文檔體外預(yù)應(yīng)力加固張拉控制應(yīng)力較低的原因及索力測試方法

1、聽課報(bào)告體外預(yù)應(yīng)力加固張拉控制應(yīng)力較低的原因及索力測試方法通過橋梁檢測與養(yǎng)護(hù)課程加固部分的學(xué)習(xí)，我學(xué)到了許多加固措施以及目前加固工作的重要性和技術(shù)性。通過本部分的學(xué)習(xí)，不僅掌握了一些常規(guī)的加固方法和注意事項(xiàng)，了解了更多的現(xiàn)實(shí)與理想的差距，而且看到了未來加固行業(yè)的重要作用和艱巨任務(wù)。一、體外預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的測試及應(yīng)力增量計(jì)算方法體外預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的測試具有重要的意義，通過應(yīng)力的測試可以知道力筋的應(yīng)力損失情況，并由此計(jì)算得出目前結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而檢驗(yàn)其是否滿足結(jié)構(gòu)的承載能力和正常使用極限狀態(tài)。然而對體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力測試的方法卻不是很多，因?yàn)槠鋺?yīng)力較大，且在工作狀態(tài)下檢測設(shè)備不方便工作。在剛加固

2、完時(shí)的體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力是很容易求得的，因?yàn)閺埨顣r(shí)可以通過張拉設(shè)備讀出其拉力值，進(jìn)而由應(yīng)力的定義可以方便的求出剛加固完成時(shí)的平均應(yīng)力值，再通過整體計(jì)算和局部計(jì)算檢驗(yàn)加固效果。但是，隨著時(shí)間的推移，預(yù)應(yīng)力筋中的應(yīng)力會逐漸損失，如前面第一部分討論的種種損失因素。在加固一段時(shí)間后，體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力值發(fā)生變化，要評定橋梁的應(yīng)力狀況，就需要重新測量力筋中的預(yù)應(yīng)力損失，再由測得的應(yīng)力值分別按照持久狀況承載能力極限狀態(tài)、持久狀況正常使用極限狀態(tài)、持久狀況和短暫狀況應(yīng)力進(jìn)行整體計(jì)算；以及對轉(zhuǎn)向構(gòu)造進(jìn)行承載力和抗裂性計(jì)算、錨固區(qū)的承載力和抗裂性計(jì)算、持久狀況下的其他局部構(gòu)件的承載力計(jì)算。通過凌老師課堂上的

3、講解，問題的提出以及恰到好處的引導(dǎo)，學(xué)生我結(jié)合本科力學(xué)的知識以及橋梁方面的知識，從理論的角度構(gòu)思出以下的檢測體外索的預(yù)應(yīng)力的方法。1.靜力平衡思想如圖1所示的狀況，體外預(yù)應(yīng)力筋束在梁底平行穿過，假設(shè)不考慮多束預(yù)應(yīng)力筋之間的定位裝置，即各力筋在兩端轉(zhuǎn)向塊之間被繃緊且沒有什么限制，力筋此時(shí)被拉直。 圖 1 多束力筋在梁底平行穿過由于加固中體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力并不像新橋初建時(shí)的應(yīng)力，其應(yīng)力值一般不大，故可采用一定措施使其產(chǎn)生微小彎折。然后根據(jù)彎折處的靜力平衡，容易得到力筋中的總的軸力值，進(jìn)而換算出應(yīng)力值。2.滑輪配重裝置測軸力在滑輪配重裝置的作用下，繃緊的預(yù)應(yīng)力筋由于集中力的作用產(chǎn)生一定的下?lián)?，如圖2

