體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁的探討

鮑振興

(同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

體外預(yù)應(yīng)力概念的提出是考慮了其結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)內(nèi)部有粘結(jié)或無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的不同，都是布置在構(gòu)件的外側(cè)，它也是后張法預(yù)應(yīng)力體系的一個重要組成部分。其結(jié)構(gòu)形式的概念和方法是由法國人Eugene Freyssinet首次提出，但是工程中進(jìn)行大量的推廣，則源于20世紀(jì)70年代末［1，2］。

在國外，較早的對體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)進(jìn)行了研究，并應(yīng)用于實際，已有較多的理論成果和應(yīng)用實例;而在國內(nèi)，由于起步相對較晚，有關(guān)的研究工作也相對比較少。

1 體外預(yù)應(yīng)力加固法的優(yōu)缺點［2，3］

體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)主要有以下幾個優(yōu)點:

1)體外預(yù)應(yīng)力加固法對原結(jié)構(gòu)起卸荷作用，改變原結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布;

2)預(yù)應(yīng)力筋的布置線形多為折線，摩擦損失較小;

3)預(yù)應(yīng)力筋大多采用連續(xù)跨布置，這就從一方面加強了結(jié)構(gòu)的整體性;

4)體外預(yù)應(yīng)力加固法對結(jié)構(gòu)的使用凈高影響不大;

5)預(yù)應(yīng)力束自重較小，減小了原結(jié)構(gòu)的荷載增量。

然而，體外預(yù)應(yīng)力加固法也有其不足之處，主要有:

1)體外預(yù)應(yīng)力束缺少混凝土的保護，容易遭受火災(zāi)的影響;

2)需要控制預(yù)應(yīng)力束的自由段長度以減少振動效應(yīng)的影響;

3)對錨具的要求很高，錨固失效會使預(yù)應(yīng)力作用喪失;

4)由于縱橫向力很大，轉(zhuǎn)向塊和錨固裝置特別笨重;

5)在極限狀態(tài)下，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)可能因延性不足而產(chǎn)生沒有預(yù)兆的失效。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對于體外預(yù)應(yīng)力的承載力能力，正截面的極限承載力是國內(nèi)外的主要研究內(nèi)容。而相關(guān)的較系統(tǒng)性的理論研究，國外要多于國內(nèi)。

現(xiàn)主要從以下幾個方面闡述國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。

2.1 承載能力及應(yīng)力增量計算

體外預(yù)應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力筋和混凝土構(gòu)件之間并非是協(xié)調(diào)工作的，這與有粘結(jié)及無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力之間存在本質(zhì)上的差別，由于其不協(xié)調(diào)性，通過單個截面的應(yīng)變是不能確定體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量，而應(yīng)考慮整個結(jié)構(gòu)的變形。在計算體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁的承載能力時，體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量是其中的一個重要指標(biāo)。在探討體外預(yù)應(yīng)力應(yīng)力增量問題時，參考了體內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的研究結(jié)果，這是考慮到在應(yīng)力增量問題上體外預(yù)應(yīng)力和體內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力具有一定的相似性。

1969年，Panell［4］提出了基于塑性鉸理論的計算方法，核心為:通過實驗確定等效塑性區(qū)的長度，并且假定在該長度內(nèi)相同位置處的無粘結(jié)筋和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變相同。

加拿大A23.3-1994規(guī)范［5］采用的就是基于塑性鉸理論提出的計算公式。

1994年，Baker［6］首次運用各種粘結(jié)系數(shù)法，將彎矩值最大的截面處的混凝土應(yīng)變乘以一定的折減系數(shù)來得到無粘結(jié)筋的應(yīng)變，他建議折減系數(shù)可以取0.1。

美國AASHTO(1994)橋梁規(guī)范［7］正是采納了這一建議得到了體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量。

1992年，為在我國推廣體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，鐵道部科學(xué)研究院［8］做了一系列的體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁試驗。在根據(jù)試驗結(jié)果，以及一些合理簡化的基礎(chǔ)上，提出了體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁在極限狀態(tài)下承載能力的計算方法，為進(jìn)一步研究提供了理論分析依據(jù)。

我國JGJ 92-2004無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［9］規(guī)定的無粘結(jié)筋在承載力極限狀態(tài)下的應(yīng)力增量公式是根據(jù)綜合配筋指標(biāo)得出的。

自20世紀(jì)90年代初起，李延和、陳貴［10］為推廣體外預(yù)應(yīng)力加固法，進(jìn)行了大量相關(guān)性的試驗，在對比試驗結(jié)果、理論研究及其他學(xué)者的研究成果的基礎(chǔ)上，提出了體外預(yù)應(yīng)力加固法的計算方法。

1998年，Virlogeux［11］對體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量的非線性變化做了相關(guān)研究，并提出了其計算方法。他的主體思路是將轉(zhuǎn)向塊間的體外預(yù)應(yīng)力筋等效為桿件，該桿件兩端的位移各由兩個平動分量和一個轉(zhuǎn)動分量組成，力筋和混凝土梁之間為一段剛臂連接。通過各位移分量的變化及剛臂的長度就可以得出兩點間的變形，從而得到應(yīng)力增量。

2000年，牛斌［12］以塑性鉸理論為基礎(chǔ)，同時考慮體外預(yù)應(yīng)力筋的二次效應(yīng)問題，并參考普通混凝土梁抗彎承載力的計算方法，提出了極限狀態(tài)下的體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗彎承載能力的計算方法。該方法的計算過程簡單，工作量少，但是僅適用于對稱荷載作用下簡支梁的情況，無法進(jìn)一步推廣。

