2预制协会交流材料之2：铁路桥梁预应力管道摩阻试验方法及控制——李学斌改

铁路桥梁预应力管道摩阻试验方法及控制中国铁道科学研究院铁道建筑研究所2010年8月全国铁路预制桥梁技术协会第六届一次会议交流材料之二目录1前言.............................................................1２试验原理和测试方法..............................................22.1试验原理.......................................................22.2测试方法.......................................................43锚口+喇叭口摩阻测试方法..........................................54预应力管道成型方式...............................................65摩阻系数规范值...................................................76测试数据统计和分析...............................................77预应力施工过程中常见问题........................................118结论............................................................12参考文献...........................................................13全国铁路预制桥梁技术协会第六届一次会议交流材料之二2011.081铁路桥梁预应力管道摩阻试验方法及控制中国铁道科学研究院铁道建筑研究所李学斌，马林摘要：我国新建铁路中大量采用了预应力混凝土简支梁或连续梁结构形式。对于预应力梁，施工过程中预应力的准确施加十分重要，直接影响到梁体后期徐变上拱的控制，继而也影响到无碴轨道铺设时对梁顶标高的要求和铺设后轨道的平顺性，应严格控制预应力混凝土梁施工过程中预应力管道的定位工艺。关键词：客运专线铁路预制梁预应力控制管道摩阻试验1前言目前阶段，我国客运专线铁路和城际铁路建设正全面开展。从2006年京津城际、郑西、武广客运专线铁路大规模建设开始至今，我国已建成或在建的客运专线铁路总计有52条。在新建客运专线铁路线路中，桥梁所占比例较大，部分线路桥梁比例占到50%以上，如京津线占90%、京沪线为占83%，且绝大部分桥梁采用了预应力混凝土简支梁或连续梁结构形式。在设计混凝土梁的预应力时，按照现行铁路桥涵设计规范，需要考虑6项预应力损失，其中预应力筋与管道间的摩擦损失是后张梁最为主要的一项预应力损失。以客运专线铁路32m预制简支箱梁为例，按摩阻系数设计值计算到跨中截面时，管道摩阻导致的预应力损失比例约为15.6%，该部分预应力损失约占全部预应力损失的25.8%；对于大跨度混凝土连续梁，曲线长束的管道摩阻预应力损失更大。以客运专线铁路（32+48+32）m混凝土连续箱梁为例，按摩阻系数设计值计算到中跨中截面时，管道摩阻导致通长束的预应力损失比例约为50%～56%。另外，客运专线铁路的线路主要采用无砟轨道结构形式，铺设无砟轨道对桥梁梁体的徐变上拱要求十分严格。为避免后期徐变上供对轨道平顺性产生不利影响，保证运营阶段列车行驶的平稳性和安全性，在施工终张拉阶段需严格控制预应力束张拉力；同时为保证梁体抗裂性能满足设计要求，需要在施工时准确施加预应力。因此，在箱梁施工阶段应严格控制预应力管道的定位和成孔工艺，并在终张拉前进行必要的预应力管道摩阻测试，根据管道摩阻系数实测值来调整实际的张拉力，以保证梁体预应力的准确施加，从而保证桥梁施工质量满足设计要求。