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談?wù)勵(lì)A(yù)應(yīng)力混凝土梁板的拱度控制
摘要： 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)已被逐漸廣泛地應(yīng)用于工程中，而預(yù)壓力所產(chǎn)生的拱度正好可以抵消荷載作用下梁板所產(chǎn)生的撓度，顯然這對(duì)結(jié)構(gòu)是有利的。然而如果拱度過(guò)大，對(duì)于橋梁工程來(lái)說(shuō)，造成公路橋梁路面不平順，導(dǎo)致行車(chē)不順暢，產(chǎn)生負(fù)面效果。因此，如何控制好結(jié)構(gòu)的拱度也是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。文章主要從拱度的成因、結(jié)構(gòu)的材料等幾個(gè)方面來(lái)談?wù)剬?duì)結(jié)構(gòu)拱度的控制。
關(guān)鍵詞： 預(yù)應(yīng)力混凝土;拱度;撓度;預(yù)應(yīng)力損失
預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)在施工和使用過(guò)程中產(chǎn)生拱度，正確認(rèn)識(shí)梁上拱度形成的原因和影響因素及拱度過(guò)大對(duì)結(jié)構(gòu)(主要是橋梁結(jié)構(gòu))工程所造成的不利影響，從而采取一些措施在構(gòu)件制作階段設(shè)置反方向的拱度來(lái)控制梁上的拱度是很重要的一個(gè)問(wèn)題。
1、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拱度的成因
不管是先張法施工的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，還是后張法施工的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，都會(huì)向上起拱。先張法是先張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，后澆筑混凝土的施工方法，具體做法是：在臺(tái)座或鋼模上張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，待預(yù)應(yīng)力鋼筋拉伸到預(yù)定的張拉控制應(yīng)力后，將預(yù)應(yīng)力鋼筋用錨具固定在臺(tái)座或鋼模上，支模、(綁扎非預(yù)應(yīng)力鋼筋)、澆筑混凝土，當(dāng)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%以上后，切斷或放松預(yù)應(yīng)力鋼筋，預(yù)應(yīng)力鋼筋在回縮時(shí)擠壓混凝土，使混凝土獲得應(yīng)力。而后張法是指先澆筑混凝土，后張拉鋼筋的施工方法，具體做法是：先澆筑好混凝土構(gòu)件，并在構(gòu)件中預(yù)留孔道，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%以上后，將預(yù)應(yīng)力鋼筋穿入預(yù)留的預(yù)應(yīng)力孔道，利用構(gòu)件本身作為受力臺(tái)座進(jìn)行張拉，在張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋的同時(shí)，使混凝土受到預(yù)壓，張拉完成以后，在張拉端用錨具將預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固，最后在孔道內(nèi)灌漿，保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼筋，并使預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土形成一個(gè)整體共同承受荷載。(如圖1)
一般情況下，考慮梁的拱度分兩部分來(lái)研究，一部分是梁體自重以及梁上荷載產(chǎn)生的撓度，另一部分是由于預(yù)壓應(yīng)力使梁產(chǎn)生的向上的拱度，由于受拉鋼筋配置在構(gòu)件的下部，這一部分的分析可以把構(gòu)件看作是一個(gè)水平的偏心受壓構(gòu)件(見(jiàn)圖2)，從工程力學(xué)的角度來(lái)講這種壓縮變形的結(jié)果會(huì)使梁體形成一個(gè)向上的拱度，兩者相互作用的效果必然會(huì)使梁形成一個(gè)向上或者向下的拱度。
2、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拱度的利弊
結(jié)構(gòu)承受著多種形式的荷載，包括自重、附屬設(shè)施的重力、可變荷載、預(yù)應(yīng)力等，其中永久荷載是一直存在的，而可變荷載只是臨時(shí)存在，這一部分荷載產(chǎn)生的撓度大小逐漸變化，在最不利荷載作用下?lián)隙冗_(dá)到最大值，一旦這些荷載消失，撓度就將減小很多。
為了保證結(jié)構(gòu)在永久荷載和可變荷載的共同作用下，既不發(fā)生向上彎曲的變形也不發(fā)生向下彎曲的變形，這就要求在結(jié)構(gòu)制作的過(guò)程中做好預(yù)拱度的控制，預(yù)拱度的大小與荷載作用下構(gòu)件的撓度大小相當(dāng)，方向相反。
