預應力混凝土結構預應力筋有效應力研究初探
預應力混凝土結構預應力筋有效應力研究初探
摘要：本文利用大型有限元軟件ANSYS對后張無粘結預應力混凝土結構因結構總層數不同而對同一位置處預應力筋有效應力的影響進行了研究，得到一些重要結論，為預應力混凝土結構的張拉施工提供了重要理論依據。
關鍵詞：預應力； 等值線； 軸向應力
Abstract: this paper based on the large finite element software ANSYS post-tensioned binderless prestressed concrete structure due to structural total number of plies of the same in different position prestressed reinforcement effect of effective stress were studied, and get some important conclusions, for prestressed concrete structure drawing construction provides important theoretical basis.
Keywords: prestressed; Isoline; Axial stress
中圖分類號：TU37文獻標識碼：A 文章編號：
預應力筋的張拉是預應力施工中的關鍵環(huán)節(jié),預應力筋的張拉涉及到預應力筋的張拉順序、預應力筋伸長值、預應力的錨固損失、孔道摩擦損失、應力松弛損失、混凝土彈性壓縮損失、混凝土收縮徐變損失以及溫度影響，是一個復雜的非線性的力的傳遞、分配過程。預應力筋張拉力的大小，直接影響到預應力的效果。張拉力越高，建立的預應力值越大，構件的抗裂性也越好，但預應力筋在使用過程中經常處于過高應力狀態(tài)下，構件出現(xiàn)裂縫的荷載與破壞荷載接近，往往在破壞前無明顯警告，這是危險的。另外，如果張拉力過大，造成構件反拱過大或預拉區(qū)出現(xiàn)裂縫，也是不利的。反之，張拉階段預應力損失越大，建立的預應力值越低，構件可能過早出現(xiàn)裂縫，也是不安全的。
預應力張拉精度是決定預應力結構安全與正常運營的首要條件，一旦預應力張拉精度失控，輕則會引起結構出現(xiàn)錨固端的縱向裂紋、反拱過大，重則會引起結構出現(xiàn)橫向裂縫、預應力筋拉斷等事故，因預應力張拉精度失控而造成預應力結構失效、破壞及生命財產巨大損失的事故時有發(fā)生。
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一、研究內容及數值計算
本文以結構總層數分別為一層、二層及三層的單跨預應力混凝土結構為例，對一層頂梁均采用直線預應力筋布置，并采取相同的張拉力，忽略環(huán)境溫度變化的影響，對因結構總層數不同而對一層頂預應力混凝土梁中預應力筋有效應力的影響進行了研究。
本文預應力砼梁橫截面尺寸均為400mm×800mm，長11.15m，預應力筋采
用工程上常用的φ15的鋼絞線，張拉控制力為150KN，預應力鋼絞線距預應力砼梁底72.5mm，結構跨度為10.32m，底層層高為4.2m，第二、三層層高均為
3.6m。
計算結果采用應力等值線圖表示，應力等值線圖給出了預應力鋼絞線張拉錨固后的應力沿預應力筋縱、橫兩個方向的分布情況。
（一）結構層數為一層，且一層頂梁采用無粘結預應力時的數值計算
在預應力鋼絞線左端建立預拉單元，并在預拉單元上施加150KN的預拉力來模擬單根預應力砼梁左端張拉并錨固的工作狀態(tài)。預應力鋼絞線與孔道的上下邊緣采用兩對重合的線，以模擬預應力鋼絞線與孔道間無粘結零距離接觸。將梁兩端預應力筋孔道上、下邊緣的節(jié)點進行y方向位移耦合，此外，為模擬鋼絞線的錨固狀態(tài)，在預應力砼梁兩端將鋼絞線的上、下邊緣與對應孔道的上、下邊緣分別進行x、y方向位移耦合。左柱截面為850mm×850mm，右柱截面為800mm×800mm，柱子的高度為4.2m。柱子底端邊界條件為固端。建立有限元計算模型見圖1，鋼絞線軸向應力sx的等值線見圖2。
圖1 有限元計算模型圖2 鋼絞線應力sx的等值線
（二）結構層數為二層，且一層頂梁采用無粘結預應力時的數值計算
兩層預應力混凝土結構中預應力混凝土梁與柱有限元計算模型的建立方法同一層預應力混凝土結構，不同之處是二層的柱高為3.6m。有限元計算模型見圖3，鋼絞線軸向應力sx的等值線見圖4。
圖4 鋼絞線應力sx的等值線圖3有限元計算模型
對比分析圖2與圖4，得：忽略環(huán)境溫度變化的影響，對結構總層數為一層和二層的預應力混凝土結構底層預應力混凝土梁施加相同的張拉控制力并錨固后，結構總層數為二層的預應力混凝土結構底層梁鋼絞線應力與結構總層數為一層的預應力混凝土結構頂層梁鋼絞線應力相比，預應力鋼絞線的應力sx的分布規(guī)律無明顯變化，但預應力鋼絞線應力sx的最大值將增大約（0.129-0.118）/0.118×100%=9.3%。
（三）結構層數為三層，且一層頂梁采用無粘結預應力時的數值計算
三層預應力混凝土結構中，底層預應力混凝土梁、柱有限元模型建立方法同二層預應力混凝土結構，第三層柱的高度為3.6m。有限元計算模型見圖5。鋼絞線軸向應力sx的等值線見圖6。
圖6 鋼絞線應力sx的等值線 圖5 有限元計算模型
對比圖2與圖6，得：忽略環(huán)境溫度變化的影響時，在相同的張拉控制力下，結構總層數為三層的預應力砼結構底層梁鋼絞線的有效預應力與結構總層數為一層的結構頂層梁鋼絞線有效預應力相比，預應力鋼絞線應力sx的分布規(guī)律無明顯變化，但預應力鋼鉸線應力sx的最大值增大約9.3%。
對比圖4與圖6，忽略環(huán)境溫度變化的影響時，在相同的張拉控制力下，結構總層數為三層與結構總層數為二層的預應力結構底層梁鋼絞線的有效預應力sx基本相同。
二、結束語
梁、柱截面尺寸及混凝土強度均相同而結構總層數不同的預應力混凝土結構，忽略環(huán)境溫度變化的影響時，對同一位置的梁采用相同的預應力筋布置，且采用相同的張拉控制力進行張拉錨固，因預應力混凝土梁周邊結構對該梁的約束程度不同，而在該預應力混凝土梁鋼絞線中建立的有效預應力值差別較大，甚至達9%以上。
參考文獻：
[1]杜拱辰，現(xiàn)代預應力混凝土結構.北京：中國建筑工業(yè)出版社,1988.
[2]杜拱辰，預應力工程實例應用手冊.北京：中國建材工業(yè)出版社，1996.
[3]Lin T. Y., Burns N. H., Design of Prestressed Concrete Structure, 3rd Ed.. New York: John Wiley & Sons, 1981.
[4]華東預應力中心編，無粘結預應力混凝土的設計與施工.北京：光明日報出版社，1989.
注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。
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