预应力摩阻损失测试试验方案.doc

预应力摩阻损失测试
试 验 方 案

目 录

1．概述 1
2. 检测依据 1
3. 检测使用的仪器及设备 1
4．孔道摩阻损失的测试 2
4.1 测试方法 2
4.2 试验前的准备工作 3
4.3 试验测试步骤 3
4.4 数据处理方法 4
4.5 注意事项 6
5．锚口及喇叭口摩阻损失测试 6
5.1 测试方法 6
5.2 测试步骤 7
附件1. 测试记录表格 8
附件2. 资质证书 9

1．概述
预应力摩阻测试包括锚口摩阻、管道摩阻、喇叭口摩阻三部分。预应力摩阻损失是后张预应力混凝土梁的预应力损失的主要部分之一，对它的准确估计将关系到有效预应力是否能满足梁使用要求，影响着梁体的预拱变形，在某些情况下将影响着桥梁的整体外观等。过高的估计会使得预应力张拉过度，导致梁端混凝土局部破坏或梁体预拉区开裂，且梁体延性会降低；过低的估计则不能施加足够的预应力，进而影响桥梁的承载能力、变形和抗裂度等。
预应力管道摩阻损失与管道材料性质、力筋束种类以及张拉工艺等有关，相差较大，最大可达45％。工程中对预应力管道摩阻损失采用摩阻系数μ和管道偏差系数k来表征，虽然设计规范给出了一些建议的取值范围，但基于对实际工程质量保证和施工控制的需要，以及在不同工程中其管道摩阻系数差别较大的事实，在预应力张拉前，需要对同一工地同一施工条件下的管道摩阻系数进行实际测定，从而为张拉时张拉力、伸长量以及预拱度等的控制提供依据。
摩阻测试的主要目的一是可以检验设计所取计算参数是否正确，防止计算预应力损失偏小，给结构带来安全隐患；二是为施工提供可靠依据，以便更准确地确定张拉控制应力和力筋伸长量；三是可检验管道及张拉工艺的施工质量；四是通过大量现场测试，在统计的基础上，为规范的修改提供科学依据。
受中铁十七局集团第三工程有限公司青县制梁厂的委托，石家庄铁道学院岩土与结构实验中心拟于2008年9月24日开始对京沪高铁土建一标32m简支梁进行预应力摩阻测试。
2. 检测依据
（1）《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3—2005）
（2）《铁路桥涵施工规范》（TB10203-2002）
（3）拟测试梁的设计图纸
3. 检测使用的仪器及设备
（1）2台千斤顶、2台高压油泵，2块0.4级精密压力表。
（2）2台传感器，1台读数仪，2根配套连接线缆。
（3）对中专用工装。根据现场条件确定。
（4）工具锚2套，工作锚1套，配套限位板1块。
（5）0.5mm精度钢板尺2把，记录用夹板2个，钢笔2，计算器1，记录纸若干。
4．孔道摩阻损失的测试
4.1 测试方法
管道摩阻常规测试方法以主被动千斤顶法为主，该方法主要存在测试不够准确和测试工艺等问题。其一：由于千斤顶内部存在摩擦阻力，虽然主被动端交替测试可消除大部分影响，但仍存在一定的影响；其二：千斤顶主动和被动张拉的油表读数是不同的，需要在测试前进行现场标定被动张拉曲线；其三：在测试工艺上，力筋从喇叭口到千斤顶张拉端的长度不足，使得力筋和喇叭口有接触，产生一定的摩擦阻力，也使得测试数据包含了该部分的影响。为解决上述问题，保证测试数据的准确，使用压力传感器测取张拉端和被张拉端的压力，不再使用千斤顶油表读取数据的方法。为保证所测数据准确反映管道部分的摩阻影响，在传感器外采用约束垫板的测试工艺，其测试原理如图1所示。采用该试验装置，由于力传感器直接作用在工具锚或千斤顶与梁体之间，因此各种压缩变形等影响因素在张拉中予以及时补偿，同时测试的时间历程比较短，避免了收缩与徐变等问题，因而两端力的差值即为管道的摩阻损失。
另外，为减少测试误差，采用固定端和张拉端交替张拉的方式进行，即测试过程中完成一端张拉后进行另一端的张拉测试，重复进行3次，每束力筋共进行6次张拉测试，取其平均结果。测试试验过程中应均匀连续地张拉预应力筋，中途不宜停止，防止预应力筋回缩引起的误差。传感器以及千斤顶安装时应确保其中轴线与预应力筋的中轴线重合。
图1 管道摩阻测试原理
该测试方法与常规测试方法比较主要特点如下：
(1) 测试原理正确：图1中约束垫板的圆孔直径与管道直径基本相等，如此可使力筋以直线形式穿过喇叭口和压力传感器，力筋与二者没有接触，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。而常规测试中所测摩阻力包括了喇叭口的摩阻力，测试原理上存在缺陷。
(2) 数据准确可靠：采用穿心式压力传感器提高了测试数据的可靠性和准确性，不受张拉千斤顶的影响。
(3) 安装简单，拆卸方便：实测中仅使用一个千斤顶，被动端不再安装千斤顶，使得测试安装工作量大为减小。实测时预先将千斤顶油缸略加顶出，以便拆卸张拉端夹片；被动端夹片的拆卸待张拉千斤顶回油后，摇晃力筋即可拆卸夹片。
(4) 力筋可正常使用：从喇叭口到压力传感器外端，力筋与二者没有接触，不会对这部分力筋造成损伤，即两个工作锚之间的力筋没有损伤，可以正常使用。
(5) 对于较长的预应力钢束，如果千斤顶的行程不足时，为避免重复倒顶引起预应力钢筋回缩造成的误差，可以采取在张拉端用2台千斤顶串联后同时张拉。
4.2 试验前的准备工作
（1）原始数据收集。包括孔道钢束参数（钢束工作长度、起弯角、锚固时的控制力、钢束组成、设计钢束伸长值）、成孔方式、锚具情况（生产厂家、规格型号、厂家提供的锚口摩阻损失率）、钢绞线参数（生产厂家、型号规格、实测弹性模量）。
（2）传感器、读数仪、千斤顶、高压油泵、精密压力表（0.4级）检查。
（3）传感器和读数仪的系统标定（用压力机），千斤顶和精密压力表的标定（用标定好的传感器、读数仪）。千斤顶应标定进油、回油曲线。
（4）根据标定结果，按每级5MPa确定张拉分级。
（5）现场确定传感器、千斤顶对中方法，检查位置是否有干涉。
（6）按照代表性原则选择试验孔道，每种线形的孔道基本包括在内，至少选择6个孔道，所选孔道基本均匀分布在截面的两侧，计算所选试验孔道钢绞线的下料长度并下料、穿束。
（7）孔道、梁端面清理干净。
（8）准备足够的记录表格。记录表格的格式见附件1。
（9）试验前应对有关人员进行技术交底。
4.3 试验测试步骤
（1）根据试验布置图安装传感器、锚具、锚垫板、千斤顶。
（2）锚固端千斤顶主缸进油空顶100mm（根据钢束理论伸长值确定）关闭，两端预应力钢束均匀楔紧于千斤顶上，两端装置对中。
（3）千斤顶充油，保持一定数值（约4MPa）。
（4）甲端封闭，乙端张拉。根据张拉分级表，张拉端千斤顶进油分级张拉，张拉至设计张拉力。记录乙端压力传感器的读数，甲端压力传感器的读数，如此反复进行三次，取三次测试的平均值分布记为和；
（5）仍按上述方法，但乙端封闭，甲端张拉，分级张拉至控制应力。记录甲端压力传感器的读数，乙端压力传感器的读数，如此反复进行三次，取三次测试的平均值分布记为和；
（6)将上述和进行平均记为， 和进行平均记为。则和即为该孔道的张拉端和被动端压力。
（7）张拉完后卸载至初始位置，退锚进行下一孔道钢绞线的测试。
（8）如时间允许，每个孔道测三个循环。
4.4 数据处理方法
（1）二元线性回归法计算μ、K值
计算公式为：