2.2 預(yù)應(yīng)力摩擦損失計算

目前對體外預(yù)應(yīng)力摩擦損失的針對性研究較少，而大部分采用的計算方法是參考體內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究得來的。但是，體外預(yù)應(yīng)力筋有其自身特點，最顯著的就是與梁體截面的應(yīng)變不協(xié)調(diào)，只在錨固端和轉(zhuǎn)向塊處與梁體有直接接觸，與其他的預(yù)應(yīng)力體系有很大的區(qū)別。因此，對體外預(yù)應(yīng)力損失開展針對性的試驗和理論分析是十分必要的。

對于預(yù)應(yīng)力摩擦損失，在現(xiàn)行規(guī)范中都是利用經(jīng)典Coulomb摩擦理論推導(dǎo)的公式。

將我國的《無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［9］《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［13］中對摩擦損失影響的規(guī)定與美國ACI 318M-05規(guī)范［14］做對比，可發(fā)現(xiàn)我國規(guī)范與美國ACI規(guī)范對于摩擦損失σl2的精確計算公式是一致的，但是特殊情況下的近似計算公式有一定的差別。

由于體外預(yù)應(yīng)力與體內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力不同，沒有預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁的摩擦，故將上述公式應(yīng)用于體外預(yù)應(yīng)力時，取κ=0。即體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中單個轉(zhuǎn)向塊的摩擦損失為:

其中，θ為力筋軸心線間的空間夾角，近似計算可采用力筋在各坐標(biāo)平面上的投影夾角θx，θz疊加得到。對于如何疊加，陳曉寶［15］通過研究發(fā)現(xiàn)，不同的疊加方式得到的損失值也不同，他建議采用:

1997年，熊學(xué)玉等［16］通過對各國規(guī)范的比較、分析和研究，提出了預(yù)應(yīng)力筋摩擦損失計算的一系列建議。

2006年，陳月順等［17］引入非線性摩擦的概念，在剖析了現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失模型的不足及分析了預(yù)應(yīng)力損失作用機理的前提下，建立了預(yù)應(yīng)力損失計算的非線性摩擦模型，自編程序進(jìn)行計算，并與某斜拉橋預(yù)應(yīng)力索塔預(yù)應(yīng)力張拉試驗數(shù)據(jù)做比較，能較好地預(yù)測預(yù)應(yīng)力筋張拉過程中的摩擦損失。

3 應(yīng)用實例

加固應(yīng)用實例見表1。

表1 體外預(yù)應(yīng)力加固應(yīng)用實例

4 現(xiàn)有研究的不足及發(fā)展方向

1)體外預(yù)應(yīng)力和其他預(yù)應(yīng)力之間存在著本質(zhì)的區(qū)別，即體外預(yù)應(yīng)力筋和混凝土構(gòu)件之間并非是協(xié)調(diào)工作的。但是，目前各國采用的預(yù)應(yīng)力增量的經(jīng)驗公式，大多都是利用體內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的應(yīng)力計算方法來代替體外預(yù)應(yīng)力應(yīng)力增量公式，根據(jù)相關(guān)研究，依據(jù)這樣的公式計算得到的極限應(yīng)力與試驗結(jié)果出入較大，計算結(jié)果并不是很可靠，所以有必要對體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)一步開展研究工作。

2)體外預(yù)應(yīng)力和其他預(yù)應(yīng)力形式之間的差別，例如構(gòu)造形式、結(jié)構(gòu)特點、施工工藝等使其計算預(yù)應(yīng)力損失的方法也有所不同，需要進(jìn)一步的針對研究。

3)對于無粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)預(yù)應(yīng)力補償?shù)拇胧F(xiàn)在一般采用超張拉或二次張拉的方法。但是，對于超張拉的張拉控制應(yīng)力，二次張拉時再次產(chǎn)生的摩擦損失以及二次張拉量的取值都沒有進(jìn)行足夠的理論與試驗研究。

［1］ 李晨光，劉 航.體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)技術(shù)與工程應(yīng)用［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］ 杜拱辰.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1988.

［3］ 熊學(xué)玉.體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［4］ Panell F.N..Ultimate Moment of Resistance of Unbonded Prestressed Concrete Beams.Magazine of Concrete Research，1969.

［5］ Canadian Standards Association.CSA STANDARD A23.3-1994.Design of Concrete Structures with Explanatory Notes，1994.

［6］ Baker A.L.L..Plastic Theory Design for Ordinary Reinforced and Prestressed Concrete Including Moment Redistribution in Continuous Members［J］.Magazine of Concrete Research，1994 (3)：25-26.

［7］ AASHTO LRFD Bridge Design Spesifications.American Association of State Highway and Transportation Officials.Washington D.C.，U.S.A.，F(xiàn)irst Edition，1994.

［8］ 牛 斌.體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗彎強度及變形性能［D］.北京：鐵道科學(xué)研究院碩士學(xué)位論文，1992.

［9］ JGJ 92-2004，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［10］ 李延和，陳 貴.高效預(yù)應(yīng)力加固法理論及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［11］ Virlogeux M..Nonlinear Analysis of Externally Prestressed Structures［C］.Proceedings of the FIP Symposium，Jerusalem，Sept.，1998.

［12］ 牛 斌.體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁極限狀態(tài)分析［J］.土木工程學(xué)報，2000(1)：113-114.

［13］ GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［14］ Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary(ACI 318M-05).American Concrete Institute，2005.

［15］ 陳曉寶.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中空間索線筋的預(yù)應(yīng)力摩擦損失計算［J］.土木工程學(xué)報，2003(6)：11-12.

［16］ 熊學(xué)玉，蔣志賢.預(yù)應(yīng)力摩擦損失的合理設(shè)計建議［J］.結(jié)構(gòu)工程師，1997(6)：91-92.

［17］ 陳月順，陳亞杰.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力摩擦損失模型研究［J］.工業(yè)建筑，2006(4)：79-80.