摩阻试验方案

京沪高速铁路
沧德特大桥跨104国道（45+3×70+45）m预应力
混凝土连续梁桥摩阻、锚口、喇叭口损失试验方案
兰州交通大学土木工程学院
2009年04月
1 工程概况
1 工程概况
京沪高铁沧德特大桥跨104国道（45+3×70+45）m预应力混凝土连续梁桥，梁体为单箱单室、变高度、变截面结构。

箱梁顶宽12.0m，箱梁底宽6.7m。

顶板厚度40至50cm按折线变化，底板厚度40至90cm，按直线线性变化，腹板厚48至80cm，厚度按折线变化，中支点处腹板局部加厚到165cm。

梁全长为301.5m，计算跨度为45+3×70+45m。

中支点处梁高6.5m，跨中9m直线段及边跨15.25m直线段梁高为3.5m，梁底下缘按二次抛物线变化，边支座中心线至梁端0.75m。

箱梁采用三向预应力体系，纵向预应力筋采用1×T5224-2003预应力钢绞线，锚固体系采用OVM自锚式拉丝体系，张拉采用与之配套的机具设备，管道形成采用金属波纹管成孔。

2 试验的必要性
由于预应力筋过长或弯曲过多都会加大预应力筋的孔道摩阻损失，特别是弯曲多、弯曲半径小、弯曲角度较大的预应力筋，两端张拉时，中间段的有效预应力损失较大。

实测资料表明：虽然孔道材质、力筋束种类以及张拉控制力相同，不同单位施工的梁所用的钢绞线与波纹管的实测孔道摩阻系数却大不相同，同一单位施工的不同孔道的摩阻系数也存在差异。

作为张拉的控制条件，如果孔道有漏浆堵塞现象，若不校核伸长值，就会使有效预应力达不到设计要求；另外，在施工过程中，预应力孔道埋设与设计存在误差时，预应力损失也是不同的，这时，设计伸长值若按照以往经验计算是不能真实反映实际施工情况的。

因此，测量预应力筋的摩阻力，是确保施工质量的有效措施。

锚口、喇叭口损失在预应力的损失中也占有较大的比重，为保证预应力束的锚下应力，需要测试锚口和喇叭口的损失。

为解决孔道摩阻、锚口、喇叭口常规测试中存在的问题，保证测试数据的准确性，在本桥梁体孔道摩阻试验中，使用穿心式压力传感器测试张拉端和被动端的压力以代替千斤顶油压表读取数据的方法，提高了测试数据的可靠度与准确性，测试结果不受千斤顶油压表读数分辨率较低的影响；并在传感器外采用约束垫板的测试工艺，以保证张拉过程中压力传感器与张拉千斤顶对位准确。

3 摩阻损失组成
摩阻损失由两部分组成，即管道偏差引起的摩阻损失和管道弯曲引起的摩阻损失。

如果管道光滑且笔直，则在理论上讲预应力是不存在摩阻损失的，然而施工的管道总是存在位置偏差和孔道不光滑，必将导致预应力筋与孔道间的摩阻，从而产生预应力摩阻损失。

同时对曲线配筋而言，由于孔道弯曲使预应力筋对孔道内壁产生径向压力从而增大摩阻，曲率半径越小，摩阻越大。

按照《 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》，预应力钢束的摩阻损失
1s σ按下式计算：
()1[1]
kx s k e μθσσ-+=- （1）
式中:
k σ—张拉控制应力，MPa ；
θ—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：
i
θ=（2）
式中：
H θ－空间曲线在水平面上投影包角；
V θ－空间曲线在竖向圆柱面的展开平面上投影包角； i －曲线分段。

x —孔道长度，m ；
μ、k —分别为孔道摩阻系数和孔道偏差系数。

4 摩阻试验仪器布置
预应力束选择
试验选择预应力束的原则如下：
（1） 预应力束的长度不能太小，否则，摩阻损失较小，而影响因素较多，试验精度无法保证；
（2） 预应力束的长度不能过大，因为试验时预应力束为单端张拉，预应力束的伸长量较大，若预应力束长度过大则会增加试验的难度。

本桥摩阻试验选择2束腹板束、2束顶板束进行摩阻试验。

预应力孔道摩阻损失测试
试验采用《TB10203-2002 铁路桥涵施工规范》附录所建议的仪器布置测试本桥孔道
摩阻损失，仪器布置如图1所示。

按照图1所示的仪器布置进行试验时，测试结果中包括喇叭口损失，对孔道摩阻系数将有一定的影响。

张拉端
工具锚
工具锚
梁
图1 摩阻试验仪器布置图
锚口损失和喇叭口损失
为测试锚口损失和喇叭口损失，需要做三个试验梁（梁长4m，截面为0.6m×0.6m，配置一定的普通钢筋及锚下螺旋筋），测试喇叭口、锚口损失的试验仪器布置图如图2所示。

