跨海大橋北引橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁管道摩阻試驗(yàn)報(bào)告

杭州灣跨海大橋北引橋(50+80+50)m預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁管道摩阻試驗(yàn)報(bào)告PAGEPAGE19杭州灣跨海大橋北引橋(50+80+50)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁管道摩阻試驗(yàn)報(bào)告鐵科院(北京)工程咨詢有限公司杭州灣跨海大橋五合同監(jiān)理工程師辦公室2005年5月1 試驗(yàn)概況后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁預(yù)應(yīng)力張拉是一道極為重要的工序，在后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁施工過程中如何準(zhǔn)確將設(shè)計(jì)張拉力施加于梁體直接影響梁的耐久性、安全性、剛度及矢拱高度。后張梁管道摩阻是引起預(yù)應(yīng)力損失的五個(gè)主要因素（混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力筋松弛、錨頭變形及預(yù)應(yīng)力筋回縮、摩阻、混凝土彈性壓縮）之一。由于施工過程中諸多不確定因素及施工水平的差異，張拉前應(yīng)對重要的梁部結(jié)構(gòu)進(jìn)行管道摩阻現(xiàn)場測試，并根據(jù)測試結(jié)果對張拉力及管道進(jìn)行調(diào)整，將設(shè)計(jì)張拉力準(zhǔn)確施加至梁體。杭州灣跨海大橋北引橋(50+80+50)m預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁為后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，縱向預(yù)應(yīng)力按照美國ASTMA416-97（270級）標(biāo)準(zhǔn)采用直徑為φj15.24mm鋼絞線，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860MPa，彈性模量Ey＝1.95×105MPa的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，鋼絞線的公稱截面積為1.4cm2。本橋縱向預(yù)應(yīng)力均采用12-7φ5鋼絞線，鋼束的錨下控制張拉力為2344kN。12-7φ5鋼絞線采用內(nèi)徑φ76mm的波紋管制孔，15-12錨具錨固。除部分端孔頂、底板合攏束采用單端張拉，其余縱向束采用兩端張拉。本次試驗(yàn)箱梁縱向預(yù)應(yīng)力束布置及管道相關(guān)參數(shù)見表1.1。表1.1預(yù)應(yīng)力束布置及管道相關(guān)參數(shù)表鋼束編號鋼束規(guī)格束數(shù)管道長度L(cmm)管道曲線角θ（度度）管道曲線角θ（rad）位置備注N1112-7φ581316601.0471腹板N1212-7φ581938601.0471腹板N1312-7φ582543601.0471腹板測試管道N1412-7φ583122601.0471腹板N1512-7φ583899500.8726腹板測試管道N1612-7φ584699500.8726腹板規(guī)范要求塑料波紋管內(nèi)截面面積與鋼絞線截面面積比至少為2～2.5。實(shí)際所用直徑不同的波紋管與鋼絞線的截面面積關(guān)系見表1.2。表1.2波紋管內(nèi)截面面積與鋼絞線截面面積關(guān)系表序號波紋管類型截面面積S1(ccm2)鋼絞線類型鋼絞線截面面積SS2(cm2)比值(S1/S2)1Φ=76mm45.3612-7φ516.82.7設(shè)計(jì)管道局部偏差影響系數(shù)k=0.0015、摩擦系數(shù)μ=0.25。預(yù)應(yīng)力束沿試驗(yàn)節(jié)段梁長通長布置，其中腹板彎束采用12-7φ5鋼絞線，錨固在試驗(yàn)節(jié)段梁兩端腹板上。2試驗(yàn)依據(jù)(1)《杭州灣跨海大橋?qū)Ｓ檬┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》；(2)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ041-2000）；(3)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62—2004)；(4)《杭州灣跨海大橋北引橋(50+80+50)m預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁施工圖》；(5)其他相關(guān)資料規(guī)范。3基本原理3.1管道摩阻損失的組成后張法張拉時(shí)，由于梁體內(nèi)力筋與管道壁接觸并沿管道滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦阻力，摩阻損失可分為彎道影響和管道走動(dòng)影響兩部分。理論上講，直線管道無摩擦損失，但管道在施工時(shí)因震動(dòng)等原因而變成波形，并非理想順直，加之力筋因自重而下垂，力筋與管道實(shí)際上有接觸，故當(dāng)有相對滑動(dòng)時(shí)就會產(chǎn)生摩阻力，此項(xiàng)稱為管道走動(dòng)影響（或偏差影響、長度影響）。對于管道彎轉(zhuǎn)影響除了管道走動(dòng)影響之外，還有力筋對管道內(nèi)壁的徑向壓力所產(chǎn)生的摩阻力，該部分稱為彎道影響，隨力筋彎曲角度的增加而增加。直線管道的摩阻損失較小，而曲線管道的摩擦損失由兩部分組成，因此比直線管道大的多。