浅谈后张法T梁预应力损失.docx
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浅谈后张法T梁预应力损失
浅谈后张法T梁预应力损失
摘要:
本文介绍了后张法后张预应力T梁施工中所遇到的预应力损失,阐述产生了的原因和现场的施工对策,这些方法对减小后张法施工中预应力的损失有一定作用。
关键词:
预应力损失T梁混凝土预应力钢束
近年来,在高速公路的桥梁施工中,后张法后张预应力T梁得到了广泛的应用,预应力在张拉过程中所施加的有效预应力,对T梁抗裂度、裂缝宽度,以及T梁正截面的强度都有非常重要的影响,在施工中,如何有效降低或避免预应力损失,本文结合工程实践,进行一定的探讨。
1T梁混凝土弹性压缩所引起的预应力损失
T梁混凝土的弹性缩短包括直接轴向缩短和弹性弯曲引起的弹性缩短,在后张法T梁施工中,由于各束钢束不能同时张拉,弹性压缩引起的损失逐渐发生,引起每束钢束预应力损失也不同,因此张拉顺序很重要。
为使后张钢束的合力作用线在构件的截面核心内,以防T梁截面产生过大的偏心受压和边缘拉力,减少先期张拉的钢束会因后期张拉的钢束对混凝弹性压缩而引起预应力损失,在现场施工中,采用分批、分阶段、对称的方法进行张拉。
在控制锚下应力时,一种方法是全部力筋张拉至设计规定的初始预应力,另一方法是全部力筋张拉至初始预应力加平均弹性压缩而引起预应力损失量。
为避免弹性压缩损失,T梁施工采取措施有:
(1)选用强度高的混凝土,因为强度高的混凝土对采用后张法的T梁可提高锚固端的局部承压承载力和弹性模量,减少压缩变形。
(2)采用高标号水泥,减少水泥用量,降低水灰比;采用级配较好的骨料,加强混凝土的振捣,提高混凝土密实性,从而减少混凝土的压缩变形。
(3)在允许范围内,尽可能采用粒径较大,表面粗糙的粗骨料,从而增强混凝土与钢筋之间的粘结力,减少弹性压缩变形。
(4)增加台座的坚固性,使其受力后变形小,对减小此类损失有利。
虽然T梁弹性损失可在后张中算出并加以补偿,但是与时间相关的效应并不能被抵消,不可能用过分的超张拉钢束来考虑这类损失,因为这会使在钢筋内将有很高的初始应力,会增加钢筋的松弛损失或趋近其屈服点,混凝土初始应力较高也会增加混凝土的徐变损失,使总损失过大。
2T梁混凝土收缩产生的预应力损失
影响T梁混凝土收缩变形的因素有:
水泥用量越多,收缩应变越大,水灰比越大,收缩值越大,水泥品种中高标号的水泥收缩量较大,骨料品质中,骨料的弹性模量大,则收缩小,养护条件中,在混凝土硬化中,周围环境湿度大时,则收缩小,蒸汽养护的收缩值要比普通自然条件下养护时小,制作条件中,混凝土振捣越密实,收缩值越小,在工作环境中,构件的工作环境湿度大时,则收缩小,构件的体积与表面积之比值大时,则收缩值小。
可见T梁混凝土的收缩是与时间相对应的,同时构件所处的环境,容积表面比,相对湿度,养护方式和养护时间均以及混凝土的张拉时间均与T梁的预应力损失有关系,容积表面比是设计图纸确定的,但养护时间和养护方式可以调整,相对湿度可以根据一定的养护条件适当改变。
现场可采用覆盖洒水和喷淋养护的方法,改善养护环境中时T梁的湿度,并且严格按同条件养护试件的实验结果进行试验,同时混凝土龄期达到7天以上,才决定是否进行张拉,采用高标号水泥,减少水泥用量,降低水灰比,采用级配较好的骨料,加强混凝土的振捣,提高混凝土密实性,从而减少混凝土的收缩。
