張拉控制力的大小對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響

1、淺談張拉控制力在預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中的作用張文學(xué)一、概述1995年筆者設(shè)計(jì)的綦江城北大橋跨鐵路引橋，上部結(jié)構(gòu)采用交 通部（部頒）標(biāo)準(zhǔn)圖：裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，設(shè)計(jì)張拉控制力: 0.75Rb。施工單位在張拉完成一片梁后發(fā)現(xiàn)，在空心板端的頂板中部、 底板中部均出現(xiàn)縱向貫通裂縫，裂縫長(zhǎng)1m左右（見下圖）。圖中，頂板及底板厚度均為12cm，空心板腹板厚度d為18cm， 空心板高0.8m，板寬1.0m。出現(xiàn)這一情況后，施工單位立即聘請(qǐng)了 西南交大專家對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行分析論證。參會(huì)專家認(rèn)為：該空心板頂板 及底板中部拉應(yīng)力過大，拉應(yīng)力產(chǎn)生的原因是在張拉后，錨下局部壓 力過大引起板端變形，導(dǎo)致端部混凝土受拉。上圖示空

2、心板的頂板和底板較薄，板寬大于板高，頂板和底板為 薄弱處，尤其跨中距離錨頭較遠(yuǎn)，拉應(yīng)力最大，因此裂縫產(chǎn)生在頂板 和底板中部。隨著位置的變化，越遠(yuǎn)離端部，端部集中力逐漸向遠(yuǎn)端 分散，超過一定距離后，空心板內(nèi)部將全部處于受壓狀態(tài)，這個(gè)改變 過程決定了裂縫的長(zhǎng)度。由于混凝土的剛性角為45，因此裂縫的長(zhǎng)度與板寬基本一致（見下圖示）。p P專家建議將實(shí)際施工張拉力進(jìn)行調(diào)整，按照0.65Rb進(jìn)行控制施 工。施工單位按照專家意見進(jìn)行了修正，其余空心板梁張拉后沒有再 出現(xiàn)類似現(xiàn)象。對(duì)于預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，按照其設(shè)計(jì)功能，在構(gòu)件的不同部位，所施加 的預(yù)應(yīng)力的作用也不相同。正確理解預(yù)應(yīng)力在構(gòu)件中的作用，在施工 實(shí)際中才能

3、準(zhǔn)確地確定張拉力的大小。下面我從預(yù)應(yīng)力混凝土產(chǎn)生的 背景及特點(diǎn)、混凝土受彎構(gòu)件正截面承載力、混凝土受彎構(gòu)件斜截面 承載力、張拉控制力的確定原則幾個(gè)方面闡述張拉控制力在預(yù)應(yīng)力混 凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用，不當(dāng)之處請(qǐng)予指正。二、預(yù)應(yīng)力混凝土產(chǎn)生的背景及特點(diǎn)1、混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展概況及工程應(yīng)用混凝土結(jié)構(gòu)開始應(yīng)用于土木工程已經(jīng)有150多年的歷史，目前混 凝土結(jié)構(gòu)已廣泛用于民用建筑、工業(yè)建筑、城市建設(shè)、交通工程、國(guó) 防工程等，幾乎所有的基礎(chǔ)建設(shè)都會(huì)用到混凝土結(jié)構(gòu)?；炷劣凶陨淼膬?yōu)點(diǎn)，也有其局限性?；炷恋目箟盒阅苓h(yuǎn)大于 抗拉性能，抗拉強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的1/181/8。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在 開裂時(shí)，鋼筋的拉應(yīng)力通常只有

