77曾利民-锚口处与孔道摩阻损失的现场测试.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 锚口处与孔道摩阻损失的现场测试 曾利民 （浙江省工程测力监督检测中心, 杭州310013） 提 要 在现浇预应力混凝土结构中广泛使用夹片锚具，受锚口处摩阻影响，锚具前后钢铰线拉力会不一样；受放张时锚具的变形、预应力筋端部的弹性回缩及预应力筋与孔道间摩擦、预应力筋快速松驰等影响，张拉控制应力在预应力筋锚固后会迅速降低。为此，本文对锚口处摩阻损失、孔道摩阻损失的现场测试方法进行了研究。 关键词 锚口处摩擦损失、孔道局部偏差摩擦影响系数、预应力筋与孔道间摩擦系数 由于在混凝土预应力的设计与施工中需要计算预应力损失、预应力筋张拉伸长值，而锚口处摩擦损失r、孔道局部偏差摩擦影响系数k、预应力筋与孔道间摩擦系数μ是其三个关键参数，根据我国混凝土结构设计规范（GB50010-2002）规定[1]，后张法构件发生在施工阶段的预应力筋的摩擦损失σl2由与孔道壁之间的摩擦、在转向装置处的摩擦两部分组成。前者按规范[1]第6.2.4条的规定进行，即按σl2σcon（1-exp-kx-μθ）进行计算； 式中x----张拉端至计算截面的孔道长度（m） θ----张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角（rad） k----孔道每米长度局部偏差摩擦影响系数 μ----预应力筋与孔道间摩擦系数 后者按实际情况而确定，并在规范[1]第6.2.4条的注解中规定采用多孔夹片锚具时，尚应考虑锚口处的附加摩擦损失，其值可根据实测数据确定。此处所指 “锚口处的附加摩擦损失”可理解为张拉时预应力筋经过锚固件（限位板、锚板、锚垫板等）因出现摩擦或强迫预应力筋弯折而产生的应力损失。 1 试验方法 在现浇预应力混凝土结构张拉现场中任选不同的两预应力索（尽可能两预应力索锚具规格相同，总转角Θ、预应力筋总弧长L相差较大），并用两预应力索同一分级加载时测试（计算）数据组成关于系数k、μ的方程组。同时为了在计算中不产生奇异方程解，两索总转角之比（Θ1/Θ2）与两索预应力筋总弧长之比（L1/L2）不能太相近，应尽可能相差大一 曾利民，男，1965.1出生，高级工程师 点。试验装置及预应力筋各部位拉力如图1所示，通常每预应力索测试需装三个测力传感器（Pa、Pb、Pc），其中在墩头（锚垫板）前永久性埋设两个测力传感器（Pb、Pc）。当预应力索仅在一端张拉时，固定端千斤顶与工具锚（夹具）可不安装；当锚口处摩阻损失已知且测试精度要求不高时，可在张拉端不装Pc传感器；当不进行锚口处摩擦损失r测试时，可在张拉端不装Pa传感器。 钢 工 传 千 工 传 传 工 千 工 绞 具 感 斤 作 感 墩 墩 感 作 斤 具 线 锚 器 顶 锚 器 头 预应力混凝土构件 头 器 锚 顶 锚 P或σ Pa Pc或Pa1-r Pb P’或σ’ 张拉端 固定端 图1 试验装置及预应力筋各部位拉力 1.1传感器选定与安装 与现浇预应力混凝土结构张拉施工一样，先将张拉端、固定端的两台千斤顶标定好，为现场测试提供力源。为了提高测试精度，宜选用表盘Y150、精度1.51.6级油压表，最大量程不宜小于设备额定张拉力的1.3倍，油压表和千斤顶间的对应关系宜用0.3级标准测力仪成套进行校准（标定）。传感器的选型应与锚具规格相对应，传感器的校准（标定）最好用不低于0.3级的力标准机进行校准（标定）。为了减少传感器稳定性影响，最好在检测前进行测力传感器的校准（标定），进而排除不必要的误差。 1.2锚口处摩阻损失测试 锚口处摩阻损失主要由锚孔处与墩头锚垫板处的损失组成，表现为各级加载张拉下的锚具前后钢铰线拉力差ΔPPa-Pc,其中Pa、Pc为第一次测试（计算）数据。如果忽略千斤顶内缸体摩擦及油泵控制精度等影响，锚口处摩擦损失r则可定义为锚具前后钢铰线拉力差ΔP的最大值与张拉控制应力σcon时传感器Pa示值的比值，即rΔP/Pa。 1.3孔道壁之间摩阻损失测试 孔道壁之间的摩阻损失按规范[1]第6.2.4条的规定进行，即现场测试中一端张拉另一端固定预应力损失可按Pc/PbexpkLμΘ用力值进行计算。 