4、所示。假設(shè)配重裝置總的重量為G，由于滑輪的滾動摩阻較小，因此滑輪可以隨著預(yù)應(yīng)力筋的變形而滾動至最低點(diǎn)的位置，經(jīng)過簡單的力學(xué)常識和理論計(jì)算推導(dǎo)可知，配重裝置恰作用在梁的跨中對應(yīng)位置。此時(shí)設(shè)此根力筋在中間的彎折角度為，左右兩邊的力筋中的軸力分別為，顯然的作用方向均沿著各自力筋的方向，而配重裝置的力的作用方向恰好豎直朝下，如圖3所示。據(jù)此可知，此時(shí)的結(jié)構(gòu)受力呈對稱結(jié)構(gòu)，故兩邊的力筋的相對于水平線的偏折角度均為相對偏折角度的一半，即。對圖3中的滑輪作用點(diǎn)進(jìn)行靜力學(xué)平衡分析，可得如下水平方向和豎直方向的力的平衡方程 由第一個方程可知左右兩邊的軸力相同。其實(shí)此處的軸力相同可以由下述結(jié)論直接得到：在不考慮轉(zhuǎn)

5、向部位的摩阻損失時(shí)，同一根繩索上的張拉力是相同的，本問題中由于配重裝置用的是滑輪裝置，其摩阻很小，故相比較而言，對兩邊張拉力影響不大。這樣由第一個方程得到的代入第二個方程，可得到。在這個表達(dá)式中，G是配重的重量，可以很容易測得；值相對比較難測，現(xiàn)提供兩種理論上的思路可供參考。其一，用一根細(xì)線從左側(cè)的轉(zhuǎn)向塊與力筋接觸點(diǎn)連到右端轉(zhuǎn)向塊與力筋接觸點(diǎn)，繃緊，測其長度，然后分別測出兩邊力筋從轉(zhuǎn)向塊接觸點(diǎn)到配重裝置作用點(diǎn)處的距離（若利用對稱性，可只測量其中一側(cè)的長度即可），最后，在根據(jù)長度實(shí)測值做一定的比例縮放，得到一個三角形，進(jìn)而很容易求得其轉(zhuǎn)角值。第二種思路是直接在兩邊的力筋上設(shè)置與力筋的橫斷面平行的

6、反射鏡作為測量放大裝置，當(dāng)兩邊力筋發(fā)生轉(zhuǎn)動時(shí)，微小的角度轉(zhuǎn)動可以通過反射鏡的同步轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為很大長度位移，進(jìn)而換算出微小的角度轉(zhuǎn)動。這樣，兩側(cè)的力筋中的張拉力，即軸力就可以通過簡單的配重裝置測量換算得出。 圖 2 力筋彎曲示意圖 圖 3 受力分析圖此方法是通過純粹的力學(xué)理論知識推導(dǎo)得來，未經(jīng)過試驗(yàn)的驗(yàn)證，現(xiàn)對此方法的可行性和可能產(chǎn)生的問題作如下論述?？尚行裕阂粋€好的測試方法不僅力求簡單經(jīng)濟(jì)，簡單易行，而且要求對被測結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生較大的影響。就此方法而言，添加配重，勢必會對力筋中的應(yīng)力產(chǎn)生增大作用，現(xiàn)分析其增大效果。假設(shè)兩轉(zhuǎn)向塊間距離不變，衡為L，則加配重后跨中段力筋的伸長量為，應(yīng)力增加量為。當(dāng)，即時(shí)

7、，函數(shù)的圖像如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)配重引起的相對折角在時(shí)，其應(yīng)力增量尚不能超過，對原來力筋中的預(yù)應(yīng)力影響甚微。而此時(shí)，若假設(shè)兩轉(zhuǎn)向塊距離為20米，則可算得配重位置的力筋下?lián)蠟?，此量值很容易由儀器測定，而且是相對比較顯著地變形。再來觀察所需配重的重量需要值，根據(jù)以往的加固經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，力筋的張拉力（單根）設(shè)為300噸，時(shí)，尚在試驗(yàn)條件許可的范圍。 圖 4 函數(shù)在即時(shí)的圖像由以上的分析可知：此方法加載時(shí)，鑒于產(chǎn)生的偏折角很小，所以引起的力筋的應(yīng)力增量也非常微小，另一方面，如果角度較大，可以通過減小配重重量以及提高角度測量的靈敏度而得以減小角度，進(jìn)而減小對原結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)的影響。 可能產(chǎn)生