4、其屈服強(qiáng)度的1/10,當(dāng)鋼筋應(yīng)力超過 此值時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生開裂。因此，在正常使用階段，普通鋼筋 混凝土結(jié)構(gòu)是帶裂縫工作的，截面開裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度降低，變形增大， 結(jié)構(gòu)耐久性降低。要充分利用鋼筋的抗拉性能，進(jìn)一步擴(kuò)大混凝土的 使用范圍，就必須解決混凝土的過早開裂問題，在此基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。2、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，當(dāng)高強(qiáng)度鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，混凝 土構(gòu)件的裂縫寬度早就超過了正常使用的要求，而提高混凝土的強(qiáng)度 等級(jí)對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度提高作用很小，因此，在普通鋼筋混凝土結(jié) 構(gòu)中，無論是高強(qiáng)度鋼筋還是高強(qiáng)度混凝土的性能都不能充分發(fā)揮。 在這種情況下，將預(yù)應(yīng)力技

5、術(shù)用于混凝土中，大大彌補(bǔ)了普通混凝土 結(jié)構(gòu)的上述缺點(diǎn)。在構(gòu)件受荷前，預(yù)先對(duì)構(gòu)件在荷載作用下將產(chǎn)生拉 應(yīng)力的部位施加壓力，構(gòu)件在正常使用時(shí)，荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)力的 部分，必須先抵抗預(yù)先施加的壓力后，才能產(chǎn)生拉應(yīng)力作用。三、混凝土受彎構(gòu)件正截面承載能力以單筋矩形截面為例，僅在截面受拉區(qū)配置鋼筋進(jìn)行截面承載力 計(jì)算，單筋矩形截面受彎構(gòu)件承載力計(jì)算簡(jiǎn)圖如下:翰矩形棚n受彎酣承載州算荷圖由力矩平衡條件可知，截面承載力：M =af bx(h x/2)或Mff g(hoX/2)式中：Mu 截面承載力Ag 縱向受拉鋼筋截面面積f 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fg鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ho 截面有效高度b 截面寬度x

6、等效矩形應(yīng)力圖的換算受壓區(qū)高度a 受壓區(qū)混凝土等效矩形應(yīng)力圖的應(yīng)力值與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值從上式可以看出，受彎構(gòu)件的正截面承載力與鋼筋面積、鋼筋抗 拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、截面有效高度、受壓區(qū)混凝土的換算高度及混凝土的 抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值有關(guān)，與是否增加預(yù)應(yīng)力無關(guān)。在截面鋼筋面積、種 類及等效截面的中心不變，截面的幾何形狀不變的情況下，施加預(yù)應(yīng) 力的大小，不影響受彎構(gòu)件的正截面承載力。四、混凝土受彎構(gòu)件斜截面承載能力、受彎構(gòu)件斜截面破壞的主要形態(tài)受彎構(gòu)件出現(xiàn)斜裂縫后，根據(jù)剪跨比和腹筋數(shù)量的不同，其破壞 形態(tài)主要有三種：斜壓破壞、剪壓破壞、斜拉破壞。、影響受彎構(gòu)件斜截面承載力的主要因素影響受彎構(gòu)件斜

7、截面承載力的主要因素有:剪跨比、混凝土強(qiáng)度、 箍筋的配筋率、箍筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、縱向鋼筋的配筋率等。在實(shí)際工程 設(shè)計(jì)計(jì)算中，由于縱向鋼筋的配筋率對(duì)構(gòu)件的斜截面承載力影響較 小，為簡(jiǎn)化計(jì)算，一般情況不考慮其影響。、斜截面受剪承載力1、計(jì)算原則上述三種斜截面破壞形態(tài)中，斜壓破壞因腹筋數(shù)量多，腹板尺寸 較小引起，可通過控制截面尺寸的方法防止。斜拉破壞則是因?yàn)楦菇?數(shù)量過少引起，可以通過調(diào)整腹筋數(shù)量及構(gòu)造來防止。剪壓破壞則需 要通過抗剪承載力計(jì)算予以保證。我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，構(gòu)件 的受剪承載力計(jì)算公式就是根據(jù)剪壓破壞形態(tài)建立的。2、配有箍筋及彎起鋼筋的構(gòu)件斜截面受剪承載力以簡(jiǎn)支梁為例，當(dāng)梁中配有箍筋