3T梁混凝土徐变产生的预应力损失
影响徐变的因素有,混凝土组成的原材料,水泥用量大,水灰比大则徐变也大,增加骨料的比例,骨料坚硬,徐变小,还有水泥品种,外加剂,构件制作方法及养护条件,配筋量多少都会对徐变有影响。
加载应力的大小,当压力小于轴压强度的一半时,徐变应变与应力呈线性关系,当持续高应力,徐变急剧增加而不收敛。
加载龄期,增加首次加载的龄期有利于减少徐变,周围环境湿度,外界相对湿度越低,水分越易外逸,徐变越大,混凝土体积与表面积的比值越大,内部湿度越接近饱和,其徐变越小。
可见容积表面比,水灰比、加载应力、混凝土预压时的龄期,相对湿度,以及混凝土的种类都将影响这一因素,其中钢筋和混凝土弹性模量之比是重要影响因素,提高混凝土弹性模量很重要,现场采用高标号水泥,减少水泥用量,降低水灰比;采用级配较好的骨料,加强混凝土的振捣,提高混凝土密实性,从而减少混凝土的收缩徐变。
在允许范围内,尽可能采用粒径较大,表面粗糙的粗骨料,从而增强混凝土与钢筋之间的粘结力,能对徐变有抵抗作用,推迟混凝土的加载时间,加强养护也能减少徐变。
4T梁预应力钢束松弛引起的预应力损失
T梁预应力钢束在持久不变的应力作用下,会产生随持续加荷时间延长而增加的变形;预应力筋在一定拉应力值下,将其长度固定不变,则预应力筋中的应力将随时间延长而降低,此现象称为预应力筋的松弛。
松弛与下列因素有关。
(1)预应力钢束持续应力越高,其应力松弛越厉害。
(2)预应力钢束松弛与时间有关,初期发展最快,以后渐趋稳定。
(3)预应力钢束松弛与温度有关,它随温度升高而增加。
现场主要采用低松弛的钢束,在张拉操作中进行超张拉或张拉锚固前时持荷2分钟的方法降低松弛。
在短时间,用超过设计应力5%~10%的应力张拉预应力筋,保持数分钟,然后降到设计应力,这样可使T梁中预应力松弛引起的应力损失减少40%~50%。
5T梁预应力钢束与孔道间壁之间的摩擦引起的预应力损失
由于钢束曲线布置,张拉曲线钢筋时,预应力钢筋和孔道壁之间的法向正应力引起摩擦阻力,其值随预应力弯曲角度之和的增加而增加,称为弯道引起的摩擦力。
预留孔道施工中发生凸凹不平,偏离设计位置,张拉钢筋时,预应力钢筋和孔道壁之间产生法向正应力引起摩阻力,称为管道偏差引起的摩擦力,其值较小,主要取决于预应力筋的长度,接触材料的摩阻系数以及孔道成型的施工质量。
摩擦力如较小,可用提高控制应力来克服,但如果摩擦力较大,提高的控制应力又受钢束的屈服点限制,不可能完全提高时,设计时就应将这部分差值扣除掉。
有时由于施工的疏忽,使后张预应力混凝土预埋波纹管孔道实测摩阻值大大超过理论计算值,实际张拉时引起预应力损失,使伸长量差别很大,对于摩擦系数的差异,应用《公路桥涵施工技术规范》附录G-9方法实测孔道摩阻的预应力损失,并通过此损失反推μθ+κι的值,按此重新计算理论伸长量,但其张拉控制力不应超过0.8倍的预应力钢筋抗拉强度标准值。
减少孔道摩擦措施有以下几点。
(1)波纹管使用前,要进行严格的质量检验。
波纹管卷制所用镀锌铁皮厚度不小于0.3mm,以防浇筑砼和振捣引起的管道变形。
(2)管道安装要加强固定措施,管道铺设中要确保管道内无杂物,临时封堵管口,严防杂物进入孔道,要保护好波纹管,严防踩踏。
(3)先将钢束进行编束,再进行穿束,减小摩擦引起的预应力损失。
(4)采用两端张拉,在张拉过程中,保持T梁两端张拉应力同步很重要。
(5)采用水溶性润滑剂的方法来减小摩擦损失。