8、的問題經(jīng)過初步分析，可知滑輪配重法是可行的，但可能面臨如下的問題：1） 滑輪的測量時(shí)由于滾動摩阻的作用，可能不會恰好處在跨中，盡管能認(rèn)為的將其放在跨中，不能保證其不受摩擦力的作用，進(jìn)而導(dǎo)致兩邊的力筋軸力不同。此問題可通過減小滑輪摩阻和在預(yù)應(yīng)力筋的表面涂潤滑油或者打蠟的方法減小摩擦的影響。2） 加載時(shí)，為了保持不對結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋中的應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響，建議參用緩慢靜態(tài)加載，控制加載的動荷系數(shù)，但長時(shí)間的讓力筋高于工作應(yīng)力，可能引起力筋額外的徐變，導(dǎo)致測試過后力筋因?yàn)樾熳兌箲?yīng)力減小，對原結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)產(chǎn)生不利影響。3） 加載時(shí)一定要封閉交通，不可使預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生振動，否則配重也會由于力筋的振動而振動

9、，導(dǎo)致測量誤差較大。4） 此方法只是理論上的推測，而且作了一定的假設(shè)，考慮的是中跨沒有定位裝置的預(yù)應(yīng)力筋，不符合實(shí)際，其造成的誤差尚需進(jìn)一步的定量分析。3. 水平拉桿實(shí)時(shí)監(jiān)測力筋預(yù)應(yīng)力結(jié)合上部分討論的滑輪配重測預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的方法，學(xué)生現(xiàn)提出以下改進(jìn)，不僅可以避免增加如此笨拙的配重的危險(xiǎn)工作，而且可以通過一定的測力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測出力筋的應(yīng)力值，另外，還可以同時(shí)測量多跟力筋中相鄰兩根的應(yīng)力，一箭多雕。其實(shí)，本方法的原理和第二種方法的原理是相同的，只是利用了一個拉桿拉近相鄰兩根力筋，讓彼此的軸力成為對方的配重，如圖5所示。 圖 5 拉桿實(shí)時(shí)監(jiān)測力筋應(yīng)力 在這種方法中用到的中間的拉桿，在中間部分設(shè)置成

10、螺紋形式，通過旋擰中間部分而使拉桿變長或者縮短。此拉桿上可以設(shè)置一個測力傳感器，以實(shí)時(shí)測量拉桿中的軸力，進(jìn)而可以將此軸力分別作為其聯(lián)接的兩根力筋的配重，然后再根據(jù)第二部分講到的方法，通過建立靜力平衡方程求解出各力筋中的軸力，進(jìn)而換算出各力筋的應(yīng)力值，而這整個過程都可以通過拉桿中的測力傳感器實(shí)時(shí)獲得。另外，考慮到體外預(yù)應(yīng)力張拉方法中有通過拉近相鄰兩根力筋的張拉方法，當(dāng)張拉力筋或者力筋松弛需再張拉時(shí)，都可通過拉桿中的螺紋構(gòu)造自由調(diào)整，做到張拉和實(shí)測兩不誤。另外，如果此方法現(xiàn)實(shí)操作中如果不能保證拉桿與力筋間摩擦小到可以忽略，可以在拉桿與力筋的聯(lián)接部位利用滑輪結(jié)構(gòu)或者該拉桿為撐桿，用滑動支座的形式進(jìn)行

11、傳力。4.當(dāng)前體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量計(jì)算及測試方法。目前被提出的用于計(jì)算預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量的測試和計(jì)算方法有：基于能量法的計(jì)算研究，基于撓度的預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量的算法?，F(xiàn)作簡要介紹。1） 基于能量法的體外預(yù)應(yīng)力梁力筋應(yīng)力增量研究對于能量封閉的結(jié)構(gòu)體系, 能量守恒表現(xiàn)為外力功等于結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能。根據(jù)此方法的特點(diǎn)，在推導(dǎo)過程中一般作如下假定：考慮體外力筋的作用, 使得混凝土梁體處于彈性工作范圍；在彈性工作狀態(tài)下,力筋相對梁體位置變化引起的二次效應(yīng)可以忽略；忽略梁體剪切變形的影響；不計(jì)體外力筋受沿程摩擦的影響，在轉(zhuǎn)向塊處可以自由滑動,故體外力筋的內(nèi)力處處相等。根據(jù)目前國內(nèi)學(xué)者的近期研究表明，從基本假定出發(fā)

