第十二章 预应力混凝土受弯构件的应力损失.doc

第十二章预应力混凝土受弯构件的应力损失第一节预应力混凝土梁各工作阶段的受力分析一、施工阶段二、使用阶段预应力混凝土结构(prestressed concrete structure)从张拉预应力筋(prestressed reinforcement)开始，到承受外荷载，直至最后破坏，大致可分为四个受力阶段，即预加应力阶段、使用荷载作用阶段、裂缝出现阶段和破坏阶段。以后张法(post-tensioning method)预应力混凝土梁，如图为例，说明各个阶段所承受的荷载、预加力大小和跨中截面的受力情况。一、施工阶段（一）预加应力阶段1、时间：从预应力筋的张拉开始，至预应力筋的锚固和预应力传递。2、荷载：主要是偏心预压力（即预加应力的合力）Np及梁的自重。3、工作状态：弹性阶段，可按材力公式计算。4、受力特点：预应力损失最小，预加力大，荷载小。5、本阶段的设计计算要求是：控制梁的上、下缘混凝土的最大拉应力和压应力，及梁腹的主应力，不应超出公桥规的规定；控制钢筋的最大张拉应力；保证锚具下混凝土局部承压的容许承载能力，使其大于实际承载的压力，并有足够的安全度，以保证梁体不出现水平纵向裂缝。6、有效预应力的概念：通常把扣除应力损失后钢筋中实际存余的应力称为有效预应力（effective Prestress）。（二）运输、安装阶段此阶段混凝土梁所承受的荷载，仍是预加力和梁的自身恒载。但由于引起预应力损失的因素相继增加，使要比预加应力阶段小；同时梁的自身恒载应根据公桥规的规定计入1.20或0.85的动力系数。构件在运输中的支点或安装时的吊点位置常与正常支承点不同，故应按梁起吊时自身恒载作用下的计算图式进行验算，特别需注意验算构件支点或吊点处上缘混凝土的拉应力。                                                                    <top>二、使用阶段1、时间：该阶段是指桥梁建成通车后整个使用阶段。2、荷载：梁自重（称为期恒载），偏心预加力Np，车辆及人群等活载，和桥面铺装、人行道板、栏杆等后加桥梁恒载（称为期恒载）。3、本阶段可分为如下几个受力状态：（1）加载至受拉边缘混凝土预压应力为零，构件仅在永存预加力Npe（即永存预应力pe的合力）作用下，其下边缘混凝土的有效预压力为pc。当构件加载至某一特定荷载，在控制截面上所产生的弯矩为M0时，其下边缘混凝土的预压应力pc,恰被抵消为零，则下式成立，即一般把在M0作用下控制截面上的应力状态，称为消压状态，而把M0称为消压弯矩(decompression moment)。（2）加载至受拉区裂缝即将出现当构件在消压状态后继续加载，并使受拉区混凝土应力达到抗拉极限强度ftk时的应力状态，即称为裂缝即将出现状态。此时荷载产生的弯矩就称为裂缝弯矩Mcr。(图12-1c)如果把受拉区混凝土应力从零增加到ftk的外弯矩用Mf表示，则裂缝弯矩Mcr的大小为:Mcr=M0+Mf可以看出：在消压状态出现后，预应力混凝土梁的受力情况，就如同普通钢筋混凝土梁一样了。但是由于预应力混凝土梁的抗裂弯矩Mcr，比同截面、同材料的普通钢筋混凝土梁的抗裂弯矩多一个消压弯矩M0，因而，说明预应力混凝可以大大推迟裂缝的出现。（3）加载至构件破坏预应力混凝土受弯构件在破坏时预加应力损失殆尽，故其应力状态和普通混凝土构件相类似，其计算方法也基本相同。试验表明：在正常配筋的范围内，预应力混凝土梁的破坏弯矩，主要与构件的组成材料受力性能有关，而与是否在受拉区钢筋中施加预拉应力的关系不大。其破坏弯矩值与同条件普通钢筋混凝土梁的破坏弯矩值几乎相同。这说明预应力混凝土结构并不能创造出超越其本身材料强度能力之外的奇迹，而只是大大改善了结构在正常使用阶段的工作性能。                                                                   <top>第二节预加力的计算与预应力损失的估算一、钢筋的张拉控制应力二、钢筋预应力损失值的估算小结在预应力混凝土（prestressed concrete）构件内，预张拉力的大小并不是一个恒值，因预应力筋中的预拉应力在张拉施工和使用过程中会逐渐减少，也使混凝土中预压应力相应减少。预应力筋中这种应力减少的现象称为预应力损失。因此，根据荷载大小需要而设计的预拉应力，应该为扣除预应力损失后的永存预应力。为了确定永存预应力，一是要确定张拉时钢筋的初始应力（一般称为张拉控制应力），二是要正确估算各项预应力损失值。三者之间的关系为：一、钢筋的张拉控制应力张拉控制应力，是指张拉钢筋进行锚固前，张拉千斤顶所指示的总拉力除以预应力钢筋截面积所求得的钢筋应力值。钢筋张拉应力与所采用的钢筋品种有关。公桥规规定，预应力钢筋在构造端部（锚下）的控制应力应符合下列规定：对于钢丝、钢绞线:con0.75fpk;对于精轧罗纹钢筋:con0.90fpk;                                                                   <top>二、钢筋预应力损失值的估算公桥规规定，在计算构件截面应力和确定钢筋的控制应力时，应考虑由下列因素引起的六种预应力损失:a、预应力钢筋与管壁之间的摩擦损失l1；b、锚具变形、钢筋回缩、分块拼装构件的接缝压缩损失l2；c、混凝土加热养护时，预应力钢筋与台座之间的温度损失l3；d、混凝土的弹性压缩损失l4；e、预应力钢筋的应力松弛损失l5；f、混凝土的收缩和徐变损失l6。（一）钢筋与管道壁之间的摩擦引起的应力损失1、原因：这种预应力损失出现在后张法构件中。引起预应力损失的摩擦阻力由两部分组成：一是曲线布置的预应力钢筋，张拉时钢筋对管道内壁的垂直挤压力，导致产生摩阻力，其值随钢筋弯曲角度的总和而增加，这部分阻力较大；二是由于管道位置的偏差和不光滑所造成的，这部分阻力相对小些，取决于钢筋的长度、钢筋与孔道之间的摩擦系数、以及孔道成型的施工质量等。如图。2、计算：3、为了减小摩擦阻力损失，一般可采用如下措施：a、采用两端同时张拉；b、进行超张拉。一般采用的超张拉程序是：0-初应力（0.1con)-1.05con-(持荷2mins)-0.85con-con（锚固） （二）锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失1、原因：后张法构件中，当张拉结束并开始锚固时，锚具开始受力，这时，由于锚具本身的变形、钢丝的滑动、垫板缝隙压密以及分块拼装时的接缝压缩等因素，均会使已张拉好的钢筋略有松动，造成应力损失。2、计算：公桥规还指出，在计算锚具变形、钢筋回缩等引起的应力损失时，可考虑与张拉钢筋时的摩擦阻力相反的摩阻作用。（三）钢筋与台座之间温差引起的应力损失1、原因：这项损失仅发生在先张法预应力混凝土结构中。张拉钢筋是在常温下进行的，采用蒸汽和其他方法加热养护混凝土时，形成钢筋与台座之间的温度差。钢筋将因温度升高而伸长，而台座埋在地下，温度基本上不发生变化，仍维护原来的相对距离。由于养护时混凝土尚未结硬，钢筋受热后可在混凝土中自由伸长。这样，预应力钢筋就被放松而产生应力下降，等降温时，钢筋已与混凝土结成整体，无法恢复到原来的应力状态，于是产生了应力损失。2、计算：取Ep2×105。则应力损失计算公式为:3、为了减少温差引起的应力损失，可采用二次升温分阶段养护的措施。（四）混凝土弹性压缩所引起的应力损失1、原因：当混凝土构件受到预压应力而产生压缩应变c时，则已经张拉并锚固于混凝土构件上的预应力钢筋，亦将产生与该钢筋重心水平处混凝土同样的压缩应变p=c，因而引起预拉应力损失，并称为混凝土弹性压缩损失。