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第二节 预加力的计算与预应力损失的估算

 jhwsjzzb 2010-10-04
第二节 预加力的计算与预应力损失的估算
 


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:σcon≤0.75fpk;

对于精轧罗纹钢筋:σcon≤0.90fpk;

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σl1;

b、锚具变形、钢筋回缩、分块拼装构件的接缝压缩损失σl2;

c、混凝土加热养护时,预应力钢筋与台座之间的温度损失σl3;

d、混凝土的弹性压缩损失σl4;

e、预应力钢筋的应力松弛损失σl5;

f、混凝土的收缩和徐变损失σl6

(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(0.1σcon)--1.05σcon--(持荷2mins)--0.85σcon--σcon(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Ep=2×105。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εc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εpc,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:

(1)先张法构件

式中:σpc--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,

(2)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:ΣΔσpc-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σl4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i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:

(1)重复张拉先张拉过的预应力钢筋;

(2)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σl5=0.05σcon

超张拉σl5=0.035σcon

(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:

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σl,第二阶段为使用荷载作用阶段发生的应力损失σl(见表12-2)。

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