12、，利用能量法推導(dǎo)得出的使用荷載下體外預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁力筋應(yīng)力增量的解析式，這些公式概括因素全面,物理概念明確，適用于不同的布筋形式以及荷載形式。并且該方法可推廣應(yīng)用到體外預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁的情況。另外，利用能量法推導(dǎo)體外力筋應(yīng)力增量的方法，在思路上不同于美國學(xué)者Naaman的粘結(jié)折減系數(shù)法，但這兩種方法得到的結(jié)果是一致的?？傊?，能量法來測量預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量不失為一種行之有效的方法。2） 基于撓度的體外預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量的研究近期國內(nèi)學(xué)者通過研究體外預(yù)應(yīng)力預(yù)應(yīng)力梁力筋變形與跨中撓度的關(guān)系，提出了一種基于撓度的預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量計(jì)算的新方法.。此方法的基本思路是，首先建立體外預(yù)應(yīng)力梁的變形相容方程，推導(dǎo)

13、出用跨中撓度表達(dá)的力筋應(yīng)力增量計(jì)算公式，然后推導(dǎo)適用于體內(nèi)外預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量的統(tǒng)一計(jì)算公式，此統(tǒng)一計(jì)算公式能夠計(jì)算正常使用和承載能力極限狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，表明該方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)實(shí)測值吻合良好，而且公式形式簡單，能夠很好的反映結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理?；诮Y(jié)構(gòu)撓度的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋增量的計(jì)算公式，將無粘結(jié)和體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力計(jì)算方法進(jìn)行了統(tǒng)一，摒棄了傳統(tǒng)的基于某一指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)方法，使應(yīng)力計(jì)算從大量的數(shù)據(jù)回歸過渡到結(jié)構(gòu)受力機(jī)理分析，與不同的試驗(yàn)結(jié)果對比都具有相當(dāng)?shù)木?。對于曲線或折線布筋的梁，基于結(jié)構(gòu)撓度體外預(yù)應(yīng)力筋增量的計(jì)算公式也可近似采用。3） 其他國內(nèi)外學(xué)者對體外預(yù)應(yīng)力筋增量

14、的研究 在體外預(yù)應(yīng)力筋結(jié)構(gòu)中，由于預(yù)應(yīng)力筋與周圍結(jié)構(gòu)體存在相對移動，平截面假定不再成立，力筋應(yīng)力增量不取決于截面上的應(yīng)變，而是取決于整個結(jié)構(gòu)變形。在承載能力極限狀態(tài)下，力筋達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，其值到底有多大，受哪些因素影響，是人們最為關(guān)心的問題。國內(nèi)外進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值計(jì)算來確定體外或體內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的極限應(yīng)力。美國密歇根大學(xué)教授提出了計(jì)算無黏結(jié)筋應(yīng)力增量的黏性折減系數(shù)法，該方法假定無黏結(jié)筋應(yīng)變增量為力筋沿線混凝土應(yīng)變增量的平均值，利用黏結(jié)折減系數(shù)對最大彎矩截面力筋處混凝土的應(yīng)變增量進(jìn)行修正，從而得到力筋 的應(yīng)變增量，據(jù)此推算應(yīng)力增量，但極限狀態(tài)下的黏結(jié)折減系數(shù)由試驗(yàn)擬合得到，缺

15、乏一貫的理論性。加拿大學(xué)者Balaguru對梁體曲率進(jìn)行積分，得到無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量后，通過回歸分析，建立無黏結(jié)筋應(yīng)變增量與梁體跨中撓度和力筋跨中偏心距之間的關(guān)系。清華大學(xué)杜進(jìn)生等在分析試驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，提出了基于結(jié)構(gòu)變形的應(yīng)力增量分析方法，可以計(jì)算正常使用狀態(tài)和極限狀態(tài)體內(nèi)無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量，該方法建立了力筋增量與梁體跨中撓度關(guān)系，能夠較好地反映結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理，但推導(dǎo)中假定梁的變形形狀為折線，有較大的近似性。東南大學(xué)王景全等在此基礎(chǔ)上以圓弧線代替折線,，提高了計(jì)算精度。二、體外預(yù)應(yīng)力加固張拉控制應(yīng)力較低的原因分析1.體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失比體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋小很多，體外預(yù)應(yīng)力筋在正

