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预应力混凝土梁张拉摩擦阻力试验
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【摘 要】 以天津市区至滨海新区快速轨道交通工程为实例,通过预应力张拉摩擦阻力试验,测定了预应力混凝土结构中的管道摩擦阻力。
【关键词】 快速交通轨道;预应力;摩擦阻力;徐变
1 工程概况
天津市区至滨海新区快速轨道交通工程是天津城市交通重要组成部分,是目前全国最长的轻轨工程。该工程一期设计全长45.409km,含高架桥和地面线,均为一次双线,本次建成车站15个,预留车站4个,全线高架桥梁长度为40km,区间高架桥均采用现浇混凝土连续梁。列车两动两拖编组,设计运行速度为100km/h。（参考《建筑中文网》）
天津市区至滨海新区快速轨道交通工程桥梁徐变与变形分析和长期观测的目的主要是为了通过理论分析与现场试验观测掌握预应力钢筋混凝土桥梁的收缩与徐变的变形特征及变化规律,正确估算与预测桥梁的徐变拱度,为设计单位提供合理化建议,使得天津市区至滨海新区快速轨道交通工程中的桥梁徐变拱度不超过规定限值,确保线路中的桥梁耐久性、安全性和平顺性的要求,并能提高整个轨道交通工程列车运营的安全性、旅客的乘坐舒适性,并能有效地减轻整个轨道交通工程的养护、维修工程量。
天津市区至滨海新区快速轨道交通线路中,由于88%的线路部分为高架桥,桥梁的上部结构又以预应力钢筋混凝土结构为主,高架线路以无碴轨道为主。对于无碴轨道线路,由于没有道碴来调节轨道的高程,所以,它的高程的可调节性很小。如果由于混凝土徐变,使得梁的上拱度(徐变拱度)超出了无碴轨道高程的可调节范围,将对轨道线路的平顺性产生巨大的危害。徐变拱度太大,也可能导致钢轨扣件破坏失效,影响轨道的稳定性。这些都是影响列车安全运营的巨大隐患。预应力越大,徐变拱度越大。所以对预应力混凝土梁的徐变拱度进行控制是很重要的。
2 预应力张拉摩擦阻力试验
摩擦损失是指预应力筋与周围接触的混凝土或套管之间发生摩擦造成的应力损失。在后张混凝土中,预应力筋通常一端为固定端,另一端为张拉端,用千斤顶张拉。当预应力钢材受到张拉并与管壁接触时,就会引起摩擦力,结果使固定端的拉应力小于千斤顶张拉端的应力,一般可通过超张拉来予以补偿。
后张法预应力混凝土结构中管道摩擦阻力估算的准确程度直接影响结构的使用安全,而施工质量的优劣往往会影响管道摩阻的大小。为确保津滨快速轨道交通工程桥梁质量,铁道科学研究院铁道建筑研究所于2002年6月29日对A319—A322段3×25Ma型预应力混凝土连续箱梁的三种预应力曲线管道(3束)进行了管道摩阻测试(整个三跨连续箱梁有通长的预应力曲线管道12束,分上中下3排,横向分成4组。这里对其中一组的上中下3束通长管道进行测试)。管道由Φ90mm波纹管成型,预应力钢绞线束由12-Φ15预应力钢绞线组成。
2.1试验方法
试验时采用的张拉设备与实际施工时相同,由于管道长度达75m,应该采用两端张拉的方法,但是为了试验的要求,准确测出预应力中摩擦阻力的损失值,所以试验中采用单端张拉的方法。在主动端把两台千斤顶串联使用,以满足张拉时过大的伸长量的要求。测力传感器为上海华东电子仪器厂生产的2500kN穿心式压力传感器(精度0. 5%),钢绞线束伸长量过钢直尺测量张拉端千斤顶伸长量并减掉夹片回缩量来获得。
试验中采用一端张拉,12-Φ15预应力钢绞线从220KN拉力开始,分8级张拉至接近设计吨位1900kN。对于每个管道中的预应力钢绞线张拉伸长直,测量时主要读取下列内容:张拉端与固定端测力传感器读数、张拉端千斤顶油缸伸长量、张拉端与固定端夹片回缩量。
试验中可以在预应力束张拉前分别在其固定端和张拉端安装压力传感器,分级测试预应力束在张拉过程中固定端和张拉端的荷载(两个循环),并利用线性回归确定管道固定端和张拉端的荷载比值。由此可确定预应力钢筋应力及管道摩阻系数,由于管道摩阻而产生的预应力损失等。在测量中同时测出预应力钢绞线束的伸长量,可以测量预应力束的弹性模量。
(1) 管道摩阻:管道摩阻力由管道曲率效应和偏差效应两部分组成,管道摩阻可按下面的理论计算公式计算:
P2=P1×e-(μθ KL)
式中:P1、P2—分别为张拉端和固定端管道口钢绞线束拉力;
L、θ—分别为管道总长度(m)和管道总弯起角(rad);
K、μ—分别为管道偏差系数和钢绞线束与管道壁之间摩擦系数。
P1、P2可由传感器测出,L、θ按设计值取用,因此按二元线性回归即可求得K和μ,3束管道长度、管道弯起角、P2 /P1设计值和实测回归P2 /P1列表1。
根据第一次张拉结果,经回归可得三跨连续箱梁K=0 .00369,μ=0 .0513。从表1中还可以看出,管道摩擦阻力随重复张拉次数的增加变化不大。
(2)预应力钢绞线束弹性模量和伸长值:钢绞线束伸长值ΔL可由积分求得,其计算式为:
ΔL=P1×L(1-e-(μθ KL)) /(μθ KL)EyAy(1)
式中ΔL应是扣除管道长度外的钢绞线束伸长值和两端夹片回缩值后的理论伸长值。另外根据张拉端拉力与实际伸长值的回归可得:
ΔL=b×P1(2)
式中:b—实测伸长的回归值。
联立(1)、(2)式可得:
Ey=L(1-e-(μθ KL)/(μθ KL)bAy
钢绞线束弹性模量和伸长值计算结果列于表2。
3 结语
(1) 津滨快速轨道交通工程A319-A322段3×25Ma型预应力混凝土连续箱梁管道偏差系数K=0 .00369,摩阻系数μ=0 .0513,表明管道形成工艺良好。
(2) 钢绞线束弹性模量平均值为1 953×105MPa,实测伸长值与理论计算伸长值大致接近,最大误差仅为-3 .1%,符合设计误差控制在±6%以内的要求,满足试验预期目的。
(3) 实测跨中管道摩阻是很小的,试验数据表明,如果在设计时管道摩阻按设计规范中规定的最小值取值,既按μ=0. 2,K=0. 002取值,则实测跨中管道摩阻只比设计值大0. 5%,不用调整预应力张拉参数。如果设计院所采用的管道摩阻不是规范中给定的最小值,那么按设计院给定的参数进行预应力张拉的话,箱梁在跨中的实际预应力比设计值要大,但仍然在设计的容许范围之内。
参考文献
[1] 杜拱辰 现代预应力混凝土结构[M] 北京:中国建筑工业出版社,1988,9
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200808/13545.htm
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