先張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁反拱計算

　　摘 要：對先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁反拱計算進行了較細(xì)致的討論，推導(dǎo)了計算反拱的較為精確的計算公式，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了方便實際工程運用的簡便公式。

　　關(guān)鍵詞：先張 預(yù)應(yīng)力 徐變 撓度

　　作者：陳大慶 張洪俊

　　近年來，先張法預(yù)應(yīng)力混凝土(空心)板梁在橋梁建設(shè)中，特別是一些高等級公路中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，已開通的寧連一級公路淮陰段二期工程中，有80％以上單跨大于16m跨徑的中小橋采用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁。這種梁的主要優(yōu)點是跨越能力較大，施工方便，可大批量工廠化集中預(yù)制，因此具有廣泛的推廣價值。

　　但是，先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁在預(yù)應(yīng)力筋及混凝土收縮徐變等因素的影響下，不可避免地要產(chǎn)生向上的撓度即反拱。由于采用先張法的施工工藝，這種反拱很難采用預(yù)設(shè)反向撓度的方法加以解決。過大的反拱值將影響梁的使用剛度，導(dǎo)致調(diào)整行車?yán)щy，加大車輛的沖擊作用，引起橋梁的劇烈振動。同時由于反拱的存在，可能使橋面鋪裝層厚度不均，若設(shè)計時忽略反拱的因素，則可能導(dǎo)致橋面鋪裝層厚度不夠。因此，對反拱的計算就顯得十分重要，用計算的反拱值來控制設(shè)計和施工顯然具有很大的意義。

　　介紹先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁反拱計算的文獻(xiàn)已有，但是往往考慮的因素不夠，所用計算公式精度較差，其結(jié)果較難精確地反映實際情況。本文對此作了較細(xì)致的討論，推導(dǎo)了計算先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁反拱值的較精確的計算公式，同時為了方便實際工程的需要，在此基礎(chǔ)上又推導(dǎo)了具有一定精度的簡化計算公式。

　　1 計算內(nèi)容

　　本文針對先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁，計算其反拱組成有：

　　(1)結(jié)構(gòu)恒載自重作用下的找度；

　　(2)釋放預(yù)應(yīng)力筋時即梁在預(yù)應(yīng)力筋初始張拉力作用下產(chǎn)生的短期撓度；

　　(3)釋放力筋至?xí)r刻t時由于力筋松馳、收縮和徐變等因素引起的預(yù)應(yīng)力損失所導(dǎo)致的撓度改變；

　　(4)在持續(xù)預(yù)應(yīng)力作用下由于混凝土徐變所產(chǎn)生的撓度改變。

　　2 基本假定

　　在撓度計算過程中，我們作了如下假定：

　　(1)預(yù)應(yīng)力看作是作用在梁上并隨時間而變化的外荷載。忽略梁內(nèi)鋼筋對混凝土梁材料的不均勻影響因素，將梁視為勻質(zhì)材料構(gòu)成：

　　(2)梁從力筋放松到使用不開裂，計算梁抗彎剛度時，采用全珙面的換算慣性矩I0；

　　(3)混凝土彈模Eh是隨著時間增加而變化(增加)的，因此，梁的抗彎剛度是不斷變化的?？紤]到梁在初期彈模較小，同時，由于梁反拱的擴展，將降低梁的抗彎剛度，故為方便計，在整個撓度計算過程中采用不變的抗彎剛度即0.85EhI0

　　(4)在計算預(yù)應(yīng)力筋由于混凝土徐變而產(chǎn)生的撓度變化時，徐變作用看作是在恒定的預(yù)應(yīng)力作用下發(fā)生的，該力等于初始張拉力與計算反拱終值時張拉力的平均值；

　　(5)計算預(yù)應(yīng)力筋彎矩Mp引起的撓度f時，梁在任意時刻Mp-f曲線為線性關(guān)系。

　　3 基本公式推導(dǎo)

　　梁跨中在放松力筋(混凝土齡期τ)到任意時刻t(混凝土齡期t)時撓度ft可表示為：

　　ft=fg+△fg-fyp+△fy1-△fy2 (1)

　　式中：ft--梁在自重作用下產(chǎn)生的撓度(向下)；

　　fg--迄至?xí)r刻t時在梁自重作用下由于混凝土徐變產(chǎn)生的撓度改變(向下)；

　　△fg--梁在初始張拉力yp作用下產(chǎn)生的短期撓度(向上)；

　　△fy1--迄至?xí)r刻t由于松馳、收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失所產(chǎn)生的撓度改變(向下)；

　　△fy2--迄至?xí)r刻t在持續(xù)壓力下由于混凝土徐變產(chǎn)生的撓度改變(向上)。[Page]

　　若時刻t預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力損失發(fā)生后的有效拉力為Pye，則根據(jù)假定e有：

　　△fy1=fyp-fye

　　式中fye為Pye產(chǎn)生的撓度，代入式(1)有：

　　ft=fg+△fg-fye-△fy2 (2)

