预应力管道摩阻实验

第六章宁夏吴忠黄河公路大桥主桥管道摩阻损失测试6.1 摩阻损失测试概述

预应力筋过长或弯曲过多都会造成预应力筋的孔道摩擦损失，特别是弯曲多、弯曲半径小、弯曲角度较大的预应力筋,在两端张拉时,其中段的有效预应力损失很大，这种预应力的损失往往不容易准确地计算出来,因而其在张拉控制应力作用下的伸长值也无法准确计算。作为张拉的控制条件,如果孔道有漏浆堵塞现象不校核伸长值,就会使有效预应力达不到设计的要求造成质量事故，另外,在连续刚构梁悬臂施工过程中，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,设计单位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, 后张法预应力混凝土结构中孔道摩阻损失估算的准确程度会直接影响结构的使用安全，而施工中混凝土的质量、张拉工艺的优劣往往会影响孔道摩阻损失的大小，测量预应力筋摩阻力,是确保施工质量的有效措施。

按照《宁夏回族自治区吴忠黄河公路大桥监控细则》，需要对纵向预应力孔道摩阻损失实行现场测定。

6.2 摩阻损失测试依据

1、中华人民共和国行业标准《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）；

2、人民交通出版社《预应力技术及材料设备》（第二版）；

3、交通部公路科学研究院《宁夏回族自治区吴忠黄河公路大桥监控细则》；

4、监理单位和设计单位提供的桥梁设计图纸；

5、宁夏公路工程质量检测中心《压力传感器率定报告》。

6.3 摩阻损失测试目的及方法

宁夏吴忠黄河公路大桥管道摩阻损失测试是针对塑料波纹管，虽然塑料波纹管的管道摩阻系数有理论值，但毕竟塑料波纹管应用时间不长，有必要做实验验证，同时管道摩阻系数的测试结果也为吴忠黄河公路大桥结构预应力设计和大桥施工提供参考，实现现场的预应力控制。管道摩阻损失测试方法，按照业主意见方法采用传感器，采用《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）中附录G-9 提供的测试方法，如图6-1 所示。

该测试方法与常规测试方法比较主要特点如下：

⑴图6-1 中压力传感器的圆孔直径与锚板直径基本相等，如此可使预应力钢束以直线形式穿过喇叭口和压力传感器，钢束与二者没有接触，只是相当于将预应力钢束加长了，实验所测数据仅包括管道摩阻力，保证了管道摩阻损失测试的正确性。

⑵预应力钢束可正常使用：从喇叭口到压力传感器外端，钢束与二者没有接触，不会对这部分钢束造成损伤，即两个工作锚之间的钢束没有损伤，可以正常使用。

图6-1 管道摩阻测试原理

实验测试的主要步骤如下：

⑴预应力钢束两端（甲乙）同时张拉到一定数值(根据钢束长、以及千斤顶

的油缸行程确定);

⑵甲端封闭，乙端张拉。张拉时分级升压，直至张拉控制应力(根据钢束长、

以及千斤顶的油缸行程确定)。如此反复进行3 次，取两端压力差的平均值；

⑶重复上述方法，但乙端封闭，甲端张拉，取两端3 次压力差的平均值；

⑷将上述两次压力差平均值再次平均，即为管道摩阻力的测定值。然后代入相关公式计算摩阻系数。

6.4 摩阻损失测试

6.4.1 摩阻测试的对象

在做管道摩阻损失测试之前，应该对现场所使用的穿心式压力传感器进行标定，有关标定结果参考附件5-传感器法《压力传感器率定报告》。

吴忠黄河公路大桥纵向预应力钢束的管道摩阻损失测试的对象为9#墩上2#、

3#、4#块中的1 根纵向腹板钢束，测试对象如表6-1，测试位置如图6-2 所示。

图6-2 孔道摩阻损失测试位置

表6-1 孔道摩阻损失测试对象

6.4.2 摩阻测试过程

以吴忠黄河公路大桥9号墩3号块箱梁腹板纵向预应力钢束F4为例阐述测试过程：第一组：

⑴左侧为主动端，右侧为被动端

步骤1：两端同时张拉10%，左侧油表读数 4.36MPa，右侧油表读数4.94MPa，此时左侧传感器读数(张拉力)562.8kN，右侧传感器读数(张拉力)为638.1kN。