6T梁预应力钢束和张拉机具引起的预应力损失
由于现场的钢束的截面积、弹性模量与厂家提供参数不符,会引起预应力损失。
钢束的计算长度再增加梁端油顶的长度时,仅加油顶的长不正确,因为一般油压顶开启加油阀后活塞都是在活塞伸出油压顶体外一段距离后才开始受力,且油压顶在一般状态下活塞都是伸出油压顶体外有一段距离的。
钢绞线的理论伸长量是否进行按分段精确计算等都对预应力损失有影响。
由于张拉体系和锚固体系的特殊,在张拉过程中采用液压油,由于油表和张拉油压顶之间有距离,液压油通过液压管从油压表处传入油压顶,由于油和油管之间的摩擦力,因此实际油压顶工具锚处的应力总是小于油压表处的所显示的应力值,这就产生了预应力的损失,张拉应力时应将这一因素考虑进去,特别是对于张拉顶距离张拉锚具距离远的情况下。
由于压力表读数最小分隔是1MPa,在控制应力读数时会有误差,标定油顶时用最小二乘法回归也会有些差异,操作和计算都会引起预应力损失。
对于上述情况,在计算校核采用实测预应力束的截面积和弹性模量,准确计算钢束的计算长度,压力表和油压顶标定时提高一定的精度,按精确法计算理论伸长值都能对预应力损失有减少作用。
7锚塞回缩量引起的预应力损失
此损失分两种情况,工具锚锚塞回缩量引起的预应力损失和工作锚锚塞回缩量引起的预应力损失。
工具锚锚塞回缩量引起的预应力损失如下。
由于工具锚在张拉中一直再受逐渐加大的应力,由于锚塞的位移,就会产生预应力损失,现场的量测如下,在钢束开始张拉,当油压顶张拉力,达到钢束张拉至初始拉力(设计控制拉力的10%~25%),已把预应力钢束拉紧,此时应将油压顶充分固定,精确量取从油压顶工具锚锚杯外露端面至钢束外露端头的长度b1,当油压顶张拉力,达到钢束预应力张拉设计控制拉力时,再量取从油压顶工具锚锚杯外露端面至钢束外露端头的长度b2,工具锚锚塞回缩量b=b1-b2,当预应力钢束由很多单根组成时应每根量测,取其平均值进行计算,最少不得少于三根。
此回缩即为锚塞回缩量,现场量取伸长量考虑此情况,消除由此引起的预应力损失。
工作锚锚塞回缩量引起的预应力损失如下。
后张法T梁中,当YCW型液压油压顶张拉到应力时进行钢束的锚固时,油压顶与工作锚接触处,设有一块限制工作锚夹片在张拉过程位移的限位板,在回油放松钢束的瞬时,钢束弹性收缩,工作锚夹片跟随收缩向锚环孔内位移,随即将钢束锚固,工作锚锚塞回缩位移后,将引起钢束张拉力的减小,张拉完毕卸掉油压顶后,在工作锚处测量工作锚夹片在锚杯处的外露长度C2,当预应力钢束由很多单根组成时应每根量测,取其平均值,一般至少测量三处,油压顶限位板凹槽深度已知为C1,则工作锚锚塞回缩量C=C1-C2。
工作锚锚塞回缩量除与锚具硬度等有关外,还与钢束直径有关,工作锚回缩量大小与钢束直径大小成反比,此回缩量在《公路桥涵施工技术规范》中有限制,对于钢束夹片式锚具体系容许值是6mm。
预应力刚一传递至混凝土,锚具损失便将发生,对于曲线预应力束,由于锚具和钢束回缩引起的预应力损失将由梁端向跨中逐渐由预应力钢束的反摩阻力平衡,即在距梁端的一个位置开始后,锚具和钢束回缩对钢束的预应力损失将不影响,导致钢筋混凝土和预应力钢束的应力沿梁长发生变化,T梁会相应产生剥落应力区,爆裂应力区和承压应力区,特别是爆裂应力区,混凝土处在三向受力状态,又是预应力反摩阻力的作用区,因此减小此处的损失很重要。