構(gòu)件上拱度過(guò)大會(huì)發(fā)生一系列的問(wèn)題：提高或者降低了結(jié)構(gòu)的標(biāo)高，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)，就需要改變墩臺(tái)頂面的標(biāo)高，從而改變了原有的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)施工不利;上拱度會(huì)改變橋面鋪裝層的厚度以及均勻性，也就是說(shuō)，跨中部分變薄梁端處變厚，造成某些部位恒荷載過(guò)大并且浪費(fèi)材料;影響構(gòu)件的預(yù)制和安裝;過(guò)大的拱度在一定程度上影響著行車(chē)的順暢性和橋梁的美觀性。當(dāng)然如果能做到上拱度正好抵消荷載作用下的撓度，也就是說(shuō)預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩抵消消壓彎矩，這樣就既提高了構(gòu)件的承載力，又解決了以上諸多問(wèn)題。
消壓彎矩M0，是使構(gòu)件控制截面受拉區(qū)邊緣混凝土的預(yù)壓應(yīng)力抵消至零的彎矩，可以取消壓彎矩M0=σpc·W0，其中，σpc為由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向預(yù)應(yīng)力，W0為換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩。
3、如何控制結(jié)構(gòu)的拱度
要控制好結(jié)構(gòu)的拱度必須從兩方面著手，一是做好對(duì)材料的控制，包括鋼筋、混凝土、灌漿材料，二是盡量減少結(jié)構(gòu)在施工和使用過(guò)程中的預(yù)應(yīng)力損失。
3.1 對(duì)鋼筋的要求預(yù)應(yīng)力鋼筋中有效預(yù)應(yīng)力的大小主要取決于預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉控制應(yīng)力的大小。但是考慮到預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中或者使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的各種預(yù)應(yīng)力的損失，要想建立較高的有效預(yù)應(yīng)力必須采用高強(qiáng)度的鋼筋。
預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的發(fā)展史也說(shuō)明了這個(gè)事實(shí)。有資料顯示，早在19世紀(jì)中后期，就在混凝土梁中建立了關(guān)于預(yù)應(yīng)力的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明，由于采用的是低強(qiáng)度的普通鋼筋，加之各種預(yù)應(yīng)力的損失以及混凝土的收縮、徐變等諸多方面的原因，預(yù)應(yīng)力隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而喪失。
高強(qiáng)度鋼筋也有它的缺點(diǎn)，一般高強(qiáng)度鋼筋的塑性較弱，而預(yù)應(yīng)力鋼筋多數(shù)情況下需要彎曲和轉(zhuǎn)折，在錨具和夾具中還要承受較高的局部應(yīng)力，要想預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足延性破壞和結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力重分布的要求，因此并不是所有的高強(qiáng)度鋼筋都可以作為預(yù)應(yīng)力鋼筋，我們必須選擇具有足夠塑性性能、能滿(mǎn)足一定的拉斷延伸率和彎折次數(shù)的高強(qiáng)度鋼筋，同時(shí)良好的焊接性能、(與混凝土之間)可靠的粘結(jié)性能等都是保證鋼筋加工質(zhì)量的重要條件。例如選用熱軋HPB235、HRB335、 HRB400、KL400鋼筋。
3.2 對(duì)混凝土的要求預(yù)應(yīng)力混凝土要求采用與高強(qiáng)度鋼筋相匹配的高強(qiáng)混凝土，這樣才能充分發(fā)揮鋼筋和混凝土的強(qiáng)度，從而有效地減小結(jié)構(gòu)自重和截面尺寸，滿(mǎn)足適應(yīng)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)大跨徑的要求。同時(shí)，混凝土的彈性模量也是隨著其強(qiáng)度的增加而增大的，這樣高強(qiáng)度的混凝土就會(huì)發(fā)生更小的彈性變形和塑性變形，這樣也可以相應(yīng)地減小預(yù)應(yīng)力的損失。此外，高強(qiáng)度混凝土也具備早期強(qiáng)度比較高的特點(diǎn)，這樣便于后張法施工中早日施加預(yù)應(yīng)力，先張法中也早日達(dá)到放張條件，從而提高構(gòu)件的生產(chǎn)效率和施工設(shè)備的利用率。
預(yù)應(yīng)力混凝土要求采用收縮、徐變都較小的混凝土，這樣一方面可以較好地控制結(jié)構(gòu)的收縮和徐變變形，另一方面也可以減小由于混凝土收縮和徐變所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失。例如預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件不應(yīng)采用低于C40的混凝土。
