铁路桥梁预应力管道摩阻试验方法及控制

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2011年8月从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。1前言•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，如京津城际占90%、京沪高铁占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。•设计混凝土梁的预应力时，需要考虑6项预应力损失，其中管道摩阻损失是后张梁最为主要的一项预应力损失。•以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%。•以（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，管道摩阻导致曲线通长束的预应力损失比例约为50%～56%。•客运专线铁路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，根据实测管道摩阻系数来调整实际的张拉力。•《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：2试验原理和测试方法2.1试验原理1ekxLcon1ekxLcon1ekxLcon1ekxLcon•依据最小二乘法原理，由计算公式推导到最后的方程为：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”。（1）“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。（2）“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。（3）“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22n1ViHiiarctgtgtg（2）采用公式（1）和（2）计算空间包角时的相对误差很小，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测试方法简支梁和连续梁的测试方法基本相同。（1）简支梁管道摩阻测试（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》中明确规定：由于预应力筋与锚圈口之间的摩擦及预应力筋在锚下垫板喇叭口处因弯折产生摩擦而引起的应力损失应根据试验确定。3锚口+喇叭口摩阻测试方法试验采用一端张拉，试验张拉控制力为预应力钢绞线的（为钢绞线的总面积）。0.8pkpfApA后张法施工的预应力梁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。4预应力管道成型方式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，未能形成统一的规范值。5摩阻系数规范值管道类型铁路规范公路规范建筑规范kkk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//0.250.00100.300.0010表2管道摩阻系数规范值近5年时间内，铁科院对37条客运专线铁路中172个梁场的622孔32m、24m简支箱梁和34条客货共线铁路中60个梁场的98片32m、24m简支T梁进行了预应力管道摩阻测试，并对测试结果进行了分类统计。6测试数据统计和分析-10001002003004005006000.20.30.40.50.60.70.8（0.605）规范值（0.55）郑西武广京沪大西京石石武哈大沪杭宁杭沪昆西宝广深港津秦杭甬合福平均值设计值管道摩擦系数μ样本序号-10001002003004005006000.0000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.007（0.00363）郑西武广京沪大西京石石武哈大沪杭宁杭沪昆西宝广深港津秦杭甬合福平均值设计值管道偏差系数k样本序号规范值（0.0015）管道摩擦系数管道偏差系数图6时速350km32m简支箱梁（橡胶抽拔棒）摩阻系数统计-10010203040500.100.150.200.250.300.35现浇预制（0.216）（0.228）规范下限值（0.20）郑西京沪石武平均值郑西武广京沪广深港平均值设计值管道摩擦系数μ样本序号规范上限值（0.26）-10010203040500.0000.0010.0020.0030.0040.0050.006（0.00234）（0.0025）郑西京沪石武平均值郑西武广京沪广深港平均值设计值管道偏差系数k样本序号规范下限值（0.002）规范上限值（0.003）现浇预制管道摩擦系数管道偏差系数图7时速350km32m简支箱梁（金属波纹管）摩阻系数统计-200204060800.40.50.60.70.8（0.63）郑西武广京沪大西石武哈大沪昆广深港