談談預應力混凝土梁板的拱度控制
摘要： 預應力混凝土結構已被逐漸廣泛地應用于工程中，而預壓力所產生的拱度正好可以抵消荷載作用下梁板所產生的撓度，顯然這對結構是有利的。然而如果拱度過大，對于橋梁工程來說，造成公路橋梁路面不平順，導致行車不順暢，產生負面效果。因此，如何控制好結構的拱度也是一個亟待解決的問題。文章主要從拱度的成因、結構的材料等幾個方面來談談對結構拱度的控制。
關鍵詞： 預應力混凝土;拱度;撓度;預應力損失
預應力混凝土結構會在施工和使用過程中產生拱度，正確認識梁上拱度形成的原因和影響因素及拱度過大對結構(主要是橋梁結構)工程所造成的不利影響，從而采取一些措施在構件制作階段設置反方向的拱度來控制梁上的拱度是很重要的一個問題。
1、結構產生拱度的成因
不管是先張法施工的預應力混凝土結構，還是后張法施工的預應力混凝土結構，都會向上起拱。先張法是先張拉預應力鋼筋，后澆筑混凝土的施工方法，具體做法是：在臺座或鋼模上張拉預應力鋼筋，待預應力鋼筋拉伸到預定的張拉控制應力后，將預應力鋼筋用錨具固定在臺座或鋼模上，支模、(綁扎非預應力鋼筋)、澆筑混凝土，當混凝土達到設計強度的75%以上后，切斷或放松預應力鋼筋，預應力鋼筋在回縮時擠壓混凝土，使混凝土獲得應力。而后張法是指先澆筑混凝土，后張拉鋼筋的施工方法，具體做法是：先澆筑好混凝土構件，并在構件中預留孔道，待混凝土達到設計強度的75%以上后，將預應力鋼筋穿入預留的預應力孔道，利用構件本身作為受力臺座進行張拉，在張拉預應力鋼筋的同時，使混凝土受到預壓，張拉完成以后，在張拉端用錨具將預應力鋼筋錨固，最后在孔道內灌漿，保護預應力鋼筋，并使預應力鋼筋和混凝土形成一個整體共同承受荷載。(如圖1)
一般情況下，考慮梁的拱度分兩部分來研究，一部分是梁體自重以及梁上荷載產生的撓度，另一部分是由于預壓應力使梁產生的向上的拱度，由于受拉鋼筋配置在構件的下部，這一部分的分析可以把構件看作是一個水平的偏心受壓構件(見圖2)，從工程力學的角度來講這種壓縮變形的結果會使梁體形成一個向上的拱度，兩者相互作用的效果必然會使梁形成一個向上或者向下的拱度。
2、結構產生拱度的利弊
結構承受著多種形式的荷載，包括自重、附屬設施的重力、可變荷載、預應力等，其中永久荷載是一直存在的，而可變荷載只是臨時存在，這一部分荷載產生的撓度大小逐漸變化，在最不利荷載作用下撓度達到最大值，一旦這些荷載消失，撓度就將減小很多。
為了保證結構在永久荷載和可變荷載的共同作用下，既不發生向上彎曲的變形也不發生向下彎曲的變形，這就要求在結構制作的過程中做好預拱度的控制，預拱度的大小與荷載作用下構件的撓度大小相當，方向相反。
構件上拱度過大會發生一系列的問題：提高或者降低了結構的標高，對于橋梁結構，就需要改變墩臺頂面的標高，從而改變了原有的設計參數，對施工不利;上拱度會改變橋面鋪裝層的厚度以及均勻性，也就是說，跨中部分變薄梁端處變厚，造成某些部位恒荷載過大并且浪費材料;影響構件的預制和安裝;過大的拱度在一定程度上影響著行車的順暢性和橋梁的美觀性。當然如果能做到上拱度正好抵消荷載作用下的撓度，也就是說預應力產生的彎矩抵消消壓彎矩，這樣就既提高了構件的承載力，又解決了以上諸多問題。
消壓彎矩M0，是使構件控制截面受拉區邊緣混凝土的預壓應力抵消至零的彎矩，可以取消壓彎矩M0=σpc·W0，其中，σpc為由預應力產生的混凝土法向預應力，W0為換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩。
3、如何控制結構的拱度
要控制好結構的拱度必須從兩方面著手，一是做好對材料的控制，包括鋼筋、混凝土、灌漿材料，二是盡量減少結構在施工和使用過程中的預應力損失。
3.1 對鋼筋的要求預應力鋼筋中有效預應力的大小主要取決于預應力鋼筋張拉控制應力的大小。但是考慮到預應力結構在施工過程中或者使用過程中可能會出現的各種預應力的損失，要想建立較高的有效預應力必須采用高強度的鋼筋。
預應力結構的發展史也說明了這個事實。有資料顯示，早在19世紀中后期，就在混凝土梁中建立了關于預應力的試驗研究，試驗表明，由于采用的是低強度的普通鋼筋，加之各種預應力的損失以及混凝土的收縮、徐變等諸多方面的原因，預應力隨著時間的延長而喪失。
