预应力混凝土箱梁桥的预应力损失成因及控制

预应力混凝土箱梁桥的预应力损失成因及控制

摘要: 随着我国高速公路建设的蓬勃发展,桥梁建设进入了前所未有的高潮时期。预应力混凝土箱梁桥的结构安全性已成为当今社会普遍关注的问题。本文结合笔者多年的工程实践经验，从多个角度和侧面分析、探讨了预应力混凝土箱梁桥的预应力损失成因及控制的有关问题。以期能够为各位读者的日后工作提供一定的借鉴和参考。

关键词：预应力混凝土箱梁桥；预应力损失；成因及控制 前言

预应力混凝土箱梁桥通过钢筋张拉建立起来的预应力不是全部有效的，实际的有效预应力将受种种因素影响而有所降低。在预应力混凝土构件施工及使用过程中，预应力钢筋的张拉应力值是在不断降低的，称为预应力损失。设计时要正确计算预应力损失值，施工时要尽量减少预应力损失，这是预应力结构的成败关键。引起预应力损失的因素很多，一般认为预应力混凝土构件的总预应力损失值，可采用各种因素产生的预应力损失值进行叠加的办法求得。下文将讲述六项预应力损失，包括产生的原因及减少预应力损失值的措施。

一、造成预应力损失的原因

1预应力直线钢筋由于锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失σ11

预应力直线钢筋当张拉到σ11后，锚固在台座或构件上时，钢筋两端的锚具在压力作用下，由于垫圈和夹具缝隙的挤紧压缩，以及钢筋在锚头中的相对滑移，使预应力钢筋缩短而引起预应力损失。锚具变形越大，预应力损失亦越大。

2预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起预应力损失σ12

在后张法中，由于预应力钢筋的表面形状、孔道成型质量情况、预应力钢筋的焊接外形质量情况、预应力钢筋与孔道接触程度等原因，在构件的预留孔道内张拉钢筋时，钢筋与孔道壁接触产生摩阻力，妨碍了钢筋伸长，引起钢筋实际预应力值的降低。这种摩擦阻力距离预应力张拉端越远，影响越大，使构件各截面上的实际预应力有所减少。

3混凝土加热养护时受张拉的预应力钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的预应力损失σ13

在先张法中，为了缩短施工工期，常在浇灌混凝土后进行蒸汽养护。当构件采用蒸汽养护时，由于在构件上加温，钢丝(筋)就要膨胀伸长，但预应力钢丝(筋)己锚固在台座的两端，这样就使钢丝(筋)中所受的张拉力减少，造成预应力损失。当温度相差l℃时(养护温度与张拉时温度之差)，应力一般减少2.0兆帕(20千克力/厘米2)。

4钢筋应力松弛引起的预应力损失σ14

钢筋在持续高应力作用下其塑性变形具有随时间而增长的性质，由于钢筋的松弛，在钢筋长度保持不变的条件下，钢筋的应力会随时间的增长而逐渐降低，从而引起预应力减小，这种现象称为钢筋的应力松弛。这种现象犹如胡琴的弦拉紧后时间长了就会自己松弛一样。这项损失，在软钢中可达张拉应力的5％；在硬钢中，可达张拉应力的7％。

5混凝土收缩、徐变引起的预应力损失σ15和σ15’

混凝土浇捣后，随着时间的增长，体积会缩小，这就是混凝土的收缩。由于预应力钢丝(筋)与混凝土粘结得很牢固，当混凝土收缩时，钢丝(筋)也随着缩短，使它的张拉力产生松弛，从而应力也降低一些。另外，滞凝土还有一种特性，在不变荷载的长期作用下，会产生塑性变形(即永久变形)，这就叫做混凝土的徐变。混凝土的徐变也同样会使预应力降低。

混凝土在一般温度条件下硬结时会发生体积收缩，而在预应力长期作用下混凝土会产生徐变，二者均使得构件长度缩短，因而预应力钢筋也会随之缩短一些，引起预应力钢筋的应力减少。这是一项数值较大并占很大比重的预应力损失，须认真对待。收缩与徐变是两种性质不同的现象，但二者的影响因素、变化规律较为相似，故《混凝土结构设计规范》将这两项预应力损失合并考虑，其中包括混凝土收缩、徐变引起受拉区纵向预应力钢筋的预应力损失σ15、受压区纵向预应力钢筋的预应力损失σ15’。

