左 麗

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京100038）

基于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件預(yù)應(yīng)力度的探討

左 麗

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京100038）

關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土后張法預(yù)壓應(yīng)力，規(guī)范中沒(méi)有明確規(guī)定，在混凝土構(gòu)件中施加預(yù)壓力的程度，直接影響結(jié)構(gòu)受拉區(qū)混凝土在荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)。如何選擇預(yù)應(yīng)力度，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性和工作環(huán)境確定。結(jié)合混凝土構(gòu)件功能要求和環(huán)境條件，選用合理的預(yù)應(yīng)力度，提出了預(yù)壓應(yīng)力控制的理論依據(jù)。

預(yù)應(yīng)力混凝土；預(yù)應(yīng)力度；掌握適度；環(huán)境；結(jié)構(gòu)性能

我國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)用始于1956年，至今已在建筑業(yè)得到廣泛應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力混凝土具有很多優(yōu)點(diǎn)，最主要的是提高了構(gòu)件的抗裂性和剛度。近年來(lái)預(yù)應(yīng)力混凝土建筑物逐漸暴露出一些問(wèn)題。

在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)中，由于預(yù)壓應(yīng)力過(guò)大，沒(méi)有計(jì)入溫度、收縮及其他局部效應(yīng)影響，而這些影響可能引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力，甚至于超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度一倍以上，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不同部位的開(kāi)裂。

1963年前國(guó)內(nèi)曾對(duì)216孔預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋梁進(jìn)行了調(diào)查，有35%以上的梁存在腹板斜裂縫，70%以上的梁有沿鋼束孔道的縱向裂縫，寬度一般在0.05～0.10mm，少數(shù)超過(guò)0.2mm，裂縫長(zhǎng)度一般為0.5～2.0m，少數(shù)10m以上。后來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)，雖有所改善但不能完全避免裂縫出現(xiàn)。

1 產(chǎn)生裂縫原因

以SL191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）及《材料力學(xué)》為理論依據(jù)，結(jié)合南水北調(diào)中線大型梁式渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1.1 混凝土的干縮效應(yīng)

因濕度變化引起的混凝土干縮，初步估計(jì)混凝土的干縮影響時(shí)，可折算為10～15℃的溫降。

如將干縮折算為ΔT度溫降計(jì)算，混凝土的線熱脹系數(shù)為αc，由混凝土干縮引起的拉應(yīng)力：

式中 σg為混凝土干縮引起的拉應(yīng)力（N/mm2）；αc為混凝土線脹系數(shù)（1/℃）；ΔT為溫度差（℃）；Ec為混凝土彈性模量（N/mm2）。

預(yù)應(yīng)力混凝土梁縱向預(yù)壓力已考慮混凝土干縮和徐變的應(yīng)力損失，因此梁縱向可抵御混凝土干縮引起的拉應(yīng)力；如混凝土干縮效應(yīng)產(chǎn)生相當(dāng)于10℃溫差的溫度應(yīng)力2.4N/mm2，即可能將縱梁橫向混凝土拉裂。

1.2 次生應(yīng)力

依據(jù)試驗(yàn)得知，桿件沿縱向伸長(zhǎng)時(shí)，其橫向尺寸略有縮??；如桿件縱向壓縮時(shí)，桿件縱向尺寸略有縮短，橫向尺寸略有增大。

根據(jù)拉（壓）桿變形的胡克定律可以看出，當(dāng)渡槽縱梁受拉區(qū)及受壓區(qū)施加縱向預(yù)壓力N′p及Np時(shí)，梁的橫截面邊緣產(chǎn)生了法向預(yù)壓應(yīng)力σ′pc及σpc，即沿梁的縱向產(chǎn)生了線應(yīng)變：

式中 ε為受壓（拉）桿的縱向線應(yīng)變；σ′pc，σpc為梁構(gòu)件正截面混凝土受壓區(qū)、受拉區(qū)邊緣法向預(yù)應(yīng)力（N/mm2）；N′p，Np為縱梁受壓區(qū)及受拉區(qū)施加縱向預(yù)壓力（kN）。其余符號(hào)同前。