高強度鋼筋也有它的缺點，一般高強度鋼筋的塑性較弱，而預應力鋼筋多數情況下需要彎曲和轉折，在錨具和夾具中還要承受較高的局部應力，要想預應力結構滿足延性破壞和結構內應力重分布的要求，因此并不是所有的高強度鋼筋都可以作為預應力鋼筋，我們必須選擇具有足夠塑性性能、能滿足一定的拉斷延伸率和彎折次數的高強度鋼筋，同時良好的焊接性能、(與混凝土之間)可靠的粘結性能等都是保證鋼筋加工質量的重要條件。例如選用熱軋HPB235、HRB335、 HRB400、KL400鋼筋。
3.2 對混凝土的要求預應力混凝土要求采用與高強度鋼筋相匹配的高強混凝土，這樣才能充分發揮鋼筋和混凝土的強度，從而有效地減小結構自重和截面尺寸，滿足適應預應力結構大跨徑的要求。同時，混凝土的彈性模量也是隨著其強度的增加而增大的，這樣高強度的混凝土就會發生更小的彈性變形和塑性變形，這樣也可以相應地減小預應力的損失。此外，高強度混凝土也具備早期強度比較高的特點，這樣便于后張法施工中早日施加預應力，先張法中也早日達到放張條件，從而提高構件的生產效率和施工設備的利用率。
預應力混凝土要求采用收縮、徐變都較小的混凝土，這樣一方面可以較好地控制結構的收縮和徐變變形，另一方面也可以減小由于混凝土收縮和徐變所產生的預應力損失。例如預應力混凝土構件不應采用低于C40的混凝土。
3.3 對灌漿材料的要求在先張法施工的預應力構件中，鋼筋和混凝土之間應具有可靠的粘結力，以保證鋼筋的預應力可靠地傳至混凝土，選用鋼筋時選刻痕鋼絲或以鋼絲為母材扭絞的鋼紋線即可。
而在后張法施工的預應力構件中，預應力鋼筋與孔道中后灌水泥漿之間應有一定的粘結強度以使預應力鋼筋與周圍的混凝土形成一個整體共同承受荷載，這樣同時也能防止預應力鋼筋的銹蝕，為此，需在預應力鋼筋張拉完畢之后向孔道內壓注水泥漿�？椎纼葔鹤⒌乃酀{的質量也有較嚴格的要求，要求密實均勻、流動性和抗凍性好、硬化快以及較高的抗壓強度和粘結強度，以70mm?鄢70mm?鄢70mm立方體試塊在標準條件下養護28天的強度不低于構件混凝土強度等級的 80%，并且不低于30MPa為宜。
3.4 減少預應力的損失預應力結構中預應力鋼筋的應力大小一直在變化，在構件的施工和使用的過程中，由于各方面的原因，預應力鋼筋中的應力一直在降低，這種降低就是預應力損失。
因此，預應力結構中的有效預應力應扣除預應力損失的部分，即σpe=σcon-σl，預應力鋼筋的張拉控制應力不能定得過高，也不能定得過低�！豆窐蛞帯芬幎�，對于預應力鋼絲、鋼絞線，σcon?燮0.75fpk，對于精軋螺紋鋼筋，σcon?燮0.90fpk，其中，fpk為預應力鋼筋抗拉強度標準值。
預應力構件中引起預應力損失的原因比較多，一般考慮以下幾種因素引起的預應力損失：預應力鋼筋與孔道壁之間的摩擦;錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮;預應力鋼筋與臺座之間的溫差;混凝土的彈性壓縮;預應力鋼筋的應力松馳;混凝土的收縮和徐變;預應力鋼筋與錨圈口之間的摩擦;臺座的彈性變形等。
采取一定的措施來減少這些預應力的損失是很有必要的，主要有：①采用兩端張拉，這樣構件拱曲線的切線夾角及計算長度值就會減少一半;②采用超張拉，當控制應力達到最大的時候，傳到跨中截面的預應力也最大，但是張拉端回到控制應力后，鋼筋和混凝土之間受到反向摩擦力的影響，這個回縮的應力并沒有傳到跨中截面，而是仍然保持著比較大的應力;③選用變形量較小的錨具并且盡可能較少地使用錨墊板，因為錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮都會引起預應力的損失;④采用分階段的養護措施，或者讓臺座與構件共同受熱，這樣可以減少由鋼筋與臺座之間的溫差引起的預應力損失;⑤為減少因混凝土收縮和徐變引起的變形，采用一般硅酸鹽水泥，控制每立方混凝土中的水泥用量及混凝土的水灰比，延長混凝土的受力時間(控制混凝土的加載齡期)。
4、結束語
預應力混凝土梁板的拱度直接影響著公路橋梁路面的平順性，影響著行車安全，控制好梁板的拱度也是勢在必行的舉措。當然，影響預應力混凝土梁板拱度的因素還有很多，例如地基不均勻沉降對拱度的影響，控制好梁板的拱度具有十分重要的意義。
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