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谈预应力混凝土梁板的拱度控制
不管是先张法施工的预应力混凝土结构，还是后张法施工的预应力混凝土结构，都会向上起拱。本文谈谈预应力混凝土梁板的拱度控制。
摘要： 预应力混凝土结构已被逐渐广泛地应用于工程中，而预压力所产生的拱度正好可以抵消荷载作用下梁板所产生的挠度，显然这对结构是有利的。然而如果拱度过大，对于桥梁工程来说，造成公路桥梁路面不平顺，导致行车不顺畅，产生负面效果。因此，如何控制好结构的拱度也是一个亟待解决的问题。文章主要从拱度的成因、结构的材料等几个方面来谈谈对结构拱度的控制。
关键词： 预应力混凝土;拱度;挠度;预应力损失
0引言
预应力混凝土结构会在施工和使用过程中产生拱度，正确认识梁上拱度形成的原因和影响因素及拱度过大对结构(主要是桥梁结构)工程所造成的不利影响，从而采取一些措施在构件制作阶段设置反方向的拱度来控制梁上的拱度是很重要的一个问题。
1结构产生拱度的成因
不管是先张法施工的预应力混凝土结构，还是后张法施工的预应力混凝土结构，都会向上起拱。先张法是先张拉预应力钢筋，后浇筑混凝土的施工方法，具体做法是：在台座或钢模上张拉预应力钢筋，待预应力钢筋拉伸到预定的张拉控制应力后，将预应力钢筋用锚具固定在台座或钢模上，支模、(绑扎非预应力钢筋)、浇筑混凝土，当混凝土达到设计强度的75%以上后，切断或放松预应力钢筋，预应力钢筋在回缩时挤压混凝土，使混凝土获得应力。而后张法是指先浇筑混凝土，后张拉钢筋的施工方法，具体做法是：先浇筑好混凝土构件，并在构件中预留孔道，待混凝土达到设计强度的75%以上后，将预应力钢筋穿入预留的预应力孔道，利用构件本身作为受力台座进行张拉，在张拉预应力钢筋的同时，使混凝土受到预压，张拉完成以后，在张拉端用锚具将预应力钢筋锚固，最后在孔道内灌浆，保护预应力钢筋，并使预应力钢筋和混凝土形成一个整体共同承受荷载。(如图1)
一般情况下，考虑梁的拱度分两部分来研究，一部分是梁体自重以及梁上荷载产生的挠度，另一部分是由于预压应力使梁产生的向上的拱度，由于受拉钢筋配置在构件的下部，这一部分的分析可以把构件看作是一个水平的偏心受压构件(见图2)，从工程力学的角度来讲这种压缩变形的结果会使梁体形成一个向上的拱度，两者相互作用的效果必然会使梁形成一个向上或者向下的拱度。
2结构产生拱度的利弊
结构承受着多种形式的荷载，包括自重、附属设施的重力、可变荷载、预应力等，其中永久荷载是一直存在的，而可变荷载只是临时存在，这一部分荷载产生的挠度大小逐渐变化，在最不利荷载作用下挠度达到最大值，一旦这些荷载消失，挠度就将减小很多。
为了保证结构在永久荷载和可变荷载的共同作用下，既不发生向上弯曲的变形也不发生向下弯曲的变形，这就要求在结构制作的过程中做好预拱度的控制，预拱度的大小与荷载作用下构件的挠度大小相当，方向相反。
构件上拱度过大会发生一系列的问题：提高或者降低了结构的标高，对于桥梁结构，就需要改变墩台顶面的标高，从而改变了原有的设计参数，对施工不利;上拱度会改变桥面铺装层的厚度以及均匀性，也就是说，跨中部分变薄梁端处变厚，造成某些部位恒荷载过大并且浪费材料;影响构件的预制和安装;过大的拱度在一定程度上影响着行车的顺畅性和桥梁的美观性。当然如果能做到上拱度正好抵消荷载作用下的挠度，也就是说预应力产生的弯矩抵消消压弯矩，这样就既提高了构件的承载力，又解决了以上诸多问题。
消压弯矩m0，是使构件控制截面受拉区边缘混凝土的预压应力抵消至零的弯矩，可以取消压弯矩m0=σpc·w0，其中，σpc为由预应力产生的混凝土法向预应力，w0为换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩。
3如何控制结构的拱度
要控制好结构的拱度必须从两方面着手，一是做好对材料的控制，包括钢筋、混凝土、灌浆材料，二是尽量减少结构在施工和使用过程中的预应力损失。
3.1 对钢筋的要求预应力钢筋中有效预应力的大小主要取决于预应力钢筋张拉控制应力的大小。但是考虑到预应力结构在施工过程中或者使用过程中可能会出现的各种预应力的损失，要想建立较高的有效预应力必须采用高强度的钢筋。
预应力结构的发展史也说明了这个事实。有资料显示，早在19世纪中后期，就在混凝土梁中建立了关于预应力的试验研究，试验表明，由于采用的是低强度的普通钢筋，加之各种预应力的损失以及混凝土的收缩、徐变等诸多方面的原因，预应力随着时间的延长而丧失。
