第37卷,第3期 2 0 1 2年6月 公 路 工 程 Highway Engineering Vo1.37,No.3 Jun.,2 0 1 2 影响预应力预制梁(板)上拱值的因素分析 刘可特 ,方坚宇 ,刘德坤 ,陈(1.湖南省浏醴高速公路建设开发有限公司,湖南长沙[摘博 _ 410082) 410329; 2.湖南大学工程力学系,湖南长沙要】预制梁(板)预应力筋张拉后发生向上的上拱变形,上拱值直接反映了张拉力效应,是预应力张拉施 工中的一个重要的力学指标。针对目前高速公路建设中梁(板)实际上拱值比理论上拱值偏低的现象,对影响梁 (板)上拱值的多种因素进行分析和讨论。 [关键词]预应力构件;预制梁板;上拱值;先简支后连续桥梁 [中图分类号】u 448.21 5 [文献标识码]A [文章编号】1674—0610(2012)o3—0116—03 Analysis on Factors Effecting Upward Deflection Values of Prestressed Precast Beams(Slabs) LIU Kete ,FANG Jianyu ,LIU Dekun。,CHEN Bo (1.Hunan Liuli Expressway Construction and Development Co.Ltd,Changsha,Hunan 410329,China; 2.Department of Engineering Mechanics,Hunan University,Changsha,Hunan 410082,China) ,[Abstract]The upward deflection occurs after the prestressed reinforcing bars of precast beams(or slabs)are tensioned,the value of which represents the effect of tensions directly and is an important me- chanical index in the construction of tension.For the phenomenon that the practical upward deflection values of preeast beams(or slabs)are less than the theoretical ones in the current constuctrion of expre- ssway,the factors effecting the upward deflection valu.es of prestressed precast beams(or slabs)are ana- lyzed and discussed in this paper. [Key words]prestressed member;precast beam;upward deflection value;simply—supported con- tinuous bridge 1 概述 先简支后结构连续桥梁是目前高速公路上应用 最广泛的一种桥型,其预制梁(板)为空心板、T梁和 小箱梁几种类型。预制梁(板)的预应力施工质量 是保证这种桥梁耐久性的重要环节之一。为此,预 为梁(板)上拱,其跨中的上拱值可以通过理论计算 确定 。由于上拱值直接反映了张拉力效应,应 该作为一个重要的力学指标。如果实际上拱值与理 论值偏差较多,应暂停施工并查清原因。引起实际 上拱值偏小的主要原因有以下几个: ①张拉力小于设计值; ②混凝土实际弹性模量高于理论计算的取值; ③预应力束位置偏差; ④梁端与台座之间的摩擦力影响。 ⑤预应力管道摩擦系数; 应力张拉施工中采用张拉力和预应力筋伸长量两个 指标来控制预应力的施加(称为所谓的”双控”)。 预制梁(板)一般采用后穿索工艺,如果穿索过程能 保证钢绞线在预应力管道内没有缠绕现象,张拉施 工时严格按规范执行,那么张拉力和钢绞线伸长量 目前我省高速公路建设中预制梁(板)的预应 力张拉施工中,在上述双控指标符合要求的情况下, 梁(板)上拱值偏低或偏低较多的现象还较为普遍。 本文结合实际工程项目,对预制梁板上拱值进行计 算,并对影响梁(板)上拱值的多种因素进行分析讨 两个指标可以相当好地符合设计和规范要求。