张经纬 汪 峰 王 宇

(三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌 443002)

高速铁路双洋大桥预应力孔道摩阻试验研究

张经纬 汪 峰 王 宇

(三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌 443002)

双洋大桥是大跨度铁路连续箱梁桥，孔道摩阻系数的确定是其施工控制中的关键问题，会影响控制张拉力的准确施加．目前桥梁设计规范虽给出了孔道摩阻和偏差系数的取值范围，但是预应力孔道摩阻影响因素复杂，需要通过现场摩阻试验才能确定．选择主桥5号墩顶1号块直筋和弯筋2种典型测试钢束，通过在垫板和限位板之间设置高精度穿心式压力传感器，千斤顶后工具锚设置夹片的安装方法，开展了双洋大桥孔道摩阻试验研究，并采用最小二乘法计算了预应力束孔道摩阻系数．试验表明：该桥孔道摩阻系数μ为0.232，孔道偏差系数k为0.002 6，均大于设计推荐值；弯曲型预应力钢束摩阻偏差大于直线型钢束，且钢束长度越大，偏差值越大，孔道摩阻损失不容忽视．

连续梁桥； 最小二乘法； 孔道摩阻系数； 偏差系数

大跨度连续箱梁桥具有整体性好，刚度大，桥面伸缩缝少等特点，是高速铁路跨越河流、沟谷的重要桥型之一．但连续梁体抗裂性能和变形能力受制于预应力的准确施加[1-2]，而孔道摩阻和偏差系数的确定是预应力张拉的关键问题[3]．目前我国铁路桥梁设计规范虽给出了孔道摩阻和偏差系数的取值范围，但在实际连续梁桥建设过程中影响因素复杂多变，如施工荷载、材料特性、加工安装等因素都会导致孔道弯曲和位置偏差，改变了预期的预应力大小．因此，开展现场孔道摩阻试验，修正预应力张拉设计值十分重要．

针对孔道摩阻系数问题，国内外学者进行了大量的研究．文献[4]针对摩阻试验问题，改进了管道摩阻损失的测试方法；使得管道摩阻测试更加合理准确；文献[5]对大跨度预应力混凝土梁桥的预应力损失和敏感性进行了研究；文献[6]提出了在确定k值的前提下，利用预应力束伸长量推算预应力损失的方法；文献[7]多方面剖析了预应力混凝土后张梁生产过程中常见预应力损失产生的根源及其危害，发现喇叭口进浆，锚穴角度偏差产生的折角摩阻及张拉刮牙、缠绕穿错孔眼所造成的预应力不可忽视；文献[8]对32 m箱梁预应力孔道摩阻试验进行了研究．

上述研究表明，连续梁桥因其跨度和结构的不同，其孔道摩阻系数并不完全相同．现场测试的摩阻系数与设计值往往存在一定的偏差，跨度越大，这种偏差越不能被忽视．本文以双洋大桥为工程背景，选取主桥5号墩1号块2根预应力孔道，开展孔道摩阻试验，计算了孔道摩阻系数μ和孔道偏差系数k，为桥梁的后期主梁悬臂浇筑和预应力的张拉修正提供实测依据．

1 工程概况

南龙客运专线双洋大桥位于福建省漳平市双洋镇境内，是南龙铁路的节点工程．主桥为三跨(40.6+64+40.6)m预应力混凝土连续箱梁桥，横跨双洋溪和S208省道，采用三角挂篮悬臂施工．主墩顶3.0 m范围内梁高5.2 m，跨中及现浇段梁高2.8 m，箱梁底板下缘按二次抛物线变化．箱梁顶宽12.5 m，主墩处梁底宽6.352 m，单侧悬臂长3.05 m，悬臂端部厚20 cm，悬臂根部厚60 cm．箱梁腹板变厚度，主墩处腹板厚110 cm，跨中及边墩支点附近变成50 cm；底板也是变厚度，主墩根部处厚100 cm，跨中变至44 cm，而边跨直线段底板厚60 cm；顶板在主墩根部厚69 cm，中跨处顶板厚43 cm，边墩处59 cm．顶板和底板都设有50 cm×25 cm的倒角，箱梁在主墩及边墩顶设置横隔墙，主墩墩顶隔墙厚200 cm．隔墙设过人洞，供检查人员通过．双洋大桥箱梁截面构造图如图2所示．

图1 双洋大桥桥跨立面布置图(单位：m)

图2 箱梁截面标准图(单位：cm)

