文檔體外預應力加固張拉控制應力較低的原因及索力測試方法

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

2、完時的體外預應力筋的應力是很容易求得的，因為張拉力筋時可以通過張拉設備讀出其拉力值，進而由應力的定義可以方便的求出剛加固完成時的平均應力值，再通過整體計算和局部計算檢驗加固效果。但是，隨著時間的推移，預應力筋中的應力會逐漸損失，如前面第一部分討論的種種損失因素。在加固一段時間后，體外預應力筋的應力值發(fā)生變化，要評定橋梁的應力狀況，就需要重新測量力筋中的預應力損失，再由測得的應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力進行整體計算；以及對轉向構造進行承載力和抗裂性計算、錨固區(qū)的承載力和抗裂性計算、持久狀況下的其他局部構件的承載力計算。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，學生我結合本科力學的知識以及橋梁方面的知識，從理論的角度構思出以下的檢測體外索的預應力的方法。1.靜力平衡思想如圖1所示的狀況，體外預應力筋束在梁底平行穿過，假設不考慮多束預應力筋之間的定位裝置，即各力筋在兩端轉向塊之間被繃緊且沒有什么限制，力筋此時被拉直。 圖 1 多束力筋在梁底平行穿過由于加固中體外預應力筋的應力并不像新橋初建時的應力，其應力值一般不大，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，進而換算出應力值。2.滑輪配重裝置測軸力在滑輪配重裝置的作用下，繃緊的預應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應力筋的變形而滾動至最低點的位置，經(jīng)過簡單的力學常識和理論計算推導可知，配重裝置恰作用在梁的跨中對應位置。此時設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，此時的結構受力呈對稱結構，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中的滑輪作用點進行靜力學平衡分析，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。其實此處的軸力相同可以由下述結論直接得到：在不考慮轉

5、向部位的摩阻損失時，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，用一根細線從左側的轉向塊與力筋接觸點連到右端轉向塊與力筋接觸點，繃緊，測其長度，然后分別測出兩邊力筋從轉向塊接觸點到配重裝置作用點處的距離（若利用對稱性，可只測量其中一側的長度即可），最后，在根據(jù)長度實測值做一定的比例縮放，得到一個三角形，進而很容易求得其轉角值。第二種思路是直接在兩邊的力筋上設置與力筋的橫斷面平行的

6、反射鏡作為測量放大裝置，當兩邊力筋發(fā)生轉動時，微小的角度轉動可以通過反射鏡的同步轉動轉化為很大長度位移，進而換算出微小的角度轉動。這樣，兩側的力筋中的張拉力，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理論知識推導得來，未經(jīng)過試驗的驗證，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，簡單易行，而且要求對被測結構不產(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力產(chǎn)生增大作用，現(xiàn)分析其增大效果。假設兩轉向塊間距離不變，衡為L，則加配重后跨中段力筋的伸長量為，應力增加量為。當，即時

7、，函數(shù)的圖像如圖4所示。由圖4可以看出，當配重引起的相對折角在時，其應力增量尚不能超過，對原來力筋中的預應力影響甚微。而此時，若假設兩轉向塊距離為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)驗及設計經(jīng)驗，力筋的張拉力（單根）設為300噸，時，尚在試驗條件許可的范圍。 圖 4 函數(shù)在即時的圖像由以上的分析可知：此方法加載時，鑒于產(chǎn)生的偏折角很小，所以引起的力筋的應力增量也非常微小，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，進而減小對原結構的應力狀態(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） 滑輪的測量時由于滾動摩阻的作用，可能不會恰好處在跨中，盡管能認為的將其放在跨中，不能保證其不受摩擦力的作用，進而導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應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，為了保持不對結構預應力筋中的應力產(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)，但長時間的讓力筋高于工作應力，可能引起力筋額外的徐變，導致測試過后力筋因為徐變而使應力減小，對原結構的工作狀態(tài)產(chǎn)生不利影響。3） 加載時一定要封閉交通，不可使預應力筋產(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，考慮的是中跨沒有定位裝置的預應力筋，不符合實際，其造成的誤差尚需進一步的定量分析。3. 水平拉桿實時監(jiān)測力筋預應力結合上部分討論的滑輪配重測預應力筋應力的方法，學生現(xiàn)提出以下改進，不僅可以避免增加如此笨拙的配重的危險工作，而且可以通過一定的測力傳感器實時監(jiān)測出力筋的應力值，另外，還可以同時測量多跟力筋中相鄰兩根的應力，一箭多雕。其實，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 拉桿實時監(jiān)測力筋應力 在這種方法中用到的中間的拉桿，在中間部分設置成

10、螺紋形式，通過旋擰中間部分而使拉桿變長或者縮短。此拉桿上可以設置一個測力傳感器，以實時測量拉桿中的軸力，進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，進而換算出各力筋的應力值，而這整個過程都可以通過拉桿中的測力傳感器實時獲得。另外，考慮到體外預應力張拉方法中有通過拉近相鄰兩根力筋的張拉方法，當張拉力筋或者力筋松弛需再張拉時，都可通過拉桿中的螺紋構造自由調整，做到張拉和實測兩不誤。另外，如果此方法現(xiàn)實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)接部位利用滑輪結構或者該拉桿為撐桿，用滑動支座的形式進行