3.2管道摩阻損失的計(jì)算公式根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62—2004)第6.2.2條規(guī)定，后張法構(gòu)件張拉時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失，可按下式計(jì)算：(3-1)式中———張拉端鋼絞線錨下控制應(yīng)力(MPa)；———預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁的摩擦系數(shù)；———從張拉端至計(jì)算截面曲線管道部分切線的夾角之和(rad)；———管道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù)；———從張拉端至計(jì)算截面的管道長度，可近似地取該段管道在構(gòu)件縱軸上的投影長度(m)。根據(jù)式(3-1)推導(dǎo)k和μ計(jì)算公式，設(shè)主動(dòng)端壓力傳感器測試值為P1,被動(dòng)端為P2，此時(shí)管道長度為,θ為管道全長的曲線包角，考慮式(3-1)兩邊同乘以預(yù)應(yīng)力鋼絞線的有效面積，則可得：即：(3-2)兩邊取對數(shù)可得;(3-3)令,則由此，對不同管道的測量可得一系列方程式：即即即由于測試存在誤差，上式右邊不會為零，假設(shè)則利用最小二乘法原理，同時(shí)令有：(3-4)當(dāng)(3-5)時(shí)，取得最小值。由式(3-4)、(3-5)可得：(3-6)式中：為第i管道對應(yīng)的值，為第i個(gè)管道對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力筋空間曲線長度(m)，為第i個(gè)管道對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力筋空間曲線包角(rad)，n為實(shí)測的管道數(shù)目，且不同線形的預(yù)應(yīng)力筋數(shù)目不小于2。解方程組(3-6)得k及μ值。4 試驗(yàn)內(nèi)容和方法4.1測試內(nèi)容本次試驗(yàn)為管道摩阻試驗(yàn)，進(jìn)行管道摩阻試驗(yàn)的連續(xù)梁懸澆段為32號墩右幅2號塊及31號墩左幅4號塊，試驗(yàn)管道為腹板高側(cè)N13、N15和低側(cè)N13、N15四個(gè)管道。試驗(yàn)主要通過測定這四個(gè)管道張拉束主動(dòng)端與被動(dòng)端實(shí)測壓力值，根據(jù)規(guī)范規(guī)定的公式計(jì)算摩擦系數(shù)μ和偏差系數(shù)k。4.2測試儀器及元件試驗(yàn)時(shí)所用的張拉設(shè)備與實(shí)際施工時(shí)所用設(shè)備相同：350t千斤頂2臺；壓力傳感器采用2臺湖南長沙金碼公司的量程為6000kN、靈敏度為1kN的JMZX-3360AT智能六弦數(shù)碼穿心式壓力傳感器。測試儀器為湖南長沙金碼公司的JMZX-2006綜合測試儀。4.3管道摩阻測試方法試驗(yàn)時(shí)采用一端張拉，應(yīng)用兩臺壓力傳感器。主動(dòng)端、被動(dòng)端均有一臺千斤頂，試驗(yàn)時(shí)僅主動(dòng)端千斤頂進(jìn)行張拉，被動(dòng)端不張拉。張拉前應(yīng)標(biāo)定好試驗(yàn)用的千斤頂和高壓油泵，并在試驗(yàn)中配套使用，以校核傳感器讀數(shù)。高側(cè)N13、N15和低側(cè)N13、N15四個(gè)管道12-7φ5預(yù)應(yīng)力鋼絞線分5級加載。試驗(yàn)時(shí)根據(jù)千斤頂油表讀數(shù)控制張拉荷載級，并校核數(shù)據(jù)，以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。安裝傳感器與千斤頂時(shí)，應(yīng)確保兩者中線位置與錨墊板保持一致，使之張拉時(shí)與鋼絞線脫離接觸。安裝示意圖見圖4.1、4.2。圖4.1管道摩阻試驗(yàn)示意圖圖4.2高側(cè)N15束主動(dòng)端千斤頂安裝分級測試預(yù)應(yīng)力束張拉過程中主動(dòng)端與被動(dòng)端的荷載，并通過線性回歸確定管道被動(dòng)端和主動(dòng)端荷載的比值，然后利用二元線性回歸的方法確定預(yù)應(yīng)力管道的k、μ值。以一端作主動(dòng)端，一端作被動(dòng)端逐級加載，兩端均讀取傳感器讀數(shù)，并測量鋼絞線伸長量，分別對每個(gè)管道張拉。5試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析試驗(yàn)分別于2005年4月26日及5月2日進(jìn)行。所得的高側(cè)N13、N15和低側(cè)N13、N15四個(gè)管道的基本數(shù)據(jù)，包括主動(dòng)端讀數(shù)P1、被動(dòng)端讀數(shù)P2、以及管道摩阻實(shí)測損失值的結(jié)果列于表5.1、5.2、5.3、5.4中。表5.1高側(cè)N13束測試結(jié)果N13位置：332號墩右幅2號塊腹板高高側(cè)主動(dòng)端在南側(cè)第一次張拉（20005年4月26日17：10）序號主動(dòng)端P1(南))(kN)被動(dòng)端P2(北))(kN)ΔP=P1-P2((kN)162437125321032666366314851004481419681387581523631697666第二次張拉（20005年4月26日17：40）序號主動(dòng)端P1(南))(kN)被動(dòng)端P2(北))(kN)ΔP=P1-P2((kN)160737523221010674336314561008448419281398530523571685672第三次張拉（20005年4月26日18：00）序號主動(dòng)端P1(南))(kN)被動(dòng)端P2(北))(kN)ΔP=P1-P2((kN)158236821421004676328314561010446419381395543523621670692根據(jù)表5.1中被動(dòng)端與主動(dòng)端的實(shí)測數(shù)據(jù)，通過線性回歸確定其比值，數(shù)據(jù)回歸分析結(jié)果見圖5.1。