全国铁路预制桥梁技术协会第六届一次会议交流材料之二2011.082２试验原理和测试方法2.1试验原理预应力管道摩阻损失主要包括预应力束曲线段弯道摩擦影响损失和管道全长位置偏移影响损失两部分。管道摩阻系数表现为预应力束与管道壁之间的摩擦系数μ和每米管道对其设计位置的偏差系数k。我国《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》中提供的预应力管道摩阻损失计算公式为：1ekxLcon(1)式中，为从张拉端至计算截面的长度上，钢束弯起角之和；x为从张拉端至计算截面的管道长度。当取全部管道长度进行管道摩阻测试时，由式(1)可以得出,被动端的张拉力2P与主动端的张拉力1P之间的关系为:1211eklPPP(2)由式(2)可得：21eklPP(3)对式（3）两边取对数可得：21lnklPP令21lnCPP，可得：0klC式中，为从主动端至被动端预应力管道全长的曲线空间包角和；l为主动端至被动端预应力管道的全长。试验时，通过主、被动端安装的空心式压力传感器可以测得1P和2P。通过对梁体n个不同预应力管道的测试，理论上可以得到一系列的方程式，如下：1110klC2220klC……0nnnklC由于实际测试均存在误差，上述公式的右边不会为零，故假设：全国铁路预制桥梁技术协会第六届一次会议交流材料之二2011.0831111klCS2222klCS……nnnnklCS利用最小二乘法原理，令21niiqS。当0q且0qk时，21niiqS取得最小值，由此可得：2111211100nnniiiiiiiinnniiiiiiiiklClklCl联立解方程组即可求得μ和k值。由于μ、k两个参数之间存在耦合关系，因此必须测试至少2个不同设计线形的管道才能利用最小二乘法原理计算出摩阻系数值。从计算的准确性角度考虑，每孔（片）梁尽可能选取较多的不同设计弯曲角度的管道进行摩阻测试，才能使摩阻系数实测值更为接近真实值。预应力束曲线空间包角的简化计算可以采用“求和法”、“最大值法”和“综合法”。“求和法”适用于预应力束计算长度内只有竖弯角度或平弯角度的情况；“最大值法”适用于预应力束计算长度内竖弯和平弯角度都有，但不同时弯起，其中有一者的影响较小，简化计算时可以忽略的情况；“综合法”适用于预应力束计算长度内竖弯和平弯角度都有，且在同一区段发生弯起，需要同时考虑竖弯和平弯角度影响的情况。3种简化计算方法中“综合法”计算较为合理。“综合法”计算空间包角的常用简化计算公式以下有2种：（1）22n1ViHii（2）22n1ViHiiarctgtgtg式中，Vi为空间曲线在竖向圆柱面的展开平面上投影角；Hi为空间曲线在水平面上投影角；i为曲线分段。以客运专线铁路32m和24m预制简支箱梁为例，采用公式（1）和（2）计算空全国铁路预制桥梁技术协会第六届一次会议交流材料之二2011.084间包角的相对误差都小于1%，具体计算结果见表1所列，故实际工程计算时采用公式（1）或（2）均可。表1简支箱梁空间包角计算比对设计时速（km/h）计算跨度（m）竖弯角度（°）平弯角度（°）公式（1）计算的空间包角（rad）公式（2）计算的空间包角（rad）比值35031.56.580.179900.178991.00523.5880.197460.196201.00625031.5680.174530.173731.00523.5980.210170.208671.0072.2测试方法关于管道摩阻测试，简支梁和连续梁的测试方法基本相同。摩阻测试一般都采用单端张拉方式，为保证测试的准确性，张拉端的张拉力应尽可能接近设计值。但由于单端张拉时整个张拉束的伸长量都集中在张拉端，而单个张拉千斤顶的油缸行程有限，所以测试时应根据设计图上计算伸长量的总和来确定张拉端所用千斤顶的串联个数。