预应力钢束摩阻损失试验与有限元分析研究

罗茂林，杨仕力

(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

桥梁工程

预应力钢束摩阻损失试验与有限元分析研究

罗茂林，杨仕力

(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

为了解有效预应力下桥梁结构的受力状况以及应力分布，对某连续梁桥的长弯预应力筋布置测点，实测了多根预应力筋的摩阻损失值，确定了其摩擦损失参数μ、k值。将测点处混凝土应力实测值与ansys模型在理论摩阻下的计算值对比分析，结果表明，实际摩阻损失率比理论摩阻损失率大11.96%；除个别截面受支承处的局部效应影响外，梁体其他截面受力较为平顺，应力的量值也不大。

预应力混凝土结构；预应力损失；摩擦阻力；应力分析

1 钢束摩阻损失有限元分析模型

某五跨预应力连续梁桥，预留孔道采用金属波纹管，其理论摩阻参数μ=0.2，k=0.001 5，预应力钢筋为通长布置。采用ANSYS有限元软件建立空间模型，混凝土采用solid45单元，预应力钢筋采用link8单元。计算主要考虑5根通长的预应力钢筋，其中三根为中腹板预应力筋：FZ1、FZ2、FZ3；两根为边腹板预应力筋：FB1、FB2。

考虑到全桥划分单元数量巨大，遂采用半幅桥来计算，每根预应力钢筋张拉工况由一个正对称和一个反对称的计算结果叠加而得。计算各工况均为单根张拉，仅考虑预应力有效应力下桥跨结构的受力状况，以及测试截面的应力分布。计算中预应力钢筋是以理论摩阻力计算出有效预应力值结果。

2 钢束摩阻损失试验研究

2.1 试验与测试方案

试验研究时同样考虑上述5根预应力筋，为了确定桥梁结构沿程预应力损失，在全桥的5个控制截面的预应力筋附近布置混凝土应力计，实测断面见图1，测点布置见图2；此外为了确定预应力筋的摩阻损失，以便于测定实际摩阻损失参数，在每根预应力筋钢束的张拉端与被张拉端各安装1个穿心式压力荷载传感器。试验时，一端固定，另一端分级张拉至100%后持荷至控制截面应力计和压力传感器读数均稳定为止，此时记录应力计和传感器读数。

图1 实测断面(PM28为张拉端)

图2 截面应力测点图

2.2 试验结果与分析

对5根长弯预应力筋进行张拉试验，试验结果见表1。

表1 长弯预应力筋摩阻损失实测值

规范中预应力钢筋与管道壁之间的摩擦引起的预应力损失计算公式为

σl1=σcon[1-e-(μθ+kx)]

(1)

γ=σl1/σcon=[1-e-(μθ+kx)]=(P-P1)/P

(2)

γ称为预应力摩阻损失率，P、P1分别为预应力钢束张拉端荷载和锚固端荷载。

通过钢束锚固端的荷载传感器可测得锚固端荷载，从而得知各钢束的摩阻损失率γ，简化式可得

ln(1-γ)=-(μθ+kx)

将表1中FZ1和FZ2各数据代入式，可得μ=0.23，k=0.004。为了验证结果的合理性，对试验中其余三根预应力筋数据代入验算，结果证明了参数取值μ=0.23，k=0.004的正确性。

摩阻损失率理论值和实测值见表2，表中理论值是由理论摩擦损失参数μ、k值推算而得，由表2可知，不同的μ、k值对摩阻损失率有较大的影响，长弯预应力筋的实测摩阻损失率比理论摩阻损失率大11.96%。

表2 摩阻损失率

3 摩阻损失下梁体应力分析

3.1 理论计算应力结果

计算提取结果的截面同实测截面，各截面提取结果位置对应测点位置，即同布置混凝土应力计的测点。

对于每个测点位置处，将“对称工况”结果与“反对称工况”结果叠加即为该测点的对应于预应力钢筋张拉100%时的理论计算结果。各测点有限元计算结果和实测值见表3；部分截面应力分布结果见图3、图4。

图3 FZ2张拉一半正对称工况截面2轴向正应力(σz)分布结果(Pa)

图4 FB1张拉一半正对称工况截面5轴向正应力(σz)分布结果(Pa)

3.2 摩阻损失下梁体实测应力与理论对比分析

从图3可知：混凝土梁体截面受力较平顺，其应力水平较低，该截面混凝土受力并不显著，梁体上部截面承受压应力，下部截面受拉应力；最大压应力为0.529 MPa，出现在中腹板与顶板相交处，最大拉应力为0.123 MPa，出现在底板处。结合该截面在反对称工况下的应力分布可知，FZ2张拉后测点处叠加后的压应力仅为0.451 MPa，由表3可知，实测压应力为0.372 MPa，其压应力理论值大于实测值，这与有限元计算中理论摩阻μ、k值较实际值偏小相一致。

由图4可知：梁截面受力呈现沿梁高并不均匀分布的情况；梁体上部截面承受拉应力，下部截面受压应力；最大压应力为1.56 MPa，出现在边腹板与底板相交处，最大拉应力为0.345 MPa，出现在顶板处；结合其反对称工况下的应力分布可知，测点处叠加后的压应力为1.961 MPa，其值大于实测值1.452 MPa。

从表3可知，各预应力钢筋对应测点位置附近混凝土受力并不显著，各点应力值均小于2.0 MPa；除了FZ1的4号截面和FZ3的3号截面外，其余各测点混凝土压应力实测值均比计算值小，这与有限元计算中理论摩阻μ、k值较实际值偏小相一致。

表3 测点位置混凝土应力 MPa

4 结 论

通过现场试验实测了各预应力筋的摩阻损失以及对应测点的应力状况，并建立ansys空间模型分析了测试截面应力分布情况。得到结论如下：

(1)通过现场试验实测并推算出长索在张拉阶段预应力摩擦损失计算参数μ=0.23，k=0.004；

(2)实际摩擦损失参数和理论摩擦损失参数的不同将导致摩阻损失率的差异，实测摩阻损失率比理论摩阻损失率大11.96%。实际工程中为了准确估算预应力力损失值，保证工程质量，有必要在现场实测μ、k值；

(3)预应力钢筋张拉后，在钢筋张拉压力及摩阻力作用下，梁体截面受力呈现沿梁高并不均匀分布的情况，这与通常的平面分析结果有明显的差异，除个别截面受支承处的局部效应影响外，梁体截面受力较为平顺，应力的量值均小于2.0 MPa。

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[2] 张开银，郭志伟，顾津申. PC弯曲孔道摩阻预应力损失试验与分析[J]. 中外公路，2010，(4)：145-149.

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Experimental Study and Finite Element Analysis on Friction Loss of Prestressed Tendons

LUO Mao-lin，YANG Shi-li

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to investigate the force condition and the stress distribution of bridge structure under the effective prestressing force, load sensors and stress meters are arranged , the friction loss values of prestressed tendons were measured, and the friction loss parameter μ and k were determined. Comparing the measured value of concrete stress with the calculated value, the results show that the actual friction loss rate is 11.96% greater than the theoretical friction loss rate. In addition to the local effects of the individual sections affected by the support, the stress of other beam section is relatively smooth,the stress value is not large.

prestressed concrete structure; prestress loss; frictional resistance; stress analysis

2017-01-19

罗茂林(1992-)，男，四川成都人，硕士研究生，研究方向：桥梁结构试验研究，桥梁结构检测试验与性能评定。

U446

C

1008-3383(2017)02-0079-02