鮑振興

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

體外預(yù)應(yīng)力概念的提出是考慮了其結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)內(nèi)部有粘結(jié)或無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的不同，都是布置在構(gòu)件的外側(cè)，它也是后張法預(yù)應(yīng)力體系的一個(gè)重要組成部分。其結(jié)構(gòu)形式的概念和方法是由法國(guó)人Eugene Freyssinet首次提出，但是工程中進(jìn)行大量的推廣，則源于20世紀(jì)70年代末［1，2］。

在國(guó)外，較早的對(duì)體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)進(jìn)行了研究，并應(yīng)用于實(shí)際，已有較多的理論成果和應(yīng)用實(shí)例;而在國(guó)內(nèi)，由于起步相對(duì)較晚，有關(guān)的研究工作也相對(duì)比較少。

1 體外預(yù)應(yīng)力加固法的優(yōu)缺點(diǎn)［2，3］

體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):

1)體外預(yù)應(yīng)力加固法對(duì)原結(jié)構(gòu)起卸荷作用，改變?cè)Y(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布;

2)預(yù)應(yīng)力筋的布置線形多為折線，摩擦損失較小;

3)預(yù)應(yīng)力筋大多采用連續(xù)跨布置，這就從一方面加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性;

4)體外預(yù)應(yīng)力加固法對(duì)結(jié)構(gòu)的使用凈高影響不大;

5)預(yù)應(yīng)力束自重較小，減小了原結(jié)構(gòu)的荷載增量。

然而，體外預(yù)應(yīng)力加固法也有其不足之處，主要有:

1)體外預(yù)應(yīng)力束缺少混凝土的保護(hù)，容易遭受火災(zāi)的影響;

2)需要控制預(yù)應(yīng)力束的自由段長(zhǎng)度以減少振動(dòng)效應(yīng)的影響;

3)對(duì)錨具的要求很高，錨固失效會(huì)使預(yù)應(yīng)力作用喪失;

4)由于縱橫向力很大，轉(zhuǎn)向塊和錨固裝置特別笨重;

5)在極限狀態(tài)下，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)可能因延性不足而產(chǎn)生沒(méi)有預(yù)兆的失效。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力的承載力能力，正截面的極限承載力是國(guó)內(nèi)外的主要研究?jī)?nèi)容。而相關(guān)的較系統(tǒng)性的理論研究，國(guó)外要多于國(guó)內(nèi)。

現(xiàn)主要從以下幾個(gè)方面闡述國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。

2.1 承載能力及應(yīng)力增量計(jì)算

體外預(yù)應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力筋和混凝土構(gòu)件之間并非是協(xié)調(diào)工作的，這與有粘結(jié)及無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力之間存在本質(zhì)上的差別，由于其不協(xié)調(diào)性，通過(guò)單個(gè)截面的應(yīng)變是不能確定體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量，而應(yīng)考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形。在計(jì)算體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁的承載能力時(shí)，體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量是其中的一個(gè)重要指標(biāo)。在探討體外預(yù)應(yīng)力應(yīng)力增量問(wèn)題時(shí)，參考了體內(nèi)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的研究結(jié)果，這是考慮到在應(yīng)力增量問(wèn)題上體外預(yù)應(yīng)力和體內(nèi)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力具有一定的相似性。

1969年，Panell［4］提出了基于塑性鉸理論的計(jì)算方法，核心為:通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定等效塑性區(qū)的長(zhǎng)度，并且假定在該長(zhǎng)度內(nèi)相同位置處的無(wú)粘結(jié)筋和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變相同。

加拿大A23.3-1994規(guī)范［5］采用的就是基于塑性鉸理論提出的計(jì)算公式。

1994年，Baker［6］首次運(yùn)用各種粘結(jié)系數(shù)法，將彎矩值最大的截面處的混凝土應(yīng)變乘以一定的折減系數(shù)來(lái)得到無(wú)粘結(jié)筋的應(yīng)變，他建議折減系數(shù)可以取0.1。

美國(guó)AASHTO(1994)橋梁規(guī)范［7］正是采納了這一建議得到了體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量。

1992年，為在我國(guó)推廣體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，鐵道部科學(xué)研究院［8］做了一系列的體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁試驗(yàn)。在根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，以及一些合理簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，提出了體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁在極限狀態(tài)下承載能力的計(jì)算方法，為進(jìn)一步研究提供了理論分析依據(jù)。

我國(guó)JGJ 92-2004無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［9］規(guī)定的無(wú)粘結(jié)筋在承載力極限狀態(tài)下的應(yīng)力增量公式是根據(jù)綜合配筋指標(biāo)得出的。

自20世紀(jì)90年代初起，李延和、陳貴［10］為推廣體外預(yù)應(yīng)力加固法，進(jìn)行了大量相關(guān)性的試驗(yàn)，在對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果、理論研究及其他學(xué)者的研究成果的基礎(chǔ)上，提出了體外預(yù)應(yīng)力加固法的計(jì)算方法。

