铁路桥梁预应力管道摩阻试验方法及控制

1、 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

2、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1

3、ekxLcon1 ekxLcon 1 ekxLcon 1 ekxLcon 依据最小二乘法原理，由计算公式推导到最后的方程为：2111211100nnniiiiiiiinnniiii iiiiklClklCl联立解方程组即可求得和k值。 由于、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

4、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）22n1ViHii22n1ViHiiarctgtgtg（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

5、）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35031.56.580.179900.178991.00523.5880.197460.196201.00625031.5680.174530.173731.00523.5980.210170.208671.007 2.2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

6、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 3锚口锚口+ +喇叭口摩阻测试方法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）。 0.8pkpfApA 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

7、形成统一的规范值。 5摩阻系数规范值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0.200.260.00200.00300.200.250.00150.250.0015铁皮套管0.350.00300.350.0030/塑料波纹管/0.140.170.0015/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

8、，并对测试结果进行了分类统计 。6测试数据统计和分析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 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

9、值（0.0015）管道摩擦系数管道偏差系数图6时速350km 32m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 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）

10、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350km 32m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 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350km 24m简支箱梁摩阻系数统计 -10

11、01020300.40.50.60.7 兰新 贵广 平均值 设计值管道摩擦系数 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300km 32m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 样本序号规范值（0.55）-200204060800.0000.0010

12、.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250km 32m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 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200km 32m简支T梁摩阻系数统

13、计 -1001020304050600.400.450.500.550.600.650.70 实测值 平均值 设计值管道摩擦系数 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160km 32m简支T梁摩阻系数统计 类型350km 箱梁300km箱梁250km箱梁200km T梁160km T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

14、54孔22孔61孔30片57片、k设计值= 0.55k=0.0015=0.26k=0.003= 0.55k=0.0015= 0.55k= 0.0015、k总体平均值=0.605k=0.00363=0.228k=0.00250=0.63k=0.00446=0.541k=0.00149=0.567k=0.00277=0.515k=0.00167=0.559k=0.00219、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%0.660.700.610.650.560.600.

15、510.550.460.50百分比（%）管道摩擦系数 0.300.4501020304024.0%34.9%0.5510.00650.004510.00550.003510.00450.002510.00350.001510.0025百分比（%）管道偏差系数 k00.0015图13时速350km 32m简支箱梁（橡胶抽拔棒）摩阻系数分布（1）管道摩擦系数主要分布在0.560.65的区间内；（2）管道偏差系数 k 主要分布在0.003510.0045的区间内。010203040506054.1%0.660.720.610.650.560.600.510.550.460.50百分比（%）管道摩擦系

16、数 0.350.4501020304031.1%0.551以上0.004510.00550.003510.00450.002510.00350.001510.0025百分比（%）管道偏差系数 k00.0015图14时速250km 32m简支箱梁（橡胶抽拔棒）摩阻系数分布（1）管道摩擦系数主要分布在0.560.60的区间内；（2）管道偏差系数 k 主要分布在0.002510.0035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

17、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预应力施工中常见问题 对于预应力混凝土简支梁，预应力张拉是施工过程中的关键工序。施工过程中常见的问

18、题有以下几个方面： 1. 张拉控制荷载与伸长量的问题。施工技术指南规定的钢绞线实测伸长量和计算伸长量允许偏差是6%，实际施工时经常出现超差现象，主要原因有： 计算时采用的单根钢绞线弹性模量通常要高于多根钢绞线编成束后的弹性模量，会导致计算值偏小。 测量方法不正确，尤其是经过初张拉后再进行终张拉的预应力束，计入或扣除的回缩量出现错误；另外，从工作锚至工具锚之间钢绞线自由长度的伸长量需从实测值中扣除。 梁体中不同弯曲角度的各个管道的摩阻值并不相同，实测给出的平均管道摩阻系数和管道偏差系数是对梁整体结构的综合参数，不同的管道会有偏差；另外，不同施工阶段管道成型控制的偏差也会带来影响。 2. 预应力束

19、张拉速度的控制没有约束，目前的张拉速度普遍偏快。张拉速度控制以预应力筋的应力增量不超过200MPa/min比较合适。以常用的32m预制简支梁为例，终张拉时间宜控制在68min。 3. 两端对称张拉时同步伸长的问题。通过采用先进的自动张拉设备来保证两端伸长量的同步，以满足技术条件中的要求。 4. 超张拉和锚固静停时间的问题。超张拉是针对弗式锚和普通松弛预应力筋而制定的要求，现铁路桥梁采用的均为低松弛预应力钢绞线，如果进行了超张拉，将放松不到设计控制荷载，故不允许超张拉。高速铁路桥涵工程施工技术指南要求的静停时间为5分钟，但此规定当时也是针对普通松弛预应力筋而提出的，对于低松弛预应力钢绞线，相对合理的静停时间宜为2分钟，该时间可以让同一束内各根钢绞线的应力变化均匀。8结论结论 （1）预应力梁管道摩阻系数实测值是通过对多个预应力管道的测试而求得的一个平均效果值，并不是每个管道自身真实的摩阻系数，所以取用这个平