2 孔道摩阻试验

大跨度连续箱梁桥的摩阻损失主要是预应力筋张拉时，钢束与预留孔道壁之间存在接触，对孔道施加正压力而引起摩擦损失．研究表明，摩阻损失值随着钢束长度和弯曲角总和而增加，此时摩阻力较大．另外，孔道预留位置与设计值的偏差会导致预应力筋和孔道接触面增大，也会引起摩阻力．因此，大跨度预应力连续梁桥需要进行现场的预应力孔道摩阻试验，以便确定后期的预应力张拉，保证施工质量．

2.1 钢束选择

双洋大桥箱梁预应力钢束共233根，为了摩阻试验值具有代表性，又不延误下阶段梁的预应力张拉，钢束选择十分重要．如果选择的钢束长度过短，试验获得的孔道摩阻损失偏小，不具备代表性；钢束长度过长，由于采用单端张拉，则钢束伸长量过大，常用的千斤顶行程不能满足要求，试验难度增加．因此，结合双洋大桥实际情况，选取5号主墩1号块顶板束T2和腹板束M2，分别进行孔道摩阻试验，钢束位置如图3所示，钢束参数见表1．

图3 孔道位置示意图(单位：cm)

编号规格根数控制张拉力/kN管道长度L/cm管道曲线角θ/°管道曲线角θ/rad位置T212-φj15.2422100140000顶板M212-φj15.24221501446230.40腹板

2.2 试验过程

1)根据如图4所示摩阻试验布置，安装锚垫板、传感器、限位板、千斤顶、工作锚．

2)为减小退锚难度，在张拉前将锚固端千斤顶油缸空载顶出10 cm，然后安装夹片，张拉完成后，锚固端千斤顶回油，减小退锚时钢绞线的预应力．

3)梁两端转千斤顶后同时充油，并保持一定数值(约4 MPa)．

4)腹板束M2龙岩端封闭，南平端张拉．根据张拉分级表，张拉端千斤顶进油分级张拉，20%-40%-60%-80%-100%(430 kN-860 kN-1 290 kN-1 720 kN-2 150 kN)，为了尽量减少试验误差，第2次和第1次一样，但南平端封闭，龙岩端张拉．第3次龙岩封闭，南平端张拉．

5)顶板束T2仍按上述方法，分级张拉至控制应力，第一次按20%-40%-60%-80%-100%(420 kN-840 kN-1 260 kN-1 680 kN-2 100 kN)．第2次和第1次一样但南平端封闭，龙岩端张拉．由于是直线管道，摩阻损失较小，两边分别作为主动端各做1次即可．

图4 现场孔道摩阻试验布置图

2.3 孔道摩阻系数计算

依据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB1002.3-2005)[9]，预应力钢束摩阻损失σsl按下式计算：

(1)

式中，σk为预应力的张拉控制应力(MPa)；θ为弯曲孔道端部切线交角(rad)，对于空间预应力束，空间包角情况下，θ采用如下近似方法计算：

(2)

式中，θH为弯曲钢束在水平面上投影包角；θV为弯曲钢束在竖向圆柱面展开平面上投影包角；i为曲线钢束的分段数；x为预留孔道长度(m)；μ、k分别为孔道摩阻系数和孔道偏差系数．

本文根据试验采集的张拉端和固定端的压力，采用最小二乘法计算孔道摩阻系数μ和k．被动端的拉力FB与主动端的张拉力FZ关系为：

(3)

为根据试验数据确定参数μ和k的值，令

(4)

则：

(5)

由于施工因素影响，孔道摩阻试验存在试验误差，假定测试误差为Δ，即

(6)

假设预应力钢束有n束，则

(7)

采用最小二乘法，全部预应力钢筋测试误差的平方和为

(8)

欲使试验误差最小，应使

(9)

整理可得：

(10)

孔道摩阻参数μ和k可由式(10)计算．由于方程的两个参数存在偶联[10]，摩阻试验时有必要选择2束及以上的预应力钢束才能求解出μ和k值．

3 结果分析

为计算预应力摩阻损失，本试验采用单端张拉．一端作为张拉端，一端作为固定端，相互交叉，摩阻损失值为两端压力传感器的压力差．实测结果见表2．

由公式(10)联立可求解：

将摩阻实测数据代入公式(10)可得，腹板束c值平均为0.129，顶板束试验c值平均值为0.037，最终可得：

μ=0.232，k=0.002 6．

表2 孔道两端试验压力值

由摩阻系数试验值可知，双洋大桥现场实测摩阻系数0.232大于设计孔道摩阻系数0.23．孔道偏差系数为0.002 6也大于设计值0.002 5．实测和设计存在一定的偏差，有必要修正预应力张拉控制力．这种偏差主要是由于孔道位置和弯起角度与设计有一定误差等原因造成的．