杭甬平均值设计值管道摩擦系数μ样本序号规范值（0.55）-200204060800.0000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.008郑西武广京沪大西石武哈大沪昆广深港杭甬平均值设计值（0.00446）管道偏差系数k样本序号规范值（0.0015）图8时速350km24m简支箱梁摩阻系数统计-1001020300.40.50.60.7兰新贵广平均值设计值管道摩擦系数μ样本序号（0.541）规范值（0.55）-1001020300.0000.0010.0020.0030.0040.0050.006兰新贵广平均值设计值管道偏差系数k样本序号（0.00149）规范值（0.0015）图9时速300km32m简支箱梁摩阻系数统计-200204060800.30.40.50.60.70.8（0.567）南广哈齐湘桂厦深武黄莞惠南钦钦北柳南津保吉图珲石太平均值设计值管道摩擦系数μ样本序号规范值（0.55）-200204060800.0000.0010.0020.0030.0040.0050.006管道偏差系数k南广哈齐湘桂厦深武黄莞惠南钦钦北柳南津保吉图珲石太平均值设计值样本序号（0.00277）规范值（0.0015）图10时速250km32m简支箱梁摩阻系数统计-100102030400.20.30.40.50.60.7实测值平均值设计值管道摩擦系数μ样本序号（0.515）规范值（0.55）-100102030400.0000.0010.0020.0030.004实测值平均值设计值管道偏差系数k样本序号（0.00167）规范值（0.0015）图11时速200km32m简支T梁摩阻系数统计-1001020304050600.400.450.500.550.600.650.70实测值平均值设计值管道摩擦系数μ样本序号（0.559）规范值（0.55）-1001020304050600.0000.0010.0020.0030.0040.0050.006实测值平均值设计值管道偏差系数k样本序号（0.00219）规范值（0.0015）图12时速160km32m简支T梁摩阻系数统计类型350km箱梁300km箱梁250km箱梁200kmT梁160kmT梁梁型32m24m32m32m32m32m管道型式橡胶抽拔棒金属波纹管橡胶抽拔棒橡胶抽拔棒总样本数421孔21孔54孔22孔61孔30片57片μ、k设计值μ=0.55k=0.0015μ=0.26k=0.003μ=0.55k=0.0015μ=0.55k=0.0015μ、k总体平均值μ=0.605k=0.00363μ=0.228k=0.00250μ=0.63k=0.00446μ=0.541k=0.00149μ=0.567k=0.00277μ=0.515k=0.00167μ=0.559k=0.00219μ、k≤设计值的样本数42孔15孔6孔17孔16孔15片23片所占比例10%71%11%77%26%50%40%表3管道摩阻测试结果分析0102030405044.9%44.4%0.66～0.700.61～0.650.56～0.600.51～0.550.46～0.50百分比（%）管道摩擦系数μ0.30～0.4501020304024.0%34.9%0.551～0.00650.00451～0.00550.00351～0.00450.00251～0.00350.00151～0.0025百分比（%）管道偏差系数k0～0.0015图13时速350km32m简支箱梁（橡胶抽拔棒）摩阻系数分布（1）管道摩擦系数μ主要分布在0.56～0.65的区间内；（2）管道偏差系数k主要分布在0.00351～0.0045的区间内。010203040506054.1%0.66～0.720.61～0.650.56～0.600.51～0.550.46～0.50百分比（%）管道摩擦系数μ0.35～0.4501020304031.1%0.551以上0.00451～0.00550.00351～0.00450.00251～0.00350.00151～0.0025百分比（%）管道偏差系数k0～0.0015图14时速250km32m简支箱梁（橡胶抽拔棒）摩阻系数分布（1）管道摩擦系数μ主要分布在0.56～0.60的区间内；（2）管道偏差系数k主要分布在0.00251～0.0035的区间内。通过对管道摩阻测试结果的分类统计分析：目前客运专线铁路32m、24m预制简支箱梁预应力管道采用橡胶管抽芯成型方式时，实测下来的管道摩阻系数普遍都大于设计值，能够做到接近设计值或小于设计值的梁场也就10%左右。采用橡胶棒这种定位方式，大部分箱梁梁场做的不是很到位，施工工艺不够精细；而采用金属波纹管成型管道方式的预制箱梁或现浇箱梁的管道摩阻系数实测值基本都比设计值小，能够满足设计要求。本文实测数据中，有少数箱梁出现实测摩阻值比设计偏大较多的情况，按实测摩阻系数换算到跨中截面时，预应力损失比设计偏大10%以上，导致实际张拉应力超过了设计可调整的最大张拉应力，最后只能采取在原有根数的基础上增加预应力筋数量的方法来保证梁体预应力达到设计要求。另外，也有个别简支梁出现降级使用的情况。7预应力施工中常见问题