式中 ——第i个管道对应的值，Nz、Nb分别为主动端与被动端传感器压力；
——第i个管道对应力筋的水平投影长度(m)；
——第i个管道对应力筋的空间曲线包角(rad)，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：

式中：为空间曲线在水平面内投影的切线角之和；
为空间曲线在圆柱面内展开的竖向切线角之和。
——实际测试的管道数目，且不同线形的力筋数目不小于2；
μ——钢筋与管道壁间的摩擦系数；
k——管道每米局部偏差对摩擦的影响系数。
二元线性回归法是建立在数理统计基础上的计算方法，如果原始数据离散性大，则计算结果不稳定，任意增加或减少几组数据会造成结果的较大变动，反之则可证明原始数据的稳定性。只有原始数据稳定可靠的情况下方可采用此法。
（2）固定μ值算k值
由于梁两端孔道位置均被端模板固定，故认为弯起的角度一般不会出现较大的波动，整个孔道摩阻系数的变化主要取决于孔道位置偏差；μ值是材料固有性质，和施工工艺没有关系，故可确定一固定的μ值，计算k。
μ值的确定有两种方法，一是直接取规范规定值，二是测出μ值。μ值的测试可委托有关机构进行。
（3）张拉时钢绞线非弹性伸长值计算
①从张拉第一级起，逐级记录千斤顶油缸伸长值li；
②根据每级千斤顶油缸伸长值，计算每一级的钢绞线伸长值：Δli=li-li-1；
③取Δli相差最小的若干值求其平均值，一般是从第二级算起，并扣除传力锚固前的一级（该级往往不是级差的整倍数），计算方法为：