3.3 對(duì)灌漿材料的要求在先張法施工的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中，鋼筋和混凝土之間應(yīng)具有可靠的粘結(jié)力，以保證鋼筋的預(yù)應(yīng)力可靠地傳至混凝土，選用鋼筋時(shí)選刻痕鋼絲或以鋼絲為母材扭絞的鋼紋線即可。
而在后張法施工的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中，預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道中后灌水泥漿之間應(yīng)有一定的粘結(jié)強(qiáng)度以使預(yù)應(yīng)力鋼筋與周?chē)幕炷列纬梢粋�(gè)整體共同承受荷載，這樣同時(shí)也能防止預(yù)應(yīng)力鋼筋的銹蝕，為此，需在預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉完畢之后向孔道內(nèi)壓注水泥漿�？椎纼�(nèi)壓注的水泥漿的質(zhì)量也有較嚴(yán)格的要求，要求密實(shí)均勻、流動(dòng)性和抗凍性好、硬化快以及較高的抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度，以70mm?鄢70mm?鄢70mm立方體試塊在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28天的強(qiáng)度不低于構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)的 80%，并且不低于30MPa為宜。
3.4 減少預(yù)應(yīng)力的損失預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力大小一直在變化，在構(gòu)件的施工和使用的過(guò)程中，由于各方面的原因，預(yù)應(yīng)力鋼筋中的應(yīng)力一直在降低，這種降低就是預(yù)應(yīng)力損失。
因此，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的有效預(yù)應(yīng)力應(yīng)扣除預(yù)應(yīng)力損失的部分，即σpe=σcon-σl，預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力不能定得過(guò)高，也不能定得過(guò)低�！豆窐蛞�(guī)》規(guī)定，對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線，σcon?燮0.75fpk，對(duì)于精軋螺紋鋼筋，σcon?燮0.90fpk，其中，fpk為預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。
預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中引起預(yù)應(yīng)力損失的原因比較多，一般考慮以下幾種因素引起的預(yù)應(yīng)力損失：預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁之間的摩擦;錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮;預(yù)應(yīng)力鋼筋與臺(tái)座之間的溫差;混凝土的彈性壓縮;預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松馳;混凝土的收縮和徐變;預(yù)應(yīng)力鋼筋與錨圈口之間的摩擦;臺(tái)座的彈性變形等。
采取一定的措施來(lái)減少這些預(yù)應(yīng)力的損失是很有必要的，主要有：①采用兩端張拉，這樣構(gòu)件拱曲線的切線夾角及計(jì)算長(zhǎng)度值就會(huì)減少一半;②采用超張拉，當(dāng)控制應(yīng)力達(dá)到最大的時(shí)候，傳到跨中截面的預(yù)應(yīng)力也最大，但是張拉端回到控制應(yīng)力后，鋼筋和混凝土之間受到反向摩擦力的影響，這個(gè)回縮的應(yīng)力并沒(méi)有傳到跨中截面，而是仍然保持著比較大的應(yīng)力;③選用變形量較小的錨具并且盡可能較少地使用錨墊板，因?yàn)殄^具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮都會(huì)引起預(yù)應(yīng)力的損失;④采用分階段的養(yǎng)護(hù)措施，或者讓臺(tái)座與構(gòu)件共同受熱，這樣可以減少由鋼筋與臺(tái)座之間的溫差引起的預(yù)應(yīng)力損失;⑤為減少因混凝土收縮和徐變引起的變形，采用一般硅酸鹽水泥，控制每立方混凝土中的水泥用量及混凝土的水灰比，延長(zhǎng)混凝土的受力時(shí)間(控制混凝土的加載齡期)。
4、結(jié)束語(yǔ)
預(yù)應(yīng)力混凝土梁板的拱度直接影響著公路橋梁路面的平順性，影響著行車(chē)安全，控制好梁板的拱度也是勢(shì)在必行的舉措。當(dāng)然，影響預(yù)應(yīng)力混凝土梁板拱度的因素還有很多，例如地基不均勻沉降對(duì)拱度的影響，控制好梁板的拱度具有十分重要的意義。
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