高强度钢筋也有它的缺点，一般高强度钢筋的塑性较弱，而预应力钢筋多数情况下需要弯曲和转折，在锚具和夹具中还要承受较高的局部应力，要想预应力结构满足延性破坏和结构内应力重分布的要求，因此并不是所有的高强度钢筋都可以作为预应力钢筋，我们必须选择具有足够塑性性能、能满足一定的拉断延伸率和弯折次数的高强度钢筋，同时良好的焊接性能、(与混凝土之间)可靠的粘结性能等都是保证钢筋加工质量的重要条件。例如选用热轧hpb235、hrb335、hrb400、kl400钢筋。
3.2 对混凝土的要求预应力混凝土要求采用与高强度钢筋相匹配的高强混凝土，这样才能充分发挥钢筋和混凝土的强度，从而有效地减小结构自重和截面尺寸，满足适应预应力结构大跨径的要求。同时，混凝土的弹性模量也是随着其强度的增加而增大的，这样高强度的混凝土就会发生更小的弹性变形和塑性变形，这样也可以相应地减小预应力的损失。此外，高强度混凝土也具备早期强度比较高的特点，这样便于后张法施工中早日施加预应力，先张法中也早日达到放张条件，从而提高构件的生产效率和施工设备的利用率。
预应力混凝土要求采用收缩、徐变都较小的混凝土，这样一方面可以较好地控制结构的收缩和徐变变形，另一方面也可以减小由于混凝土收缩和徐变所产生的预应力损失。例如预应力混凝土构件不应采用低于c40的混凝土。
3.3 对灌浆材料的要求在先张法施工的预应力构件中，钢筋和混凝土之间应具有可靠的粘结力，以保证钢筋的预应力可靠地传至混凝土，选用钢筋时选刻痕钢丝或以钢丝为母材扭绞的钢纹线即可。
而在后张法施工的预应力构件中，预应力钢筋与孔道中后灌水泥浆之间应有一定的粘结强度以使预应力钢筋与周围的混凝土形成一个整体共同承受荷载，这样同时也能防止预应力钢筋的锈蚀，为此，需在预应力钢筋张拉完毕之后向孔道内压注水泥浆。孔道内压注的水泥浆的质量也有较严格的要求，要求密实均匀、流动性和抗冻性好、硬化快以及较高的抗压强度和粘结强度，以70mm?鄢70mm?鄢70mm立方体试块在标准条件下养护28天的强度不低于构件混凝土强度等级的80%，并且不低于30mpa为宜。
3.4 减少预应力的损失预应力结构中预应力钢筋的应力大小一直在变化，在构件的施工和使用的过程中，由于各方面的原因，预应力钢筋中的应力一直在降低，这种降低就是预应力损失。
因此，预应力结构中的有效预应力应扣除预应力损失的部分，即σpe=σcon-σl，预应力钢筋的张拉控制应力不能定得过高，也不能定得过低。《公路桥规》规定，对于预应力钢丝、钢绞线，σcon?燮0.75fpk，对于精轧螺纹钢筋，σcon?燮0.90fpk，其中，fpk为预应力钢筋抗拉强度标准值。
预应力构件中引起预应力损失的原因比较多，一般考虑以下几种因素引起的预应力损失：预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦;锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩;预应力钢筋与台座之间的温差;混凝土的弹性压缩;预应力钢筋的应力松驰;混凝土的收缩和徐变;预应力钢筋与锚圈口之间的摩擦;台座的弹性变形等。
采取一定的措施来减少这些预应力的损失是很有必要的，主要有：①采用两端张拉，这样构件拱曲线的切线夹角及计算长度值就会减少一半;②采用超张拉，当控制应力达到最大的时候，传到跨中截面的预应力也最大，但是张拉端回到控制应力后，钢筋和混凝土之间受到反向摩擦力的影响，这个回缩的应力并没有传到跨中截面，而是仍然保持着比较大的应力;③选用变形量较小的锚具并且尽可能较少地使用锚垫板，因为锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩都会引起预应力的损失;④采用分阶段的养护措施，或者让台座与构件共同受热，这样可以减少由钢筋与台座之间的温差引起的预应力损失;⑤为减少因混凝土收缩和徐变引起的变形，采用一般硅酸盐水泥，控制每立方混凝土中的水泥用量及混凝土的水灰比，延长混凝土的受力时间(控制混凝土的加载龄期)。
4结语
预应力混凝土梁板的拱度直接影响着公路桥梁路面的平顺性，影响着行车安全，控制好梁板的拱度也是势在必行的举措。当然，影响预应力混凝土梁板拱度的因素还有很多，例如地基不均匀沉降对拱度的影响，控制好梁板的拱度具有十分重要的意义。
参考文献：
[1]李辉主编.市政工程力学与结构[m].中国建筑工业出版社，2007年8月出版.
[2]伍志平.预应力混凝土梁施工预拱度设计[j].城市道路与防洪，2010年2月第2期.
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