束均要计算实测伸长值、理论伸长值并校核误差。

（11）钢束弯起角指其圆心角，等于弧长除以半径。

（12）需提前计算好每级荷载（10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%）对应油表读数。

分级测试时，智能张拉操作人员控制好每级荷载，在压力显示值稳定后，迅速读取主、被动两端读数。

（13）孔道摩阻试验最后一级荷载根据油缸最大行程不超过195mm控制（现场和施工单位协商，也可190mm）。

（14）锚口和喇叭口摩阻试验，工作夹片退锚方法应提前和施工人员协商。

（15）一次测试循环完成后，应对整个测试系统进行仔细检查，包括安装传感器位置是否偏心偏离，千斤顶油泵等是否状态良好，钢绞线是否出现问题等，之后搁置约十分钟左右，方可进行下次测试。

（16）摩阻试验时箱梁混凝土强度需达到设计值的80%以上，试验前要对孔道进行清孔，对锚垫板及锚穴内平面整理清平，安装传感器时需保证传感器位置准确，且垂直于锚垫板，以保证试验数据准确性。

（17）现场需提供电源、倒链、操作平台；安排技术人员1～2人（指导工人操作、协助记录数据），工人6~8人（能够熟练进行装卸千斤顶、退锚等工作）配合试验。

（18）根据摩阻试验示意图，试验孔道钢绞线需提前下料，下料长度满足要求，钢束切割整齐。

（19）用作锚口和喇叭口试验的试件应采用与主梁相同混凝土标号、相同制造工艺预制，并配置适当数量的钢筋，防止局部受压破坏；孔道平直，与锚垫板管口同心，接口处无错台，否则无法取得理想试验结果。

（20）钢束回缩值和锚固前后的应力损失值不存在对应关系。

因为锚固后由于千斤顶内摩阻的影响，锚外钢束实际还有荷载；传力锚固时钢束停止滑移时的长度和对应张拉力无法测出；孔道内钢束回缩受反向摩阻的影响，存在一个应力不动点，实际参与回缩的钢束实际长度小于其工作长度。

（21）一定要将千斤顶和传感器系统标定，以消除系统误差。

（22）试验过程中，所有试验人员注意安全，千斤顶前方及侧前方禁止有人员活动。

10试验现场实施过程及进度安排

10.1检测现场实施过程

（1）孔道摩阻现场测试条件：

要求被测试的梁应符合有关检验评定质量标准，其曲线孔道的布置应符合设计图坐标的要求，并敷设圆顺，锚具的型号规格符合有关质量标准，锚垫板的位置符合规定要求。

钢绞线应选用同批号作为一束，并进行检验。

（2）现场检测时间：

由甲方、乙方及施工方共同约定现场检测时间。

（3）现场准备，按约定的检测时间，由施工方按所需试验的预应力构件，提前准备好现场检测条件。

（4）现场检测，由乙方对试验构件进行现场测试，检测过程中甲方协调各方配合乙方进行现场检测。

10.2检测进度安排

试验以业主下达的试验计划和时间为准，在约定的时间内及时进行现场试验，现场试验结束后，进行资料处理和分析，在1周内提交该次试验报告。