胡克定律指出，在縱梁的縱向產(chǎn)生線應(yīng)變?chǔ)磐瑫r(shí)，縱梁的橫（豎）向也產(chǎn)生次生線應(yīng)變?chǔ)拧洌拧渑cε之比為一常數(shù)：

式中 ε′為受拉（壓）桿的橫向次生線應(yīng)變；υ為材料的泊松比。其余符號(hào)同前。

考慮到縱向線應(yīng)變與橫（豎）向線應(yīng)變的正負(fù)號(hào)恒相反，故：

σ′pc及σpc的大小除了根據(jù)截面上荷載效應(yīng)產(chǎn)生的法向應(yīng)力σck大小確定之外，還應(yīng)根據(jù)混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值及梁結(jié)構(gòu)橫向次生拉應(yīng)力σt大小掌握，當(dāng)縱截面次生法向拉應(yīng)力σt超出其限度時(shí)，在梁的橫截面薄弱處即可能產(chǎn)生裂縫，如前所述沿鋼束孔道的縱向裂縫。

2 次生拉應(yīng)力的控制要求

橫（豎）向次生拉應(yīng)變?chǔ)拧鋪?lái)自于縱向的壓應(yīng)變?chǔ)?，縱向線應(yīng)變與橫（豎）向線應(yīng)變的正負(fù)號(hào)恒相反，由此理論得出：

其橫 （豎）向次生線應(yīng)變引起的拉應(yīng)力σt≤0.7γftk，其中γ=γm=1.4（渡槽縱梁為工字梁形），按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，構(gòu)件正截面一般不出現(xiàn)裂縫的要求來(lái)掌握。

式中 σt為次生橫向拉應(yīng)力 （N/mm2）；γ為受拉區(qū)混凝土塑性影響系數(shù)；ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（N/mm2）。 其余符號(hào)同前。

3 結(jié)構(gòu)抗裂采取措施

3.1 結(jié)構(gòu)措施

當(dāng)預(yù)應(yīng)力混凝土抗裂邊緣應(yīng)力σck較大時(shí)，意味著要施加絕對(duì)值大于或等于預(yù)應(yīng)力σpc，梁抗裂邊緣施加的預(yù)壓應(yīng)力應(yīng)控制在σpc≥-0.98ftk×6的范圍內(nèi)，其一，可通過(guò)增大橫截面的寬度和高度來(lái)增大截面慣性矩的辦法，混凝土抗裂邊緣應(yīng)力即能降低。其二，可在渡槽原過(guò)水?dāng)嗝娌蛔兊幕A(chǔ)上，加高“馬蹄”增大截面慣性矩，同時(shí)降低墩頂高度。另外，降低荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，通過(guò)增加縱梁根數(shù)來(lái)解決。

3.2 技術(shù)措施

根據(jù)渡槽縱梁斷面幾何尺寸大的特點(diǎn)，在不同部位配置適量的普通鋼筋，如抗剪鋼筋、溫度鋼筋、加密箍筋及鋼絲網(wǎng)來(lái)控制裂縫，也可以在混凝土中加減縮劑。在混凝土澆筑后的養(yǎng)護(hù)期間，保持混凝土表面濕潤(rùn)，減少水分損失，保證混凝土強(qiáng)度正常發(fā)展。

4 預(yù)應(yīng)力度的控制原則

對(duì)水利工程渡槽而言，過(guò)水部分應(yīng)按嚴(yán)格不出現(xiàn)裂縫的結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)，即抗裂驗(yàn)算邊緣混凝土法向應(yīng)力應(yīng)滿足σpc+σck≤0要求，選用的預(yù)應(yīng)力度應(yīng)大于或等于1；對(duì)于槽身施工期受壓區(qū)混凝土邊緣法向應(yīng)力可以控制在σ′pc+σcc＜0.7ftk以內(nèi)；對(duì)于渡槽拉桿部分可按限裂要求控制。對(duì)于裂縫的控制要求：