8、及彎起鋼筋時(shí)，彎起鋼筋所能承 擔(dān)的剪力為彎起鋼筋的拉力在垂直梁軸方向的分力戔，取下圖粱端 脫離體進(jìn)行分析：斜姬受埔物計(jì)算瓠c從上圖可以看出，作用在脫離體上的外力為V,斜截面上的抗力 有混凝土剪壓區(qū)的剪力qc、壓力Pc，箍筋的抗力Gg,彎起鋼筋在垂 直于梁軸方向的分力FYg，斜截面骨料之間的嚙合力及縱筋的銷栓力， 在有彎起鋼筋和箍筋的構(gòu)件中，骨料之間的嚙合力及縱筋的銷栓力的 作用不明顯，計(jì)算時(shí)將其忽略。則構(gòu)件斜截面上的剪力值：Qmaxqc+Gg+FYgL.砂。Gg=1.25fAgh0/ngFYg=0.8f A sinaft 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fg 箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fwg彎起鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)

9、計(jì)值b 構(gòu)件截面寬度h0 截面的有效高度Ag 斜截面內(nèi)箍筋的全部面積ng 斜截面內(nèi)箍筋沿構(gòu)件長(zhǎng)度方向的間距Awg 斜截面內(nèi)彎起鋼筋的面積a 彎起鋼筋與梁縱向軸線的夾角從上述分析可以看出，構(gòu)件斜截面的抗剪承載力與截面的形式、 剪跨比、混凝土的強(qiáng)度、箍筋數(shù)量及彎起鋼筋數(shù)量關(guān)系密切。在構(gòu)件 尺寸確定后，對(duì)于腹板內(nèi)配有箍筋及彎起鋼筋的構(gòu)件，箍筋及彎起鋼 筋的數(shù)量成為影響構(gòu)件斜截面抗剪強(qiáng)度的主要因素。對(duì)于施加縱向及 斜向預(yù)應(yīng)力的構(gòu)件，施加的預(yù)應(yīng)力可以延緩斜裂紋的形成，增加剪壓 區(qū)截面的有效高度h0提高構(gòu)件斜截面承載力。五、確定張拉控制力的原則為了充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)，預(yù)應(yīng)力張拉控制力宜定得高一點(diǎn)， 以便

10、受拉區(qū)混凝土獲得較高的預(yù)壓應(yīng)力，提高構(gòu)件的抗裂性，減小變 形。但是張拉力定得過高，也會(huì)產(chǎn)生以下幾個(gè)方面的問題：1、為了彌補(bǔ)預(yù)應(yīng)力損失造成的預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力降低，通常采 用超張拉，由于采用的鋼材存在一定的離散性，在張拉過程中個(gè)別 鋼筋的應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致塑性變形產(chǎn)生或拉斷。2、張拉控制力越高，施加預(yù)應(yīng)力后鋼筋的應(yīng)力松弛也越大，預(yù) 應(yīng)力損失的比例也大。3、張拉控制力越高，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫時(shí)的荷載與極限荷載越接近， 結(jié)構(gòu)破壞時(shí)沒有明顯預(yù)兆。我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范在充分考慮了上述因素后，規(guī)定張 拉控制力的極限值：對(duì)于任何鋼材不應(yīng)小于0.4R ；對(duì)于消除應(yīng)力鋼 b絲、鋼絞線不應(yīng)大于0.75Rb，對(duì)于熱處理鋼筋，采用先張法施工時(shí)不 應(yīng)大于0.70Rb，采用后張法施工時(shí)不應(yīng)大于0.65Rb。規(guī)范規(guī)定了不同 材質(zhì)的鋼筋在采用不同的施工方法時(shí)的張拉力控制范圍。六、結(jié)束語(yǔ)在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)