油泵油泵
图2 喇叭口、锚口损失测试仪器布置图
5 现场试验步骤
孔道摩阻试验
（1）试验过程按照相关规范要求进行试验设备安装，每一束均进行3次张拉测量，先进行直线束孔道摩阻力测试，按式（1）θ＝0时求得k值，再进行与直线束孔道同样工艺及施工条件的曲线束孔道的摩阻试验，并以所得k值代人式（1）求得μ值，每次张拉后都要退锚重新安装千斤顶，为减小退锚的难度，在张拉前将锚固端千斤顶油缸空载顶出
10cm ，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；
（2） 试验前测试压力传感器初值，然后分级单端张拉到k σ；
（3） 张拉到控制应力，持压5min ，以此时的测量结果作为张拉试验的终值进行分析； （4） 张拉端千斤顶回油到0，记录压力筒压力及锚塞外露值。

（5） 锚固端千斤顶回油，卸下两端张拉装置。

（6） 重复进行上述步骤，再试验2次。

由于摩阻试验需单端张拉，预应力束较长，且安装的仪器及垫板较多，安装存在缝隙，单个千斤顶的伸长量不足，为解决这个问题，由锚固端先张拉10%～30%，然后主动端再进行张拉。

喇叭口、锚口损失试验
（1） 试验过程按照图2相关规范要求进行试验设备安装，均进行3次张拉试验，每次张拉后都要退锚重新安装千斤顶，为减小退锚的难度，在张拉前将锚固端千斤顶油缸空载顶出10cm ，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；
（2） 试验前测试压力传感器初值，然后分级单端张拉到k σ；
（3） 张拉到控制应力，持压5min ，测量压力筒压力及油压表读数，以此时的测量结果作为张拉试验的终值进行分析；
（4） 张拉端千斤顶回油到0，记录压力筒压力及油压表读数。

（5） 锚固端千斤顶回油，卸下两端张拉装置。

（6） 重复进行上述步骤，再试验2次。

6 试验数据分析方法
直接分析
先进行直线束孔道摩阻力测试，按式（1）θ＝0时求得k 值，再进行与直线束孔道同样工艺及施工条件的曲线束孔道的摩阻试验，并以所求k 值代人式（1）求得μ值。

最小二乘法
若试验采用的预应力束均有弯起角度，需采用最小二乘法来进行分析。

被动端的拉力B F 与主动端的张拉力Z F 关系为：
()kl B Z F F e μθ-+= （3）
为根据试验数据确定参数μ和k 的值，令：
ln(/)Z B c F F = （4）
则：
kl c μθ+= （5）
由于试验存在误差，故假设测试误差为∆，即：
kl c μθ+-=∆ （6）
若有n 束预应力钢束，则：
i i i i kl c μθ+-=∆ （7）
利用最小二乘原理，全部预应力钢筋测试误差的平方和为：
22()i i i i F kl c μθ=∑∆=∑+- （8）
欲使试验误差最小，应使：
0F μ∂=∂，0F
k ∂=∂ （9） 整理可得：
22
i i i i i
i i i i i
k l c l k l c l μθθθμθ⎧∑+∑=∑⎪⎨∑+∑=∑⎪⎩ （10） 由式（9）可解得参数μ和k ，需要指出的是，由于参数μ和k 的耦联，必须借助于2束以上的预应力钢束才能计算出μ和k 的值。

需要指出的是，孔道摩阻损失试验中测得的损失值包括喇叭口的损失，故在分析数据时需扣除本部分损失。

锚口和喇叭口损失数据分析
图2所示试验梁两侧的压力传感器压力差即为喇叭口损失和锚口损失之和，以张拉力的百分比表示。

需配合内容
（1）试验梁
钢筋网片图
间距同钢筋网片
12
Φ
1－1断面图
说明：
1 本图尺寸以厘米计。

2 现场可根据实际情况进行调整。

3 试验梁采用19根钢绞线的喇叭口及波纹管。

（2）垫板
为保证压力传感器与锚垫板间的对中，需做下图所示垫板两个。

垫板为圆形，中为直径125的孔，上下各有一突出圆柱，一面与压力传感器连接，一面与锚垫板连接。

下圆柱尺寸请参考19束锚垫板圆槽制作。

板垫锚合适。