圖5.1高側(cè)N13束線性回歸分析表5.2低側(cè)N13束測試結(jié)果N13位置：332號墩右幅2號塊腹板低側(cè)主動(dòng)端在南側(cè)第一次張拉（20005年4月26日21：20）序號主動(dòng)端P1(南))(kN)被動(dòng)端P2(北))(kN)ΔP=P1-P2((kN)15312702162101157638131472885525419091206632523551556719第二次張拉（20005年4月26日21：45）序號主動(dòng)端P1(南))(kN)被動(dòng)端P2(北))(kN)ΔP=P1-P2((kN)1532281205295154735131455891502418961214611523461563702第三次張拉（20005年4月26日22：10）序號主動(dòng)端P1(南))(kN)被動(dòng)端P2(北))(kN)ΔP=P1-P2((kN)1544286212295354935131443878503419221239611523581564713根據(jù)表5.2中被動(dòng)端與主動(dòng)端的實(shí)測數(shù)據(jù)，通過線性回歸確定其比值，數(shù)據(jù)回歸分析結(jié)果見圖5.2。圖5.2低側(cè)N13束線性回歸分析表5.3高側(cè)N15束測試結(jié)果N15位置：331號墩左幅4號塊腹板高高側(cè)主動(dòng)端在北側(cè)第一次張拉（20005年5月2日10：40）序號主動(dòng)端P1(北))(kN)被動(dòng)端P2(南))(kN)ΔP=P1-P2((kN)15493382112103971532431288904384415251100425518621350512第二次張拉（20005年5月2日11：05）序號主動(dòng)端P1(北))(kN)被動(dòng)端P2(南))(kN)ΔP=P1-P2((kN)15733492242106371734631307907400415451097448518401320520根據(jù)表5.3中被動(dòng)端與主動(dòng)端的實(shí)測數(shù)據(jù)，通過線性回歸確定其比值，數(shù)據(jù)回歸分析結(jié)果見圖5.3。圖5.3高側(cè)N15束線性回歸分析表5.4低側(cè)N15束測試結(jié)果N15位置：331號墩左幅4號塊腹板低低側(cè)主動(dòng)端在南側(cè)第一次張拉（20005年5月2日16：20）序號主動(dòng)端P1(北))(kN)被動(dòng)端P2(南))(kN)ΔP=P1-P2((kN)1493374119299074624431220916304414561085371517311281450第二次張拉（20005年5月2日16：40）序號主動(dòng)端P1(北))(kN)被動(dòng)端P2(南))(kN)ΔP=P1-P2((kN)150941297298377420931218946272414501106344517281296432根據(jù)表5.4中被動(dòng)端與主動(dòng)端的實(shí)測數(shù)據(jù)，通過線性回歸確定其比值，數(shù)據(jù)回歸分析結(jié)果見圖5.4。圖5.4低側(cè)N15束線性回歸分析整理圖5.1～5.4中被動(dòng)端和主動(dòng)端比值的回歸值見表5.5，并與設(shè)計(jì)及規(guī)范情況下相比較。表5.5管道摩阻測試計(jì)算結(jié)果鋼束編號管道長度L(m))起彎角度(radd)按設(shè)計(jì)P2/P1計(jì)算值按規(guī)范P2/P1計(jì)算值P2/P1實(shí)測回歸值值第一次第二次第三次高側(cè)N1325.431.04710.74090.8056~00.831330.76430.75720.7398低側(cè)N130.70380.70650.7063高側(cè)N1538.990.87260.75830.8132~00.834770.77350.7687低側(cè)N150.73310.7257由表5.5中P2/P1實(shí)測回歸值結(jié)果，根據(jù)式3-6按最小二乘法原理計(jì)算管道摩阻系數(shù)μ和k值，計(jì)算過程及分析結(jié)果見表5.6、5.7、5.8。表5.6管道摩阻系數(shù)計(jì)算表鋼束編號li(m)θi(radd)次序P2/P1yiθ2iθiliyiθil2iyili高側(cè)N1325.431.047110.76430.26881.096426.6280.281646.6856.83520.75720.27811.096426.6280.291646.6857.07330.73980.30141.096426.6280.316646.6857.664低側(cè)N1310.70380.35131.096426.6280.368646.6858.93320.70650.34741.096426.6280.364646.6858.83530.70630.34771.096426.6280.364646.6858.842高側(cè)N1538.990.872610.77350.25680.761434.0230.2241520.220010.01420.76870.26310.761434.0230.2301520.220010.256低側(cè)N1510.73310.31050.7614