④钢绞线非弹性伸长值=，此处Δli一般取第一、二级即可。
（4）钢绞线伸长值精确计算
①被动端锚外钢束伸长值计算

②孔道长度范围内钢束伸长值计算

其中：
ΔL2——钢绞线伸长值；
PA2——持荷5min后主动端锚下力；
L2——钢绞线工作长度；
Ey——钢绞线弹性模量；
Ay——钢绞线束截面积。
③主动端锚外伸长值计算

④钢绞线伸长值：

（5)试验中钢绞线伸长值的估算

4.5 注意事项
（1）张拉千斤顶与压力传感器的安装顺序如图1所示，被动端（锚固端）的钢环板换成千斤顶，约束垫板换成对中套（和压力传感器配套的）或限位板。
（2）千斤顶、压力传感器和喇叭口要严格对中（中心线重合），不要使压力传感器发生偏载，要使压力传感器均匀受压。
（3）被动端锚固用的千斤顶，在张拉前主缸空顶10cm关闭，以便于退锚。
（4）千斤顶安装时，要注意油缸的方向，应使油缸向外便于侧伸长值。
（5）试验前检查压力表指针是否在零读数位置。
（6）由于实际张拉为两端张拉，而试验为一端张拉，因此千斤顶行程可能不够。可采用张拉端串联两台顶。
（7）试验中应及时处理数据，发现数据反常，应查找原因，看传感器是否对中或千斤顶是否已经稳住，并应增加试验次数。每做完一束均要计算实测伸长值、理论伸长值并校核误差。
（8）钢束弯起角指其圆心角，等于弧长除以半径。
5．锚口及喇叭口摩阻损失测试
5.1 测试方法
由于张拉过程中力筋不可避免的与喇叭口和锚圈口接触并发生相对滑动，必然产生摩擦阻力，而这些摩擦阻力包括在张拉控制应力中。而规范中有的给出了参考值，如锚圈口摩阻给出的参考值为5%，但要求有条件者要测试；而喇叭口摩阻则没有对应的参考数值，设计采用的喇叭口和锚圈口摩阻损失之和为张拉控制应力的6%，故此需要进行现场实测。
考虑到测试方便和准确测试所确定的内容，在地面上制作了一混凝土长方体，其尺寸大约为0.8m×0.8m×3.0m，留有与力筋管道相同的直线孔道，两端安埋了喇叭口。以此为试验平台，采用多组锚头和钢绞线反复测试此项损失。锚圈口摩阻损失测试采用工作状态的锚头(必须安装夹片)，然后通过其前后的压力传感器测得其数值，测试原理如图2所示。用两端传感器测出锚具和锚垫板前后拉力差值即为锚具的锚口摩阻和锚垫板摩阻损失之和，以张拉力的百分率计。
图2 喇叭口和锚圈口损失测试原理
5.2 测试步骤
锚口和锚垫板摩阻损失试验具体测试步骤如下：
（1）两端同时充油，油表读数值均保持4MPa，然后将甲端封闭作为被动端，乙端作为主动端，张拉至控制吨位。设乙端压力传感器读数为时，甲端压力传感器的相应读数为，则锚口和锚垫板摩阻损失为：

以张拉力的百分率表示的锚口和锚垫板摩阻损失为：

（2）乙端封闭，甲端张拉，同样按上述方法进行三次，取平均值；
（3）两次的和平均值，再予以平均，即为测定值。记录表格的格式见附件1。

附件1. 测试记录表格
表1 孔道摩阻试验记录表
工程项目 主动端传感器编号 读数仪编号
施工单位 被动端传感器编号 钢束 编号
记 录 时 间 日 期
序号
荷载（t）
主动端P1（kN）
被动端P2（kN）
ΔP =P1-P2
损失率(%)ΔP/P1
油表读数(主)(MPa)
油表读数(被)(MPa)
实测伸长量（mm）

表2 锚口和锚垫板摩阻损失记录表
工程项目 主动端传感器编号 读数仪编号
施工单位 被动端传感器编号 锚具 型号
记 录 时 间 日 期
序号
荷载（t）
主动端P1（kN）
被动端P2（kN）
ΔP =P1-P2
损失率(%)ΔP/P1
油表读数(主)(MPa)
油表读数(被)(MPa)
实测伸长量（mm）