一般情况下，当简支梁跨度或连续梁测试长度小于40m时，主动端仅安装1个张拉千斤顶即可；当简支梁跨度大于40m时，主动端需将2个千斤顶串联后再张拉；当连续梁测试段长度介于40m和120m之间时，主动端需将2个千斤顶串联后进行张拉；当连续梁测试段长度大于120m时，主动端需将3个千斤顶串联后进行张拉。试验时需在被动端也安装1个张拉千斤顶，起到调直钢绞线和方便退锚的作用。摩阻测试示意图分别见图1～3。（1）简支梁管道摩阻测试图1简支梁管道摩阻测试示意图全国铁路预制桥梁技术协会第六届一次会议交流材料之二2011.085（2）连续梁管道摩阻测试图2连续梁管悬臂施工阶段道摩阻测试示意图图3连续梁通长束管道摩阻测试示意图现场摩阻测试时，先通过被动端张拉千斤顶施加一定的张拉力，将预应力钢束调直，然后再用主动端张拉千斤顶施加测试力，测试力从10%的设计张拉力开始，分8～9级张拉至设计张拉力。测试过程中需读取每级荷载下主、被动端压力传感器的荷载值，张拉千斤顶油缸伸长量或回缩量以及两端工具夹片的回缩量。3锚口+喇叭口摩阻测试方法锚口+喇叭口摩阻测试都在现场预制的4m长混凝土试件上进行，测试装置示意图见图4。试验采用一端张拉，试验张拉控制力为预应力钢绞线的0.8pkpfA(pA为钢绞线的总面积)，测读内容主要为摩阻损失前、后主被动端压力传感器的荷载值，分6～8级读取荷载值。为减少测试误差，被动端锚垫板内需安放约束环。图4锚口+喇叭口摩阻测试示意图全国铁路预制桥梁技术协会第六届一次会议交流材料之二2011.0864预应力管道成型方式目前我国新建铁路混凝土桥梁的上部结构主要采用后张预应力法施工。后张法施工时，梁体预应力管道成型方式主要有3种：橡胶管抽芯成型、预埋金属波纹管和预埋铁皮套管。因梁体结构形式和生产工艺的不同，采用的预应力管道成型方式也不同。铁路连续梁等特殊结构和现浇简支梁的纵向预应力管道一般采用预埋金属波纹管成型；预制简支梁纵向预应力管道主要采用橡胶管抽芯成型，少数也有采用金属波纹管成型的。铁路桥梁横向预应力管道多采用预埋扁平或圆形金属波纹管成型，竖向预应力管道多采用预埋铁皮套管成型。预埋塑料波纹管成型方式目前在公路桥梁领域应用较为普遍，但在铁路桥梁上应用较少。现阶段，我国铁路桥梁建设大量地采用了预制预应力混凝土简支梁形式，而预制梁的预应力管道主要是采用橡胶管抽芯成型。橡胶抽拔棒常见的定位方式有以下3种：（1）井字形（2）圆环形（3）∩形。具体定位方式见图5。井字形圆环形∩形图5橡胶抽拔棒定位方式示意图3种橡胶抽拔棒的定位方式中，∩形的定位方式最为牢靠，但施工工序相对复杂。目前梁场主要采用井字形定位方式，定位网片的纵向间距一般为50cm，基本可以保证管道的顺直，但需严格控制定位网片左右竖筋及上横筋与橡胶棒的间隙量（宜控制到5mm以内），并用扎丝将橡胶棒与每个定位网片的支撑钢筋捆扎牢靠。对于最上一排预应力管道，最好增设轨道筋。这两种方法的结合使用可有效避免混凝土下落和振捣棒插入振捣时对管道位置的影响。全国铁路预制桥梁技术协会第六届一次会议交流材料之二2011.0875摩阻系数规范值目前，我国现行各种规范中对预应力管道摩阻系数取值有所不同，具体管道摩阻系数规范值见表2。表2管道摩阻系数规范值管道类型铁路规范公路规范建筑规范kkk橡胶管抽芯成型的管道0.550.00150.550.00150.550.0014金属波纹管0.20～0.260.0020～0.00300.20～0.250.00150.250.0015铁皮套管0.350.00300.350.0030//塑料波纹管//0.14～0.170.0015//钢管//0.250.00100.300.00103种规范中对橡胶管抽芯成型的管道摩阻系数取值基本相同，而对其它管道类型的摩阻系数取值有所差别，未能形成统一的规范值。由于塑料波纹管的材料线膨胀系数与混凝土材料线膨胀系数差别较大（相差大约10