预应力混凝土结构预应力筋有效应力研究初探
预应力混凝土结构预应力筋有效应力研究初探
摘要：本文利用大型有限元软件ANSYS对后张无粘结预应力混凝土结构因结构总层数不同而对同一位置处预应力筋有效应力的影响进行了研究，得到一些重要结论，为预应力混凝土结构的张拉施工提供了重要理论依据。
关键词：预应力； 等值线； 轴向应力
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
中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：
预应力筋的张拉是预应力施工中的关键环节,预应力筋的张拉涉及到预应力筋的张拉顺序、预应力筋伸长值、预应力的锚固损失、孔道摩擦损失、应力松弛损失、混凝土弹性压缩损失、混凝土收缩徐变损失以及温度影响，是一个复杂的非线性的力的传递、分配过程。预应力筋张拉力的大小，直接影响到预应力的效果。张拉力越高，建立的预应力值越大，构件的抗裂性也越好，但预应力筋在使用过程中经常处于过高应力状态下，构件出现裂缝的荷载与破坏荷载接近，往往在破坏前无明显警告，这是危险的。另外，如果张拉力过大，造成构件反拱过大或预拉区出现裂缝，也是不利的。反之，张拉阶段预应力损失越大，建立的预应力值越低，构件可能过早出现裂缝，也是不安全的。
预应力张拉精度是决定预应力结构安全与正常运营的首要条件，一旦预应力张拉精度失控，轻则会引起结构出现锚固端的纵向裂纹、反拱过大，重则会引起结构出现横向裂缝、预应力筋拉断等事故，因预应力张拉精度失控而造成预应力结构失效、破坏及生命财产巨大损失的事故时有发生。
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一、研究内容及数值计算
本文以结构总层数分别为一层、二层及三层的单跨预应力混凝土结构为例，对一层顶梁均采用直线预应力筋布置，并采取相同的张拉力，忽略环境温度变化的影响，对因结构总层数不同而对一层顶预应力混凝土梁中预应力筋有效应力的影响进行了研究。
本文预应力砼梁横截面尺寸均为400mm×800mm，长11.15m，预应力筋采
用工程上常用的φ15的钢绞线，张拉控制力为150KN，预应力钢绞线距预应力砼梁底72.5mm，结构跨度为10.32m，底层层高为4.2m，第二、三层层高均为
3.6m。
计算结果采用应力等值线图表示，应力等值线图给出了预应力钢绞线张拉锚固后的应力沿预应力筋纵、横两个方向的分布情况。
（一）结构层数为一层，且一层顶梁采用无粘结预应力时的数值计算
在预应力钢绞线左端建立预拉单元，并在预拉单元上施加150KN的预拉力来模拟单根预应力砼梁左端张拉并锚固的工作状态。预应力钢绞线与孔道的上下边缘采用两对重合的线，以模拟预应力钢绞线与孔道间无粘结零距离接触。将梁两端预应力筋孔道上、下边缘的节点进行y方向位移耦合，此外，为模拟钢绞线的锚固状态，在预应力砼梁两端将钢绞线的上、下边缘与对应孔道的上、下边缘分别进行x、y方向位移耦合。左柱截面为850mm×850mm，右柱截面为800mm×800mm，柱子的高度为4.2m。柱子底端边界条件为固端。建立有限元计算模型见图1，钢绞线轴向应力sx的等值线见图2。
图1 有限元计算模型图2 钢绞线应力sx的等值线
（二）结构层数为二层，且一层顶梁采用无粘结预应力时的数值计算
两层预应力混凝土结构中预应力混凝土梁与柱有限元计算模型的建立方法同一层预应力混凝土结构，不同之处是二层的柱高为3.6m。有限元计算模型见图3，钢绞线轴向应力sx的等值线见图4。
图4 钢绞线应力sx的等值线图3有限元计算模型
对比分析图2与图4，得：忽略环境温度变化的影响，对结构总层数为一层和二层的预应力混凝土结构底层预应力混凝土梁施加相同的张拉控制力并锚固后，结构总层数为二层的预应力混凝土结构底层梁钢绞线应力与结构总层数为一层的预应力混凝土结构顶层梁钢绞线应力相比，预应力钢绞线的应力sx的分布规律无明显变化，但预应力钢绞线应力sx的最大值将增大约（0.129-0.118）/0.118×100%=9.3%。
（三）结构层数为三层，且一层顶梁采用无粘结预应力时的数值计算
三层预应力混凝土结构中，底层预应力混凝土梁、柱有限元模型建立方法同二层预应力混凝土结构，第三层柱的高度为3.6m。有限元计算模型见图5。钢绞线轴向应力sx的等值线见图6。
图6 钢绞线应力sx的等值线 图5 有限元计算模型
对比图2与图6，得：忽略环境温度变化的影响时，在相同的张拉控制力下，结构总层数为三层的预应力砼结构底层梁钢绞线的有效预应力与结构总层数为一层的结构顶层梁钢绞线有效预应力相比，预应力钢绞线应力sx的分布规律无明显变化，但预应力钢铰线应力sx的最大值增大约9.3%。
对比图4与图6，忽略环境温度变化的影响时，在相同的张拉控制力下，结构总层数为三层与结构总层数为二层的预应力结构底层梁钢绞线的有效预应力sx基本相同。
二、结束语
梁、柱截面尺寸及混凝土强度均相同而结构总层数不同的预应力混凝土结构，忽略环境温度变化的影响时，对同一位置的梁采用相同的预应力筋布置，且采用相同的张拉控制力进行张拉锚固，因预应力混凝土梁周边结构对该梁的约束程度不同，而在该预应力混凝土梁钢绞线中建立的有效预应力值差别较大，甚至达9%以上。
参考文献：
[1]杜拱辰，现代预应力混凝土结构.北京：中国建筑工业出版社,1988.
[2]杜拱辰，预应力工程实例应用手册.北京：中国建材工业出版社，1996.
[3]Lin T. Y., Burns N. H., Design of Prestressed Concrete Structure, 3rd Ed.. New York: John Wiley & Sons, 1981.
[4]华东预应力中心编，无粘结预应力混凝土的设计与施工.北京：光明日报出版社，1989.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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