步骤2：右侧继续持荷，左侧继续张拉到张拉控制应力100％停止，此时主动端左侧油表读数41.03MPa，被动端右侧油表读数32 MPa，此时左侧传感器读数(张拉力)4463.9kN，右侧传感器读数(张拉力)为3399kN；

步骤3：如此反复再进行2 次，取两端3 次压力差的平均值。

第二组：

⑴左侧为被动端，右侧为主动端

步骤1：两端同时张拉10%，左侧油表读数4.36MPa ，右侧油表读数 4.96MPa ，此时左侧传感器读数(张拉力)575.1kN ，右侧传感器读数(张拉力)为624.5kN 。

步骤2：左侧继续持荷，右侧继续张拉到张拉控制应力的100％停止，此时主动端右侧油表读数 39.68MPa ，被动端左侧油表读数 31 MPa ，此时右侧传感器读数(张拉力)4359.9kN ，左侧传感器读数(张拉力)为3396.9kN ；

步骤3 如此反复再进行2 次，取两端3 次压力差的平均值。

6.4.3 管道摩阻损失计算

1 摩阻损失的计算公式

平面曲线和空间曲线力筋的管道摩阻损失的计算公式统一为:

σs4=σk ( 1-e -(μθ+kx ) ) (6-1)

式中：θ 为力筋张拉端曲线的切线与计算截面曲线的切线之夹角，称为曲线包角；x 为从张拉端至计算截面的管道长度，一般可取在水平面上的投影长度；μ 为力筋与管道壁之间的摩擦系数， k 为考虑管道对其设计位置的偏差系数。

曲线包角的实用计算以综合法的计算精度较好，其表达式为：

22

V H φθθ+= (6-2)

式中： θH 为空间曲线在水平面内投影的切线角之和；

θV 为空间曲线在圆柱面内展开的竖向切线角之和；

2 测试数据的处理方法

根据图1 测试原理，设张拉端压力传感器测试值为N z ，被动端压力传感器测试值为N b ，此时x 为管道长度L ，θ 为管道全长的曲线包角，考虑式(6-1)两边同乘以预应力钢束的有效面积，则式(6-1)可写为：

()kl z b N N +-=μθρ (6-3)

两边取对数可得：

()C N N kl b z ==+/ln μθ (6-4)

⑴ 对于直束，上式为：

C N N kl b Z ==)/ln( (6-5)

N z 、N b 可以通过实际测试得来，一元一次方程直接可以求得k 值。

⑵ 对于曲线束，一般情况下，制梁现场均采用一种制孔方法，或所测试的管道均为一种制孔方法，这时管道质量比较均匀，可以不考虑摩阻系数μ 和k 的变异，利用最小二乘原理，试验误差最小时的μ 和k 应使下式取得最小值：

2

1

)(1∑=-+=n

i i i i c kl n y μθ (6-6)

故有：

??

???

??=??=??00k y

y μ 整理得???

????=+=+∑∑∑∑∑∑======n i n i n

i i i i i i n i n i n

i i i i i i l c l k l c l k 1112111

2

θμθθθμ (6-7) 式中： i c 为第i 个管道对应的)/ln(b Z N N 值，i l 为第i 个管道对应的力筋空间曲线长度(m)，i θ为第i 个管道对应的力筋空间曲线包角(rad)，n 为实际测试的管道数目，且不同线形的力筋数目不小于2。实际测试的数据代入式(6-7)，联立求得摩阻系数μ 和k 。由于吴忠黄河大桥的特殊性，应施工单位以及业主的要求决定采用理论k 值来计算μ值。

3 测试数据的计算

表6-4 钢束实验测试结果

按照上述方法，由3 号块F4 得：

0.0015×30.35+μ×1.432=In(4411.9/3397.9) (6-8)

解得 u=0.15

6.5 测试结论

⑴ 预应力管道摩阻系数实验结果是管道偏差系数测试值为k=0.0015，3 号块F4钢束的管道摩阻系数测试值u=0.15。该数据为结构计算提供了实测依据。

⑵ 管道摩阻系数测试平均值与理论值（理论值0.20）比较接近，说明管道偏差较小，

现场管道布置比较到位。

⑶考虑后面块段纵向预应力管道钢束的增长，现场结构仿真计算拟采用管道摩阻系数μ=0.2 和管道偏差系数k=0.0015，为了减少预应力管道摩阻损失带来的不利影响，可以考虑施工时在规范允许范围内进行多张拉。