预制 梁(板)张拉后受到张拉力和自重两种荷载的作用 而发生挠曲变形,在张拉力作用下梁(板)上拱,在 自重荷载作用下梁(板)下挠,两种变形的叠加结果 [收稿日期]2012—02—20 [作者简介]刘可特(1966一),男,湖南涟源人,工程师,主要从事高速公路建设与管理工作。 第3期 刘可特,等:影响预应力预制梁(板)上拱值的因素分析 117 论。本文的讨论不涉及徐变因素,上拱值是指预应 力筋张拉完成后的即时值。 3上拱值影响因素分析 3.1 张拉力小于设计值 2 计算模型 本文计算采用桥梁专用软件Midas,设计理论 上拱值的计算参数按设计规范 取值,其中混凝土 弹性模量E =34 500 MPa,重度y =25 kN/m。;管 道摩擦系数,c=0.001 5;/x=0.25;考虑夹片6 mm 预应力筋张拉后,梁体受预应力筋张拉力和梁 体自重两种荷载的作用,自重作用下梁体下挠,张拉 力作用下梁体上拱,二者之和即为通常所指的上拱 值。张拉力作用下梁体上拱值与张拉力(也就是预 应力)成正比。为了讨论张拉力与通常所指的上拱 的回缩量;梁(板)上拱后可视为简支梁。图1为有 值的定量关系,需要如计算在这两种荷载单独作用 限元模型。 下的下挠和上拱的理论值。本文以边跨中梁为例进 行计算。表1为不同梁(板)的变形值(设计理论 值)。表1中预应力筋设计张拉力作用下的上拱值 记为厂n;梁体自重作用下的下挠值记为 ,“+”号 为上拱,“一”号为下挠。 图1 T梁有限元模型 由表1可以看出:如果实际张拉力为设计值的 Figure 1 Finite element model of T-shaped beam 90%,不同梁(板)的实际上拱值为设计理论值的百 表1梁(板)的变形值 Table 1 Deformation values of beams(or slabs) mm 分比分别为:20 m空心板为73%;30 nl T梁为 %。 80%;40 rn T梁为73%;50 m T梁为63%。由此可 以看到张拉力是影响上拱值的重要因素。 由此可见弹性模量对上拱值有较大的影响。 3.2 混凝土弹性模量的影响 3.3预应力束位置偏差的影响 梁的弯曲变形的挠度一般表达式为 预制梁(板)的钢筋施工中,由于质量控制不严 而导致波纹管位置偏离设计的情况时有发生。如果 J—Et’厂: , 、l(1) 波纹管位置偏上,钢绞线合力对截面形心的力矩将 式1中:厂为挠度;F()为与荷载、梁的跨径和支承 减小,从而使得张拉力作用下梁体的上拱变形减小。 条件有关的数学表达式;,为梁截面的抗弯惯性矩; 本文以20 rn空心板和30 rn T梁(中跨中梁)为例, E为混凝土的弹性模量。由该式可知,梁的挠度与 在假设预应力束位置偏上的情况下计算上拱1值的 混凝土的弹性模量成反比例的关系。 减小’表2为预应力束位置偏上情况下上拱值的减 目前,湖南省高速公路建设中,对混凝土的强度 小率。 给予了极大的重视,梁(板)混凝土的强度普遍高于 表2预应力束位置偏上情况下上拱值的减小率 Table 2 Decrease rate of upward deflection values in the 设计值,其弹性模量则高于上拱值设计理论计算的 case of practical positions of prestress bars being 取值。根据我们对T梁混凝土做的弹性模量试验, higher than designed ones % 当混凝土强度达70 MPa左右时,其弹性模量可达 38 000~40 000 MPa。由于上拱值与混凝土的弹性 模量成反比例的关系,可以很容易地算得不同弹性 模量时的理论上拱值。例如,如取弹性模量为 由表2可以看出:预应力束位置偏上对上拱值 40 000 MPa,则弹性模量为40 000 MPa的上拱值只 的影响值得充分重视,这种偏差不但影响上拱值,还 有弹性模量为34 500 MPa(理论计算取值)的上拱 会影响混凝土截面预应力的大小和分布,严重时可 值的。 能使梁(板)抗裂能力降低。 118 公路工程 37卷 3.4 梁端与台座之间的摩擦力影响 梁(板)张拉前,底面与台座紧密贴合,预应力 筋张拉到一定程度后,梁(板)开始拱起,最后梁 (板)仅在两端局部位置与台座接触。上拱变形过 中,端部有水平位移或位移趋势,因此梁端底部受到 水平向外的摩擦力作用。在张拉过程中及张拉完成 后,这种摩擦力都是存在的。