　　式(2)即為計算撓度的基本公式。

　　4 撓度計算

　　4.1梁在自重作用下的撓度fg計算

　　梁在自重作用下產(chǎn)生撓度fg及時刻t在梁自重作用下由于混凝土徐變產(chǎn)生撓度△fg計算，對于跨長簡支梁，其自重作用下的跨中撓度為：

　　fg=5gl4/384EI

　　式中：

　　g--自重集度；

　　l--跨長；

　　EI--計算抗彎剛度，取EI=0.85EhI0，Eh為混凝土彈模，I0為換算截面慣性距。

　　時刻t在梁自重作用下由于混凝土徐變產(chǎn)生的撓度為：

　　△fg=fg· (t，τ)

　　式中： (t，τ)--加載齡期等于τ至齡期t時的徐變系數(shù)。

　　故有：fg+△fg=fg·［1+ (t，τ)］

　　4.2 梁在預(yù)應(yīng)力筋彎矩作用下的撓度fy計算

　　為了避免先張法梁產(chǎn)生過大反拱，梁內(nèi)有的預(yù)應(yīng)力筋在梁端部附近套有塑料套管，故梁內(nèi)的力筋有效工作長度不一。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ023-85)(以下簡稱《公橋規(guī)》)第5.2.20條，預(yù)應(yīng)力筋即在力筋有效長度端部為零，在傳遞長度末端預(yù)應(yīng)力值達(dá)到σy(見圖1)。

　　由圖2，根據(jù)虛功原理，梁在預(yù)應(yīng)力Py作用下引起的跨中撓度為：

　　式中：ey--力筋重心至換算截面重心的距離，EI=0.85EhI0。

　　4.3 時刻t考慮松馳、收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失后的有效拉力Pye的計算

　　預(yù)應(yīng)力損失內(nèi)容中，力筋與臺座間的溫差引起的應(yīng)力損失僅當(dāng)構(gòu)件采用蒸汽或其它方法加熱養(yǎng)護砼時才予以計算，一般可不考慮。這里考慮如下三項應(yīng)力損失。

　　4.3.1 力筋松馳引起的應(yīng)力損失σ1

　　現(xiàn)在先張法預(yù)應(yīng)力砼梁多采用低松馳的鋼絞線作為預(yù)慶力筋，松馳率約為3.5％，本文取σ1=0.035σk，σk為張拉力筋時控制應(yīng)力。

　　先張法構(gòu)件在預(yù)加慶力階段中，考慮其持荷時間較短，一般按松馳損失終值的一半計算，其余一半則認(rèn)為在隨后的使用階段中完成。

　　4.3.2 砼彈性壓縮引起的應(yīng)力損失σ2計算

　　放松力筋時，砼產(chǎn)生的全部彈性壓縮量引起力筋的預(yù)應(yīng)力損失為(按一次放松力筋考慮)：

　　σ2=εyEy=εh·Ey=σh·Ey/Eh=ny·δh

　　式中：

　　ny--力筋與混凝土彈模之比；

　　σh--計算截面(跨中)的力筋重心處，由預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土應(yīng)力，按下式計算：

　　式中：

　　Ny0--混凝土應(yīng)力為零時的預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)加力，取Ny0=Ay(σk-1/2σ1)；

　　A0--構(gòu)件換算截面積；

　　Ay--力筋截面積；[Page]

　　4.3.3混凝土收縮、徐變引起的應(yīng)力損失σ3計算

　　由砼收縮徐變引起的應(yīng)力損失，應(yīng)考慮非預(yù)應(yīng)力筋的影響，詳細(xì)可參閱《公橋規(guī)》附錄九。

　　確定預(yù)應(yīng)力筋上述三項預(yù)應(yīng)力損失后，可求得時刻t考慮預(yù)應(yīng)力損失后的有效拉力為：

　　Pye=Ay(σk-1/2σ1-σ2-σ3)

　　4.4 時刻t在持續(xù)壓力下由于混凝土徐變產(chǎn)生的撓度△fy2計算

　　根據(jù)假定d有：

　　將上述各項計算結(jié)果代入式(2)即可得到t時刻梁跨中撓度計算式為：

　?。?）

　　公式中fyp、fye根據(jù)式(3)計算。

　　需要指明的是，由于梁內(nèi)力筋長度不同，故應(yīng)先將不同長度的力筋進行編號，逐號計算，最后疊加得到總撓度值。

　　4.5 混凝土徐變系數(shù)φ(t，τ)的取值

　　混凝土徐變系數(shù)φ(t，τ)可參閱《公橋規(guī)》附錄四計算，但其計算公式稍復(fù)雜，且要查閱許多圖表為了適應(yīng)編程的需要，這里推薦采用應(yīng)用于老化理論的狄辛格方法求解。

　　狄辛格計算混凝土徐變系數(shù)的函數(shù)式為：

　?。?）

　　式中：

　　φkt--加載齡期τ時的混凝土徐變終極值。對于先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁可取φkt=3.0。