1998年，Virlogeux［11］對(duì)體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量的非線性變化做了相關(guān)研究，并提出了其計(jì)算方法。他的主體思路是將轉(zhuǎn)向塊間的體外預(yù)應(yīng)力筋等效為桿件，該桿件兩端的位移各由兩個(gè)平動(dòng)分量和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)分量組成，力筋和混凝土梁之間為一段剛臂連接。通過(guò)各位移分量的變化及剛臂的長(zhǎng)度就可以得出兩點(diǎn)間的變形，從而得到應(yīng)力增量。

2000年，牛斌［12］以塑性鉸理論為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮體外預(yù)應(yīng)力筋的二次效應(yīng)問(wèn)題，并參考普通混凝土梁抗彎承載力的計(jì)算方法，提出了極限狀態(tài)下的體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗彎承載能力的計(jì)算方法。該方法的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，工作量少，但是僅適用于對(duì)稱荷載作用下簡(jiǎn)支梁的情況，無(wú)法進(jìn)一步推廣。

2.2 預(yù)應(yīng)力摩擦損失計(jì)算

目前對(duì)體外預(yù)應(yīng)力摩擦損失的針對(duì)性研究較少，而大部分采用的計(jì)算方法是參考體內(nèi)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究得來(lái)的。但是，體外預(yù)應(yīng)力筋有其自身特點(diǎn)，最顯著的就是與梁體截面的應(yīng)變不協(xié)調(diào)，只在錨固端和轉(zhuǎn)向塊處與梁體有直接接觸，與其他的預(yù)應(yīng)力體系有很大的區(qū)別。因此，對(duì)體外預(yù)應(yīng)力損失開(kāi)展針對(duì)性的試驗(yàn)和理論分析是十分必要的。

對(duì)于預(yù)應(yīng)力摩擦損失，在現(xiàn)行規(guī)范中都是利用經(jīng)典Coulomb摩擦理論推導(dǎo)的公式。

將我國(guó)的《無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［9］《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［13］中對(duì)摩擦損失影響的規(guī)定與美國(guó)ACI 318M-05規(guī)范［14］做對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)我國(guó)規(guī)范與美國(guó)ACI規(guī)范對(duì)于摩擦損失σl2的精確計(jì)算公式是一致的，但是特殊情況下的近似計(jì)算公式有一定的差別。

由于體外預(yù)應(yīng)力與體內(nèi)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力不同，沒(méi)有預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁的摩擦，故將上述公式應(yīng)用于體外預(yù)應(yīng)力時(shí)，取κ=0。即體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中單個(gè)轉(zhuǎn)向塊的摩擦損失為:

其中，θ為力筋軸心線間的空間夾角，近似計(jì)算可采用力筋在各坐標(biāo)平面上的投影夾角θx，θz疊加得到。對(duì)于如何疊加，陳曉寶［15］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，不同的疊加方式得到的損失值也不同，他建議采用:

1997年，熊學(xué)玉等［16］通過(guò)對(duì)各國(guó)規(guī)范的比較、分析和研究，提出了預(yù)應(yīng)力筋摩擦損失計(jì)算的一系列建議。

2006年，陳月順等［17］引入非線性摩擦的概念，在剖析了現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失模型的不足及分析了預(yù)應(yīng)力損失作用機(jī)理的前提下，建立了預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算的非線性摩擦模型，自編程序進(jìn)行計(jì)算，并與某斜拉橋預(yù)應(yīng)力索塔預(yù)應(yīng)力張拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)做比較，能較好地預(yù)測(cè)預(yù)應(yīng)力筋張拉過(guò)程中的摩擦損失。

3 應(yīng)用實(shí)例

加固應(yīng)用實(shí)例見(jiàn)表1。

表1 體外預(yù)應(yīng)力加固應(yīng)用實(shí)例

4 現(xiàn)有研究的不足及發(fā)展方向

1)體外預(yù)應(yīng)力和其他預(yù)應(yīng)力之間存在著本質(zhì)的區(qū)別，即體外預(yù)應(yīng)力筋和混凝土構(gòu)件之間并非是協(xié)調(diào)工作的。但是，目前各國(guó)采用的預(yù)應(yīng)力增量的經(jīng)驗(yàn)公式，大多都是利用體內(nèi)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的應(yīng)力計(jì)算方法來(lái)代替體外預(yù)應(yīng)力應(yīng)力增量公式，根據(jù)相關(guān)研究，依據(jù)這樣的公式計(jì)算得到的極限應(yīng)力與試驗(yàn)結(jié)果出入較大，計(jì)算結(jié)果并不是很可靠，所以有必要對(duì)體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)一步開(kāi)展研究工作。

2)體外預(yù)應(yīng)力和其他預(yù)應(yīng)力形式之間的差別，例如構(gòu)造形式、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工工藝等使其計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失的方法也有所不同，需要進(jìn)一步的針對(duì)研究。

3)對(duì)于無(wú)粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償?shù)拇胧F(xiàn)在一般采用超張拉或二次張拉的方法。但是，對(duì)于超張拉的張拉控制應(yīng)力，二次張拉時(shí)再次產(chǎn)生的摩擦損失以及二次張拉量的取值都沒(méi)有進(jìn)行足夠的理論與試驗(yàn)研究。

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