11、傳力。4.當前體外預應力筋的應力增量計算及測試方法。目前被提出的用于計算預應力筋應力增量的測試和計算方法有：基于能量法的計算研究，基于撓度的預應力筋應力增量的算法?，F(xiàn)作簡要介紹。1） 基于能量法的體外預應力梁力筋應力增量研究對于能量封閉的結構體系, 能量守恒表現(xiàn)為外力功等于結構的應變能。根據(jù)此方法的特點，在推導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可以忽略；忽略梁體剪切變形的影響；不計體外力筋受沿程摩擦的影響，在轉向塊處可以自由滑動,故體外力筋的內力處處相等。根據(jù)目前國內學者的近期研究表明，從基本假定出發(fā)

12、，利用能量法推導得出的使用荷載下體外預應力混凝土簡支梁力筋應力增量的解析式，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用到體外預應力連續(xù)梁的情況。另外，利用能量法推導體外力筋應力增量的方法，在思路上不同于美國學者Naaman的粘結折減系數(shù)法，但這兩種方法得到的結果是一致的?？傊?，能量法來測量預應力筋的應力增量不失為一種行之有效的方法。2） 基于撓度的體外預應力筋應力增量的研究近期國內學者通過研究體外預應力預應力梁力筋變形與跨中撓度的關系，提出了一種基于撓度的預應力筋應力增量計算的新方法.。此方法的基本思路是，首先建立體外預應力梁的變形相容方程，推導

13、出用跨中撓度表達的力筋應力增量計算公式，然后推導適用于體內外預應力筋應力增量的統(tǒng)一計算公式，此統(tǒng)一計算公式能夠計算正常使用和承載能力極限狀態(tài)下預應力筋的應力。通過與實驗結果的對比，表明該方法的計算結果與實驗實測值吻合良好，而且公式形式簡單，能夠很好的反映結構的受力機理?；诮Y構撓度的無粘結預應力筋增量的計算公式，將無粘結和體外預應力筋的應力計算方法進行了統(tǒng)一，摒棄了傳統(tǒng)的基于某一指標的統(tǒng)計方法，使應力計算從大量的數(shù)據(jù)回歸過渡到結構受力機理分析，與不同的試驗結果對比都具有相當?shù)木?。對于曲線或折線布筋的梁，基于結構撓度體外預應力筋增量的計算公式也可近似采用。3） 其他國內外學者對體外預應力筋增量

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

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

16、常使用極限狀態(tài)下不宜長期處于高應力狀態(tài)。預應力損失是指預應力混凝土受彎構件由于施工因素、材料性能和環(huán)境條件等的影響，鋼筋中的預拉應力逐漸減小，這種減少的預應力就是預應力損失。由于用體外預應力進行橋梁加固時，其預應力筋構造形式及施工方法與常規(guī)的體內有粘結或無粘結預應力鋼筋有較大差別，因此，其預應力損失的計算方法與常規(guī)的體內有粘結或無粘結預應力鋼筋損失也有很大差別。體外預應力加固中的預應力損失一般以水平鋼筋為主，參照現(xiàn)行橋梁規(guī)范，應考慮以下諸多因素：1） 預應力鋼筋與滑塊之間的摩擦引起的預應力損失 當在梁底張拉水平筋時，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，因此認為這時摩阻力引起的預應力損失為0。當在粱頂張拉斜筋時，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計算得到。2） 錨具變形引起的預應力損失 由錨具變形引起的預應力損失可按公橋規(guī)中的公式計算。3） 溫差引起的預應力損失 由于體外預應力鋼筋和混凝土的線膨脹系數(shù)相差較小，且春、夏季施工時與年最高溫度的溫差較小，因而該項損失的計算結果也較小。4） 分批張拉引起的混凝土彈性壓縮損失 當一跨橋梁由多片梁組成時，由于張拉設備的限制，不可能對所有的梁同時進行張拉。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整，經(jīng)過超張拉或重復張拉工藝，可以認為分批張拉損失近似為零，且可以認為張拉后各梁的體外索拉力均能達到設計值。5） 鋼筋松弛引起的損失 體外預應力鋼筋張拉后將發(fā)生松弛損失。該項損失可按公橋規(guī) (JTJ023-85) 第條進行計算。6） 混凝土收縮徐變引起的預應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。體外預應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。計算結果表明，與一般的預應力混凝土結構相比，體外預應力加固體系的預應力損失要小得多。針對這一特點，建議適當降低預應力鋼筋的控制應力，以避免體外預應力筋長期處于高應力狀態(tài)下工作，這對改善體外預應力加固體系的受力狀態(tài)是有利的。為此，用于體外索加固結構的預應力鋼筋的張拉控制應力建議比公路橋規(guī)(JTJ023-85) 中規(guī)定的限值降低5%10%。2.力筋長期工作狀態(tài)下的應力較低，對結構的可靠性有利體外加固中的預應力筋長