为减少工作锚回缩对预应力造成的损失及保证张拉力能满足设计要求,除采用顶压器代替限位板外,应按如下程序操作予以补偿。
(1)当实施两端张拉时,当两端达到设计控制张拉力时,应按一端先锚固,再将另一端补张拉力后锚固的方法操作。
(2)为保证满足设计控制张拉力要求,其修正后的设计控制张拉力PK应加上工作锚回缩对预应力损失的影响力,注意不能将此与超张拉混淆。
8预制T梁弯曲引起的预应力损失或增加
在后张T梁中,当张拉完毕后,如不压浆,而移动梁体,这时预应力筋的长度会在梁自重的作用下而发生变化,引起预应力钢束的应力沿长度变化,这种情况在梁体预应力钢束压浆后,预应力与梁形成一个整体,移梁不会发生预应力损失,施工中避免张拉完后不及时压浆而进行移梁的情况发生。
梁体张拉后,后张T梁上拱时,这会引起预应力的损失,当上拱不大时,损失较小,但上拱很大时,应考虑此损失,在后张T梁在灌浆前,构件弯曲将影响预应力钢筋内的预应力,假定力筋是一个接一个张拉并随着更多的力筋被张拉而逐渐增大反拱值,由于这种弯曲,和轴向预压引起的混凝土弹性压缩,首先张拉的力筋将损失一些预应力,一般这种损失很小,但当反拱值很大时,应在第一次张拉完后重新张拉,或在设计中考虑此曲率的变化,同时徐变也使此值增大,使钢筋、混凝土和力筋受力不均匀,在现场中,采用分批、分阶段、对称进行张拉和及时进行压浆是有效措施。
9T梁存梁时间过长引起的钢束预应力损失或增加
后张预应力T梁的存梁时间一般为60天不超过90天,存梁时间的长短主要考虑砼的收缩徐变而引起的拱度大小,严重可导致梁发生裂缝,如果存梁时间长,特别是台座变形大时,预应力梁混凝土徐变使上拱增大,同时预应力钢束的预应力沿管道将变化很大,两端不变,而中间增大或减小,同时引起梁内钢筋混凝土应力的变化不均匀,为避免这种情况,应在混凝土梁预制完后,及时架设,形成连续,避免引起预应力损失或增加。
值得说明,后张预应力T梁的预应力总损失量在总预应力的比率中,并不是一个定值,也并未成线性变化,在平均应力很低时或很高时,或混凝土所处的环境不同,损失的比率相差很大。
实际上,在后张预应力T梁中,预应力筋的拉力与预制T梁的压力组成一个自平衡系统,后张预应力T梁损失将随时改变,调整这种平衡系统。
其损失取决于很多因素,混凝土和钢材的性质,养护条件,施加预应力的大小和时间、预应力工艺等。
国际预应力混凝土协会(FIP)在1982年的《钢筋混凝土与预应力混凝土结构实用设计建议》(草案)中进一步强调:
对混凝土收缩与徐变以及钢筋松弛引起的与时间有关的损失值的估算必须考虑这些现象之间的相互影响。
因此精确的确定预应力构件内的预应力损失是一个复杂的问题,因为由于某个因素所引起的损失不停地被其他很多因素所改变着,很难确定和划分在不同的应力、环境、加载和其他因素引起的预应力损失。
现场施工人员在T梁施工中,应运用科学的方法,采用已掌握实测的实验数据进行计算,将损失减到最低,并避免一些可避免的损失。
参考文献
[1]林同炎.预应力混凝土结构设计[M].北京:
中国铁道出版社,1983,9.
[2]陶学康.后张预应力混凝土结构设计手册[M].北京:
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[3]公路桥涵施工技术规范[S].北京:
中华人民共和国交通部,2000,11.
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