水利工程预应力混凝土的预应力损失分析
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水利工程预应力混凝土的预应力损失分析
作者：冯涛
来源：《丝路视野》2017年第09期
【摘要】引起预应力损失的因素很多，一般认为预应力混凝土的总预应力损失值，可采用各种因素产生的预应力损失值进行叠加的办法求得。
本文将分析其主要的预应力损失，包括产生的原因、损失值的计算方法以及减少预应力损失值的措施。
【关键词】锚具变形；钢筋内缩；加热养护；温差损失
一、预应力损失概述
在预应力混凝土构件施工及使用过程中，预应力钢筋的张拉应力值是在不断降低的，称为预应力损失。
一般认为其总预应力损失值可采用各种因素产生的损失值进行叠加来求得。
下面将讲述六项预应力损失，包括产生的原因、损失值的计算方法以及减少预应力损失值的措施。
二、张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失σ11
预应力直线钢筋当张拉到张拉控制应力σcon 后，锚固在台座或构件上时，在预应力钢筋回弹力的作用下，锚具、垫板与构件之间的裂缝被挤紧，以及由于钢筋和楔块在锚具内的滑移，使得被拉紧的钢筋内缩所引起的预应力损失值σcon （N/mm2），按σ11=a×Es/L计算，式中a—张拉端锚具变形和钢筋内缩值。
对于支承式、钢丝束墩头锚具等取1，对锥塞式锚具、钢丝束钢质锥形锚具等取5，对夹片式锚具有顶压时取5无顶压时取6～8；L—张拉端至锚具端之间的距离；Es—预应力钢筋的弹性模量（N/mm2）。
锚具损失只考虑张拉端，至于锚固端因在张拉过程中已被挤紧，故不考虑其所引起的应力损失。
对于块体拼成的结构，其预应力损失尚应考虑块体间填缝的预压变形。
当采用混凝土或砂浆填缝材料时，每条填缝的预压变形值应取1mm。
减少σ11损失的措施有：
（1）选择锚具变形小或使预应力钢筋内缩小的锚具、夹具，并尽量少用垫板，因每增加一块垫板，a值就增加 1mm ；
（2）增加台座长度。
因σ11值与台座长度成反比，采用先张法生产的构件，当台座长度为100m 以上时可忽略不计。
三、预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失σ12
这种摩擦力可分为曲率效应和长度效应两部分：前者是由孔道弯曲使预应力应力钢筋与孔壁混凝土之间相互挤压而产生的摩擦力，其大小与挤压力成正比；后者是由于孔道制作偏差或孔道偏摆使预应力钢筋与孔壁混领土之间产生接触摩檫力（即使直线孔道也存在），其大小与
钢筋的拉力及长度成正比。
预应力钢筋与孔道壁之间的摩檫引起的预应力损失σ12的计算公式：
σ12=σcom（1-）
当kx+μθ≤0.2时，σ12可按下列近似公式计算：
σ12=（kx+μθ）σcom
式中X—张拉端至计算截面的孔道（m），可近似取该段孔道在纵轴上的投影长度；θ—张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角（rad）；k—考虑孔道每米长度局部偏差的摩檫系数；μ—预应力钢筋与孔道壁之间的摩檫系数。
当孔道成型为预埋金属波纹管时k、μ值分别为0.0015和0.25，预埋钢管的k、μ值分别为0.0010和0.30，橡胶管或者金属管抽芯成型的k、μ值分别为0.0014和0.55。
减少σ12损失的措施如下，但注意当采用电热后张法时，不考虑该损失。
（1）较长的构件可在两端进行张拉。
则计算中孔道长度可按构件的一半长度计算，可减少摩檫损失是显而易见的。
（2）采用超张拉，张拉程序为：由0拉到1.1σcom再拉到0.85σcom最后到σcom时，每次间隔停2分钟以上。
当张拉端超张拉10%时，钢筋中的预应力将重新分布。
当张拉端的张拉应力降低至0.85σcom时，由于孔道与钢筋之间产生反向摩檫，预应力将再次分布。
当张拉端再次张拉到σcom 时，则钢筋中的应力将平均分布，预应力损失要小一些。
四、加热养护时受张拉钢筋与承受拉力设备之间的温差引起的预应力损失值σ13
制作先张法构件时，为了缩短生产周期，常采用蒸汽养护，促使混凝土快硬。
当新浇筑的混凝土尚未结硬时，加热升温，预应力钢筋伸长，但两端的台座因与大地相接，温度基本上不升高，台座间距离保持不变，即由于预应力钢筋与台座间形成温差，使预应力钢筋内部紧张程度降低，预应力下降。
降温前，混凝土已结硬并与预应力钢筋结成整体，钢筋应力不能恢复原值，于是就产生了预应力损。
设混凝土加热养护时，受张拉的预应力钢筋与承受拉力的设备（台座）之间的温差为t （℃），钢筋的线膨胀系数为=0.0001/℃，台座间的距离为，则σ13 可按下式计算：
由上式可知，温差应力损失σ13与温差大小t成正比，当温差很高时，它将是一项很大的损失。
减小σ13 损失的措施有：
（1）采用两次升温养护。
先在常温下养护，待混凝土强度达到一定强度等级，例如达
C7.5-C10时，再逐渐升温至规定的养护温度，这时可认为钢筋与混凝土已结成整体，能够一起胀缩而不引起应力损失。
（2）钢模上张拉预应力钢筋。
由于预应力钢筋是锚固在钢模上的，升温时两者温度是相同，可以不考虑此项损失。
参考文献
[1] 唐昌辉，倪佳，叶林.无粘结部分预应力混凝土梁非线性全过程滞回分析[J].湖南大学学报（自然科学版），2015（07）：62～68.
[2] 刘昀，颜东煌.部分预应力混凝土斜拉桥设计的合理性分析[J].中外公路，2015（02）：83～86.
作者简介：冯涛（1978.10—），男，四川南充人，硕士，高级工程师，研究方向：水利水电工程项目管理、水利水电施工技术、投资项目咨询等。