如果梁端底部与台座 之间有相对滑动(张拉到一定程度时),可以认为摩 擦力与梁体重量成正比(经典的库伦摩擦定律);如 果梁端底部与台座之间处于相对滑动趋势状态(例 如开始张拉时段或张拉完成后),则摩擦力的变化 是很复杂的。目前的上拱值计算中,一般都不考虑 这种摩擦力。实际上,这一对摩擦力在简支梁全跨 内产生的正弯矩使梁下挠,从而导致上拱值减小。 梁越重,接触面越大,影响越大。目前对这一影响的 深入研究几乎没有,困难在于要做相当数量的试验。 本文以50 nl T梁为例,假设摩擦力与梁体重量 成正比,取混凝土与钢板的摩擦系数等于0.2,这 样,可以很容易算得摩擦力的大小,进一步可以将作 用于两端底部的这一对力等效为作用在梁端的轴向 力和力偶。由此算得考虑摩擦力的上拱值为不考虑 摩擦力上拱值的91%。值得指出,虽然这里的计算 对摩擦力进行了简单的处理,但其结果半定量地表 明,在分析造成上拱值偏低的原因是,摩擦力也是值 得考虑的因素。关于摩擦力对上拱值的影响值得深 入研究。 3.5预应力管道摩擦系数 预应力张拉时,预应力筋和预应力管道之间存 在摩擦力,由于摩擦力的作用,预应力筋距张拉端一 定距离截面的轴力小于张拉端轴力P。摩擦力由两 部分组成,第一部分是由于孔道偏差、孔壁粗糙及钢 筋表面粗糙产生的刮碰摩擦力;第二部分是由于曲 线孔道的曲率,使预应力钢筋与孔壁之间产生法向 接触压应力而引起的摩擦力。预应力筋截面轴力 为[引。 =Pe一‘ , (2) 式2中:L为预应力筋张拉端与截面之间的长度;0 为预应力筋张拉端轴线的切线与截面处轴线的切线 的夹角;,c和 分别为与两部分摩擦力对应的摩擦 系数。 严格说来,摩擦系数应该通过现场试验确定,而 施工中,由于各种原因,摩擦系数还会与试验不同。 因此实际摩擦系数与设计计算的取值是有差别的。 从理论上判断,摩擦系数增大,产生的预应力损失增 大,上拱值将会减小。为了定量地考察这种影响,本 文以20 m空心板和30 Ill T梁(中跨中梁)为例,分 别考虑,c由0.001 5增大到0.003、 由0.25增大 到0.55时上拱值的减小率。表3为在管道摩擦力 增大情况下上拱值的减小率。 表3 管道摩擦力增大情况下上拱值的减小率 Table 3 Decrease rate of upward deflection values in the case of friction of pipelines increasing % 由表3可以看出:,c对上拱值的影响很小,而对 于曲线孔道曲率较大的T梁, 的影响是较大的。 因此,施工中保证曲线孔道位置的准确以及线形顺 滑,对于减小预应力损失有重要意义。 4 结论 本文针对目前我省高速公路建设中部分预制梁 (板)的实际上拱值比理论上拱值偏小的现象,对引 起实际上拱值偏小的主要原因进行了分析讨论。得 出如下认识。 ①张拉力不足引起的上拱值偏小是绝对不允 许的。如果发现上拱值偏小,首先应该检查预应力 张拉是否到位。采用梳编穿束和严格的张拉工艺, 可以有效地保证预应力张拉质量。 ②如果是混凝土实际弹性模量高于设计计算 韵取值导致的上拱值偏小,则这种偏小是正常的。 可以通过试验测定实际弹性模量,然后根据上拱值 与混凝土的弹性模量成反比例的关系,由设计理论 值推算出实际上拱值。 ③预应力束位置偏上对上拱值的影响值得充 分重视,这种偏差不但影响上拱值,还会影响混凝土 截面预应力的大小和分布,严重时可能使梁(板)抗 裂能力降低。施工中应严格控制预应力管道的位 置。 ④预应力张拉导致梁(板)变形,梁(板)端与 台座之间存在水平摩擦力,这种摩擦力使上拱值减 小。本文的计算表明,在分析造成上拱值偏低的原 因是,摩擦力也是值得考虑的因素。考虑这种因素 主要是对设计理论值进行修正,施工中不需要采取 减小摩擦力的特殊措施。 ⑤预应力管道摩擦系数中,对于曲线孔道曲率 较大的T梁, 的影响是较大的。因此,施工中保证 曲线孑L道位置的准确以及线形顺滑,对于减小预应 (下转第126页) l26 公路工程 37卷 4 小结 [参考文献] [1] 王晓冬.渗流力学基础[M].北京:石油工业出版社,2006. 从以上渗流分析可以得出以下结论: [2] 顾慰慈.渗流计算原理及应用[M].北京:中国建材工业出版 ①当裂隙岩体中有渗流发生时,也就是渗流场 社,2000. 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