式中L----张拉端至固定端的孔道总长度，又称预应力筋总弧长（m） Θ----张拉端至固定端曲线孔道部分切线的总转角（rad） k----孔道每米长度局部偏差摩擦影响系数 μ----预应力筋与孔道间摩擦系数 Pc----张拉（主动）端传感器拉力示值（kN） Pb----固定（被动）端传感器拉力示值（kN） 1.4现场测试 仪器设备安装在预应力索孔道两端各架设一台千斤顶，张拉端安装两个传感器（Pa、Pc），固定端安装一个传感器（Pb），如图1，目的是测试预应力筋与孔道间单向摩阻。安装设备时应注意千斤顶上的工具锚（夹具）孔位与构件端部工作锚孔位排列一致；对于直线预应力筋应使张拉力的作用线与孔道中心线重合，对于曲线预应力筋应使张拉力的作用线与孔道中心线末端的切结重合。 油泵供油固定端千斤顶应先预张拉3～10张拉控制应力σcon，通常以被动端传感器示值读数有反映为宜；然后张拉端千斤顶按张拉控制应力σcon的20、40、70（或换千斤顶位移量程）、100分级依次上升油压。并按级测读主动端与被动端传感器数据，为了消除预应力筋快速松驰等因素影响，每级加载至少应测读两次（第0min、第1min），并用相对稳定测试（计算）数据，通常是第二次（第1min）数据计算孔道局部偏差摩擦影响系数k、预应力筋与孔道间摩擦系数μ，但对于由正反多曲线组成的预应力索宜用第三次（第2min）或第四次（第5min）读数计算孔道局部偏差摩擦影响系数k、预应力筋与孔道间摩擦系数μ，具体可根据张拉端至固定端曲线孔道部分切线的总转角Θ而定。当换千斤顶位移量程（或加载至加载至70张拉控制应力σcon）以及加载至100张拉控制应力σcon时，还可再按第2min、第5min、第10min、第15min、第30min、第45min、第1h、（以后每隔0.5h）同时测量主动端与被动端传感器数据。 当锚口处摩阻损失已知且测试精度要求不高时，可在张拉端不安装Pc传感器,初次读数可用PcPa-ΔP进行计算，第二次读数可根据初次读数计算值近似用Pc2ω*Pc1*Pb1/Pb2进行计算，第三次读数可根据第二次读数计算值近似用Pc3ω*Pc2*Pb2/Pb3进行计算，，式中ω取值可根据试验数据而定。在不进行锚口处摩阻损失测试的情况下，当锚口处摩阻损失已知并且测试精度要求不高时，在张拉端可不安装Pa传感器；当不永久性埋设测力传感器时，在测试中应注意工作锚不应安装夹片,并在固定端千斤顶施加预张拉后关死其油阀。由于没有考虑锚口处摩阻损失，并受千斤顶内缸体摩擦及油泵控制精度等影响，其测试精度会降低。 2 工程实例 在某工程选用规格均为12孔锚具两预应力索进行现场测试研究，第一预应力索按张拉控制应力σcon的20、40、70、100分级依次加载，第二预应力索按张拉控制应力σcon的20、换千斤顶位移量程（30MPa）、100分级依次加载。测力传感器由自己单位设计、生产，并在0.1级力标准机上校准（标定）。总共永久性埋设了三个传感器，两预应力索张拉端至固定端的孔道总长度、曲线孔道部分切线的总转角如表1所示。 表1 预应力索设计技术参数 技术设计参数 第一索 第二索 张拉端至固定端孔道总长度L（m） 11.78 91.38 张拉端至固定端曲线孔道部分切线的总转角Θ（rad） 0.870 3.362 2.1第一预应力索测试 第一预应力索不进行锚口处摩阻损失测试，因而在主动端没装Pa传感器；由于委托方对测试精度要求不高，因而可用第二预应力索Pa传感器测试数据推算第一预应力索Pa传感器数据，进而根据ΔPPa-Pc计算各级加载张拉下的锚具前后钢铰线拉力差，取ΔP最大值130kN，则锚口处摩擦损失系数r为5.7。第一索部分测试结果见表2。 表2 第一预应力索测试结果 加 载 Pa计算值 kN Pc示值 kN Pb示值 kN kLμΘ ΔPPa-Pc kN 百分比 油压表 MPa 70 35.0 1562 第一次 1432 1163 0.2081 130 第二次 1414 1174 0.1860 100 50.7 2273 第一次 2160 1723 0.2260 113 第二次 2135 1739 0.2052 第三次 2130 1742 0.2011 2.2第二预应力索测试 第二索预应力不进行锚口处摩阻损失测试，因而在主动端仅装Pa传感器，而未装Pc传感器。由于测试精度要求不高时，因而可用第一预应力索Pc传感器测试数据推算第二预应力索Pc传感器数据，进而用ΔPPa-Pc计算各级加载张拉下的锚具前后钢铰线拉力差，取ΔP最大值142kN，则锚口处摩擦损失系数r为6.2。第二索部分测试结果见表3。 