SL191—96《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，σcsσpc≤αctγftk，一般要求不出現(xiàn)裂縫的條件規(guī)定。

式中σcs為荷載效應(yīng)的短期租合下抗裂驗(yàn)算邊緣的混凝土法向應(yīng)力（N/mm2）；αct為混凝土拉應(yīng)力限制系數(shù)。其余符號(hào)同前。

由SL191—96《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，αct=0.5，γ=γm=1.4（渡槽縱梁為工字梁形），故σcs-σpc≤0.7ftk。

SL191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，σck-σpc≤0.7γftk，一般要求不出現(xiàn)裂縫的條件規(guī)定。

由SL191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，γ=γm=1.4（渡槽縱梁為工字梁形），故σck-σpc≤0.98ftk。

《南水北調(diào)中線大型梁式渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工指南》中，抗裂設(shè)計(jì)分析法提出開(kāi)裂危險(xiǎn)評(píng)價(jià)式。

式中 Ks為開(kāi)裂危險(xiǎn)性系數(shù)；εγ（x，y，z，t）為驗(yàn)算點(diǎn)處被約束掉的應(yīng)變；εctu（t）為驗(yàn)算點(diǎn)處混凝土極限拉應(yīng)變。

當(dāng)Ks＜0.7時(shí)，不開(kāi)裂；當(dāng)Ks=0.7～1.0時(shí)，可能開(kāi)裂；當(dāng)Ks＞1.0時(shí)，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)很大；當(dāng)Ks＞1.0時(shí)，應(yīng)針對(duì)工程具體情況進(jìn)行抗裂設(shè)計(jì)。

針對(duì)南水北調(diào)中線總干渠大型梁式渡槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，縱梁抗裂邊緣施加預(yù)壓應(yīng)力應(yīng)控制σpc≥-0.7ftk×6范圍內(nèi)，預(yù)壓應(yīng)力在σpc≥-10以內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)胡克定律渡槽縱梁縱向在施加預(yù)壓應(yīng)力時(shí)，如同桿件受壓，桿件縱向尺寸略有縮短，橫向尺寸略有增大，在縱向產(chǎn)生線應(yīng)變同時(shí)，橫向必然次生線應(yīng)變，并且縱向線應(yīng)變與橫向線應(yīng)變的正負(fù)號(hào)恒相反，即預(yù)應(yīng)力混凝土梁縱向施加預(yù)壓應(yīng)力時(shí)，橫（豎）向同時(shí)也產(chǎn)生了拉應(yīng)力，該應(yīng)力必須得到有效控制，否則可能導(dǎo)致梁體縱向裂縫，故預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)應(yīng)力度應(yīng)掌握適度。

（2）預(yù)應(yīng)力混凝土梁縱向預(yù)壓力已考慮干縮和徐變的應(yīng)力損失，橫向混凝土干縮引起的拉應(yīng)力不容忽視，必須采取有效措施。

［1］SL/T 191—96，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］SL191—2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］周氐.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)［K］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.

［4］盧樹(shù)圣.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土理論與應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2000.

［5］本書(shū)編寫(xiě)組.水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

［6］南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局.南水北調(diào)中線大型梁式渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工指南［R］.2010.

Analysis of pretressed degree of pretressed concrete

ZUO Li
（Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion Middle Route Project， Beijing 100038，China）

Regarding the compressive pre-stress in the post-tensioning method for prestressed concrete， there is no definite stipulation in the Specification.The prestress level on concrete members will directly influence the concrete’s stress state under load effect in the structure tensile area.And it shall be determined by the importance and working environment of the structure for the design selection of concrete prestress level.This article illustrates the appropriate selection of concret members’ prestress level under certain functional requirements and environment conditions， and puts forward the theoretical foundation for the control of compressive pre-stress.

prestressed concrete；prestressed degree；maintain the moderation；environment；structural performance

TV431 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1672-9900（2017）06-0024-03

2017-08-30

左 麗（1979-），女（漢族），河北邯鄲人，高級(jí)工程師，主要從事技術(shù)管理工作，（Tel）18513068031。

王艷肖）