基于试验结果，为了进一步分析设计摩阻与实测摩阻的偏差对不同长度、不同弯曲率钢束控制张拉力的影响规律，选择了8根顶板直线束和8根腹板弯曲束，共16束．其中编号T2～T9，分别代表1号到8号梁块箱梁顶部钢束，T9最长为61.99 m．编号M2～M9为腹部钢束，M9长为62.25 m，弯曲角度22°．对于每根钢束，计算了摩阻损失与实测摩阻损失之间的偏差，如图5所示．

图5 设计值与实测值偏差

由图5可知，弯曲预应力钢束的摩阻偏差大于直线钢束，且钢束长度越大，偏差值越大．对最长的直线

钢束T9而言，偏差值达到11.1 kN．最长的弯曲钢束M9的偏差为11.6 kN，故弯曲筋的孔道摩阻损失不容忽视．因此，施工前，有必要准确测试孔道摩阻系数，充分考虑摩阻损失，保证预应力有效值达到设计值．

4 结 论

1)该桥孔道摩阻系数μ为0.232，孔道偏差系数k为0.002 6，均大于设计推荐值；偏差主要是孔道位置和弯起角度与设计有一定误差等原因造成的．

2)弯曲预应力钢束的摩阻偏差大于直线钢束，且钢束长度越大，偏差值越大，孔道摩阻损失不容忽视．施工时应严格控制波纹管的位置，张拉之前应清理管道，这些因素都会影响张拉的效果．

3)本文只选取了2种钢束进行了试验，如果条件允许，建议选择更多的钢束进行摩阻试验，得到准确的摩阻系数值，以便更好地指导施工．

[1] 张 文，谢全懿，李学斌，等．高速铁路桥预应力孔道摩阻损失系数误差敏感性分析[J]．中国铁道科学，2015，36(6)：31-36．

[2] 丁大均．钢筋混凝土结构学[M]．上海：上海科学技术出版社，1985．

[3] 桂丹公路特大桥预应力孔道摩阻试验研究[J]．混凝土，2010(11)：13-15．

[4] 刘永前，张彦兵，王新敏．后张梁管道摩阻损失测试技术与数据处理[J]．中国安全科学学报，2005，15(1)：104-107．

[5] 李准华，刘 钊．大跨度预应力混凝土梁桥预应力损失及敏感性分析[J]．世界桥梁，2009(1)：36-42．

[6] 祝朝旺，黄强东，陈舜东．交梨河特大桥预应力孔道摩阻的试验研究[J]．铁道建筑，2012(4)：50-52．

[7] 孙金更．后张梁预应力损失的研究[J]．铁道建筑，2015(5)：18-25．

[8] 贺国京，邹永旺，易 锦．石梅湾大桥32 m箱梁预应力孔道摩阻试验研究[J]．中南林业科技大学学报，2010(1)：69-72．

[9] TB10002．3-2005．铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S]．

[10] 高小华，成剑波，张 峰，等．斜拉桥索塔U形预应力束摩阻试验研究[J]． 中外公路，2016，36(2)：82-85．

[责任编辑 王康平]

Experiment Research on Friction Resistance of Prestressed Duct of Shuangyang Bridge in High-speed Railway

Zhang Jingwei Wang Feng Wang Yu

(College of Civil Engineering & Architecture, China Three Groges Univ., Yichang 443002， China)

The Shuangyang Bridge is a continuous beam bridge with large span; it is important to determine duct friction coefficients in construction, which affect the accuracy of the design and control of tensile force. At present, the ranges of friction resistance coefficient and deviation coefficient have been given in the bridge design code. However, the influence factors of the frictional resistance of prestressed ducts are complex, which needed to be determined through the field test. The straight and curved steel strands were selected in the block #1 at the top of pier #5; the duct friction test of Shuangyang Bridge was processed by setting high precision through-type pressure sensor between the backing plate and the location-limited plate and clamping jaws with wedges were behind jacks. The least square method is used to calculate the friction coefficient of the prestressed duct. The experimental results show that the friction resistance coefficient of the duct is 0.232 and deviation coefficient of duct is 0.0026, both of which are bigger than recommended values in code; the friction resistance of the curved prestressed steel strands is larger than that of the straight stands is, the larger the length of the steel stands the bigger the deviation value is; and the duct resistance loss cannot be ignored.

continuous girder bridge； least square method； duct friction resistance； deviation coefficient

2016-07-06

湖北省教育厅项目(Q20131307)；湖北省自然科学基金项目(2014CFB331)

汪 峰(1979-)，男，博士，副教授，研究方向为复杂桥梁结构非线性计算分析．E-mail：wanggoody@126.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.011

TU378

A

1672-948X(2017)03-0049-04