表3 第二预应力索测试结果 加 载 Pa示值 kN Pc计算值 kN Pb示值 kN kLμΘ ΔPPa-Pc kN 百分比 油压表 MPa 千斤顶 换位移 量程 30.0 1264 第一次 1122 415 0.9946 142 第二次 1047 441 0.8646 第三次 1011 453 0.8028 第四次 1003 456 0.7893 100 50.7 2273 第一次 2160 783 1.0147 113 第二次 2069 811 0.9366 第三次 2003 831 0.8798 第四次 1975 836 0.8597 2.3孔道壁之间的摩阻损失计算 由于第一预应力索为单曲线，第二预应力索由正反多曲线段组成，因而把第一索70张拉控制应力σcon时第二次Pc、Pb测试计算数据与第二索预应力千斤顶换位移量程时第三次Pc、Pb测试计算数据组成方程组，其方程组解为k0.00189，μ0.210；第一、第二预应力索在张拉控制应力σcon时第三次Pc、Pb数据组成方程组，其方程组解为k0.00351，μ0.166。由于计算孔道局部偏差摩擦影响系数k、预应力筋与孔道间摩擦系数μ时第二预应力索数据相对不稳定，从而计算结果分散不稳定，可省去。 同样，把第一索70张拉控制应力σcon时第二次Pc、Pb测试计算数据与第二索预应力千斤顶换位移量程时第四次Pc、Pb测试计算数据组成方程组，其方程组解为k0.00154，μ0.193；第一应力索在张拉控制应力σcon时第三次Pc、Pb数据与第二预应力索在张拉控制应力σcon时第四次Pc、Pb数据组成方程组，其方程组解为k0.00154，μ0.214。综上所述，锚口处摩擦损失系数r可取平均值6.0、孔道局部偏差摩擦影响系数k可取平均值0.0015、预应力筋与孔道间摩擦系数μ可取平均值0.20，与假设孔道局部偏差摩擦影响系数取中间值（k0.0016），再计算预应力筋与孔道间摩擦系数结果相近。 2.4预应力损失与预应力筋张拉伸长值验算 在计算预应力损失与预应力筋张拉伸长值时，锚口处摩擦损失系数、孔道局部偏差摩擦影响系数、预应力筋与孔道间摩擦系数这三个参数非常重要。以本工程为例，第一预应力索张拉端至固定端孔道总长度（即预应力筋总弧长）L为11.78m，张拉端至固定端曲线孔道部分切线的总转角Θ为0.87rad，张拉控制应力σcon为1395MPa，如果弹性模量E取195GPa，按ΔL1.031-rσcon 1exp-kL-μΘ L/（2E）进行计算[3][4]，则预应力筋张拉理论伸长值为74.3mm；如果Pc、Pb分别取实测值2160kN、1723kN，预应力筋截面积A取1680mm2，弹性模量E也取195GPa，按ΔL（Pc﹢Pb）L/（2AE）进行计算，则预应力筋张拉计算伸长值为69.8mm；而实测预应力索伸长值为71mm。说明锚口处摩阻损失与孔道壁之间的摩阻损失现场测试结果可指导后张预应力施工。 3 结束语 本现场测试方法方便、简单，可直接在工程现浇预应力混凝土构件上进行测试，不影响现场施工，且测试结果具有代表性并省去专门浇注预应力混凝土结构试验构件。同时本方法测试精度较高，测试费用适中，即使两预应力索测试永久性埋设四个测力传感器，其检测总费用也远没有浇注预应力混凝土结构试验构件进行测试贵，因而应用前景广泛。同时为了保证预应力工程质量，为了研究因预应力钢筋的应力松驰、混凝土的收缩与徐变等而产生的第二批预应力损失，建议重要预应力工程在施工张拉前应进行锚口处摩擦损失系数、孔道局部偏差摩擦影响系数、预应力筋与孔道间摩擦系数现场测试。 另外，由于预应力筋与孔道壁间摩阻损失（kLμΘ）随时间的增加而变小，因而孔道局部偏差摩擦影响系数k、预应力筋与孔道间摩擦系数μ测试结果会随不同时间测试（计算）数据而变化。为了取相对稳定数据进行计算，建议对单曲线预应力索取第二次（第1min）或第三次（第2min）数据计算孔道局部偏差摩擦影响系数k、预应力筋与孔道间摩擦系数μ；对于由正反多曲线段组成的预应力索如何确定相应时间点数据计算孔道局部偏差摩擦影响系数k、预应力筋与孔道间摩擦系数μ，尚待进一步研究。 参 考 文 献 [1]新版建筑工程勘察设计规范汇编，中国建筑工业出版社，2002 [2]建筑工程预应力施工规程（CECS 1802005），中国计划出版社，2005 [3]吕志涛，孟少平编著，现代预应力设计，中国建筑工业出版社，2002 [4]施岚青，陈嵘编，预应力混凝土实用技术，中国建筑工业出版社，2004