16、常使用極限狀態(tài)下不宜長期處于高應(yīng)力狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力損失是指預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件由于施工因素、材料性能和環(huán)境條件等的影響，鋼筋中的預(yù)拉應(yīng)力逐漸減小，這種減少的預(yù)應(yīng)力就是預(yù)應(yīng)力損失。由于用體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行橋梁加固時(shí)，其預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)造形式及施工方法與常規(guī)的體內(nèi)有粘結(jié)或無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋有較大差別，因此，其預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算方法與常規(guī)的體內(nèi)有粘結(jié)或無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋損失也有很大差別。體外預(yù)應(yīng)力加固中的預(yù)應(yīng)力損失一般以水平鋼筋為主，參照現(xiàn)行橋梁規(guī)范，應(yīng)考慮以下諸多因素：1） 預(yù)應(yīng)力鋼筋與滑塊之間的摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失 當(dāng)在梁底張拉水平筋時(shí)，斜筋和水平筋通過滑塊相連，由于張拉力的讀值是在滑塊和墊板發(fā)生相對滑動之后讀取的

17、，且滑塊上錨固孔道的長度很短，因此認(rèn)為這時(shí)摩阻力引起的預(yù)應(yīng)力損失為0。當(dāng)在粱頂張拉斜筋時(shí)，斜筋和水平筋既可以通過滑塊相連，又可以采用一根折線形鋼筋、鋼絞線或鋼絲繩，其損失可通過簡單的力學(xué)計(jì)算得到。2） 錨具變形引起的預(yù)應(yīng)力損失 由錨具變形引起的預(yù)應(yīng)力損失可按公橋規(guī)中的公式計(jì)算。3） 溫差引起的預(yù)應(yīng)力損失 由于體外預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土的線膨脹系數(shù)相差較小，且春、夏季施工時(shí)與年最高溫度的溫差較小，因而該項(xiàng)損失的計(jì)算結(jié)果也較小。4） 分批張拉引起的混凝土彈性壓縮損失 當(dāng)一跨橋梁由多片梁組成時(shí)，由于張拉設(shè)備的限制，不可能對所有的梁同時(shí)進(jìn)行張拉。因此，由于后張拉的梁的影響必然引起先張拉梁的彈性壓縮，即產(chǎn)生

18、分批張拉損失。但上述分批張拉損失可以通過一定的施工工藝加以調(diào)整，經(jīng)過超張拉或重復(fù)張拉工藝，可以認(rèn)為分批張拉損失近似為零，且可以認(rèn)為張拉后各梁的體外索拉力均能達(dá)到設(shè)計(jì)值。5） 鋼筋松弛引起的損失 體外預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后將發(fā)生松弛損失。該項(xiàng)損失可按公橋規(guī) (JTJ023-85) 第條進(jìn)行計(jì)算。6） 混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失因舊橋混凝土的收縮在長期使用過程中已基本完成。在長期恒載作用下的混凝土徐變也基本完成。體外預(yù)應(yīng)力加固體系并不會使橋梁恒載增加許多，且使原梁受壓區(qū)的應(yīng)力明顯減小。因此，混凝土徐變也基本停止。即可近似取混凝土收縮、徐變損失為0。計(jì)算結(jié)果表明，與一般的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)相比，體外預(yù)應(yīng)力加固體系的預(yù)應(yīng)力損失要小得多。針對這一特點(diǎn)，建議適當(dāng)降低預(yù)應(yīng)力鋼筋的控制應(yīng)力，以避免體外預(yù)應(yīng)力筋長期處于高應(yīng)力狀態(tài)下工作，這對改善體外預(yù)應(yīng)力加固體系的受力狀態(tài)是有利的。為此，用于體外索加固結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力建議比公路橋規(guī)(JTJ023-85) 中規(guī)定的限值降低5%10%。2.力筋長期工作狀態(tài)下的應(yīng)力較低，對結(jié)構(gòu)的可靠性有利體外加固中的預(yù)應(yīng)力筋長