2、计算：（）先张法构件式中：pc-在计算截面的钢筋重心处，由全部钢筋预加力产生的混凝土法向应力（MPa),可按下式计算：-张拉锚固前的力筋中的预应力，（）后张法构件后张法预应力混凝土构件中，钢筋往往分批进行张拉锚固，故弹性压缩损失又称为分批张拉预应力损失。公桥规规定，分批张拉应力损失可按下列公式计算：式中：pc-在计算截面先批张拉的钢筋重心处，由于随后张拉各批钢筋时所产生的应力之和；在设计实践中可采用下面的假设进行近似计算：在设计实践中常采用下面的假设进行近似计算：a、对于简支梁，计算L/4截面的l4作为全梁各截面的损失值。b、假定同一截面（如L/4截面）内的所有预应力钢筋都集中布置于其合力作用点，并假定各批钢筋的张拉力都相等，其值等于各批钢筋张拉力的平均值。求得每一批张拉钢筋所产生的混凝土正应力为：第批钢筋的应力损失应为c、进一步假定以1/4截面上全部预应力钢筋重心处弹性压缩应力损失的平均值，作为各批（束）钢筋由混凝土弹性压缩引起的应力损失值，最后公式为：3、分批张拉时，由于每批钢筋的应力损失不同，则实际有效应力不等。补救方法如下：（）重复张拉先张拉过的预应力钢筋；（）超张拉先张拉的预应力钢筋。（五）钢筋松弛引起的应力损失1、原因：试验指出，钢筋的应力松弛与钢筋的成分、加工方式、张拉钢筋应力大小及其延续时间有关。2、计算：公桥规规定：由钢筋松弛引起的应力损失的终极值，按下式计算：（1）对于精轧螺纹钢筋一次张拉l5=0.05con超张拉l5=0.035con（2）对于预应力钢丝、钢绞线（六）混凝土收缩和徐变引起的应力损失1、原因：由于混凝土的收缩和徐变，使预应力混凝土构件缩短，预应力钢筋也随之回缩，从而使钢筋预应力值降低，造成预应力损失。2、计算：公桥规推荐收缩、徐变应力损失计算为：                                                                   <top>小结：以上预应力损失的计算值，仅仅只能作为设计的一般依据，随着施工条件的变化，实际损失会有所不同，因此实际的损失值和计算值会有差距，除加强施工工艺的管理外，还应作好损失值的实测试验工作，根据实测损失值来随时调整损失值与张拉力之间的关系。上述六种预应力损失，有些出现在混凝土预压以前，有些出现在混凝土预压以后，有些很快即完成，有些则需要延续很长时间。通常按损失完成的时间将其分为两阶段，第一阶段为预加应力阶段发生的应力损失l，第二阶段为使用荷载作用阶段发生的应力损失l（见表12-2）。                                                                   <top>第十二章 预应力混凝土受弯构件的应力损失思  考  题12-1预应力混凝土结构从张拉预应力筋开始直至最后破坏，可分为几个受力阶段，即施工阶段和使用阶段。各个阶段所承受的荷载、预加力大小和跨中截面的受力情况如何？12-2什么是张拉控制应力？为什么张拉控制应力取值不能过高也不能过低？12-3引起预应力损失的摩擦阻力由哪几部分组成？在直线的管道内的预应力的钢筋与孔道接触引起的摩擦损失与哪些因素有关？12-4预应力损失有哪几种？各种损失产生的原因是什么？计算方法及减小措施如何？12-5先张法、后张法各有哪几种损失？哪些属于第一批，哪些属于第二批？12-6什么是预应力钢筋的松弛？钢筋的松弛有哪些特点？为什么超张拉可以减小松弛损失？12-7为什么混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失要一起考虑？在计算时考虑预应力构件中的非预应力钢筋的影响么？为什么？12-8在预应力混凝土构件中的各项的预应力的损失中，哪项引起的预应力损失最大，为什么？