6环形配筋对混凝土局部挤压引起的预应力损失σ16

采用螺旋式预应力钢筋作为配筋的环形构件时，由于预应力钢筋对混凝土的挤压，使环形构件的直径有所减小，预应力钢筋中的拉应力就会降低，从而引起预应力钢筋的损失。例如，直径不大于3m的圆筒形结构(如水管等)采用环形配筋时，钢筋在圆筒上作螺旋式张拉，由于混凝土受到局部挤压而产生压陷，就会引起钢筋的预应力损失。

以上六种因素造成的预应力损失，有的只发生在先张法构件中；有的只发生在后张法构件中；有的两种构件中均有，而且是分批产生的。为便于分析和计算，需要进行组合。其组合方式为：混凝土预压前发生的损失称第一批损失——σII；混凝土预压后发生的损失称第二批损失——σIII(见表1)。

表1各阶段预应力损失值组合

考虑到各项预应力的离散性，实际的损失值可能高于按表中计算的数值，因此《混凝土结构设计规范》中规定，当求得的预应力总损失量σ1小于下列数值

时，则按下列数值取用：先张法构件,100N／mm2;后张法构件,80N／mm2。

减少预应力损失的措施

1减少σ11的措施

选择锚具变形小或使预应力钢筋内缩小的锚具、夹具，并尽量少用垫板。

(2)增加台座长度。由于σ11值与台座长度成反比，对于先张法构件，当台座长度大于100m时，σ11可忽略不计。

2减少σ12的措施

对于较长的构件可在两端进行张拉，则计算预应力损失σ12时，孔道长度可按构件长度的一半进行计算；但该措施会引起σ11的增加，因此应用时需加以注意。

(2)采用超张拉，使得所建立的预拉应力更加均匀，减小预应力损失。

3减少σ13的措施

采用蒸汽养护时，必须严格按照设计图中规定的允许升高温度，才能准确控制预应力损失值。此外，还应考虑气温变化(早晚和中午温差)；对预应力钢丝(筋)应力的掺响，因此，钢丝栉)张拉后，应尽快浇灌混凝土。另外，还应注意以下两点：

采用两次升温养护。先在常温下养护，待混凝土强度达到一定强度等级，例如达C7.5～C1O时，再逐渐升温至规定的养护温度，这时可认为钢筋与混凝土已结成整体，能够一起胀缩而不致引起应力损失。

(2)钢模上张拉预应力钢筋。由于预应力钢筋是锚固在钢模上的，升温时两者温度相同，可以不考虑此项损失。

4减少σ14的措施

进行超张拉，先控制张拉应力达1.05σcon～1.1σcon ，持荷2～5min,然后卸荷再施加张拉应力至σcon。这样可以减少松弛引起的预应力损失。由于在高应力下、短时间内所产生的松弛损失，可达到在低应力下需经过较长时间才能完成的松弛数值，因此，经过超张拉，部分松弛损失也已经完成。钢筋松弛与初应力有关，当初应力小于0．7fptk时，松弛与初应力呈线性关系；初应力高于0．7fptk时，松弛显著增大。

5减少σ15和σ15’的措施

为了限制混凝土的收缩和徐变，应尽量做到以下几点：构件混凝土的级配要适当选择；搅拌混凝土时要准确控制用水量，并保证混凝土振捣密实，在张拉(或放松)预应力钢笔(筋)时，混凝土必须达到规定的强度等级(标号)，施加应力一定要准确，张拉后预应力钢丝(筋)的锚固要牢靠，等等。

6减少σ16的措施

该项预应力损失的大小与环形构件的直径d成反比，直径越小，损失越大。当d≥3m时，可忽略该项预应力损失，因此应尽量采用直径大于3m的环形构件。

三、结语

预应力损失的研究是一项十分复杂的工作,涉及面相当广泛,施工过程中的影响因素很多且复杂,不可能完全分析清楚。影响桥梁预应力损失的因素是多方面的,温度的变化、混凝土的收缩、徐变等都会对预应力损失产生深远的影响,所以在今后桥梁设计、施工控制中预应力损失的研究要重点把这些因素的影响分析清楚。

参考文献：

[1]丁学文编.混凝土工与混凝土制品工.中国建筑工业出版社,2008.01.

[2]徐岳.预应力混凝土连续梁桥设计[M] .北京:人民交通出版社,2000.

[3]于庆荣.混凝土结构.中国建筑工业出版社,2006.06.

[4]JTG/T F50-2011 公路桥涵施工技术规范