　　β--徐變增長速度系數(shù)，一般可取

　　0.006，精確計算按表1選取。

　　徐變增長速度系數(shù)β值表 表1

　　持荷時間(d) 7 14 28 56 90 120 180 1年 2年

　　β 0.015 0.012 0.020 0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003

　　注：持荷時間指自建立預(yù)應(yīng)力開始至計時時止的時間間隔。

　　5 簡化公式推導(dǎo)

　　基本計算公式仍為公式2，式中經(jīng)一、二項計算同前。

　　5.1 計算公式2第三項fye

　　力筋按平均工作長度計算，My圖在lc段簡化為直線，力筋有效工作長度取ly+lc，則

　?。?）

　　對于先張法預(yù)應(yīng)力砼空心梁，本文將力筋有效應(yīng)力σy看成是σk乘以一折減系數(shù)k而得，即σy=kσk，k取0.65～0.8(存梁時間越長，取值越小)，則上式中Pye=kAyσk。

　　5.2 計算公式2第四項△fy2

　　根據(jù)假定e有：

　　將上述計算代入式2得簡化計算公式：（7）

　　式中fye根據(jù)式6計算。

　　6 計算實例

　　某20m先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，設(shè)計荷載：汽-超20級，掛-120級。板梁預(yù)制長l=19.96m，40?；炷?，Eh=3.3×104MPa，截面A0=0.425m2，I0=0.0342m4。鋼絞線規(guī)格j15.24(270級)，Ey=1.95×105MPa，σk=1339.2MPa，ey=0.38m，力筋放松時刻混凝土齡期τ=10d，各力筋根數(shù)及有效工作長度ly見表2。求板梁存放期，混凝土齡為t=90d時的反拱值。

　　預(yù)應(yīng)力筋工作參數(shù)及fy計算表 表2

　　編號 根數(shù) ly(m) lc(m) Ay(mm2) Py(kN) Pye(kN) fye(cm) fyp(cm)

　　1 4 19.96 0.00 1.0 601.2 750 577.0 -1.18 -1.47

　　2 2 16.80 1.58 1.0 300.6 375 288.5 -0.56 -0.70

　　3 2 15.20 2.20 1.0 300.6 375 288.5 -0.55 -0.69

　　4 2 13.20 3.38 1.0 300.6 .75 288.5 -0.50 -0.62

　　5 2 11.00 4.48 1.0 300.6 275 288.5 -0.45 -0.56

　　6 2 7.80 6.08 1.0 300.6 375 288.5 -0.33 -0.42

　　合計 14 　 　 　 　 　 　 -3.57 -4.46

　　解一：用精確公式4計算

　　(1)計算恒載自重產(chǎn)生撓度fg

　　恒載集度g=10.62kN/m，

　　(2)徐變系數(shù)φ(t，τ)的計算

　　根據(jù)公式5，將φkt=3.0，β=0.007，t=90，τ=10代入得φ(t，τ)=1.31[Page]

　　(3)計算預(yù)應(yīng)力損失及有效張拉力

　　損失一：σ1=0.035σk=46.87MPa

　　跨中：Ny0=Ay(σk-1/2σ1)=2579kN

　　故損失二：σ2=ny·σh=5.9×16.96=100.1MPa

　　根據(jù)《公橋規(guī)》附錄九計算損失三：

　　σ3=［ny·σh·φ(t，τ)+Ey·ε(t，τ)］/(1+10μ·ρA)

　　式中各符號意義見規(guī)范。這里，ny=5.9，σh=16.96MPa，μ=0.46％，ρA=1+e0 2(I 0/A 0)=2.794，φ(t，τ)=1.31，ε(t，τ)=0.00015。

　　各參數(shù)代入計算得σ 3=142.1MPa

　　每根力筋的跨中有效應(yīng)力視為相同，則其有效張拉力為

　　Pye=Ay(σk-1/2σ1-σ2-σ3)=150.3kN

　　(4)計算梁跨中初始張拉力Pyp及時刻有效t時刻有效拉力Pye張拉力產(chǎn)生的撓度由公式3計算，結(jié)果見表2。

　　(5)計算時刻t在梁自重及預(yù)應(yīng)力作用下由于混凝土徐變產(chǎn)生的撓度△fg及△fy2

　　(6)計算時刻t梁跨中最終反拱值

　　ft=fg+△fg-fye-fy2=2.3+3.01-3.57-5.26=-3.52cm(↑)

　　解二：用簡化公式7計算

　　(1)fg·［1+φ(t，τ)］=2.3×(1+1.3)=5.31cm(↓)

　　(2)Pye=kAyσ k=0.7×14×140×1339.2×10-3＝1837.3kN

　　力筋平均有效工作長度ly= nly/14+lc=15.85m

　　(3)最終撓度

　　7 結(jié)束語

　　本文介紹的稱張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁反拱計算公式，計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，公式中沒有需查表計算的參數(shù)，故可方便地編程計算。提供的簡化公式僅供參考，正式設(shè)計應(yīng)以精確公式計算。由于混凝土徐變系數(shù)對反拱影響較大，故為了提高計算精度，對混凝土徐變系數(shù)建議仍采用《公橋規(guī)》中的公式計算。但一般情況下，文中提供的計算公式精度已足以滿足實際工程需要。