非连续弯曲孔道摩阻预应力损失研究.docx

? ? 非连续弯曲孔道摩阻预应力损失研究 ? ? 张开银 王 湃 张 斌 (武汉理工大学船海与能源动力工程 武汉 430063) 0 引 言 对于大跨径预应力混凝土桥梁，主跨跨中下挠过大是其主要病害，致病因素较多且作用机理也相对复杂.近些年学术界认为混凝土的收缩徐变、预应力损失过大和施工质量不达标是造成病害的主要因素[1].因此，预应力钢束的有效预应力是否达到设计标准关乎到桥梁结构的安全运营和正常使用寿命.在现行公路桥涵设计规范中，桥梁结构预应力损失主要原因概括为六项，即管道弯曲摩阻、管道偏差摩阻、张拉锚具变形、混凝土材料弹性压缩、预应力钢筋松弛与混凝土梁体徐变，其中大多数已通过理论分析或试验研究得到了较好的解决[2-3].然而，对总预应力损失占比较大的管道弯曲摩阻预应力损失计算方法一直没有定论，部分学者认为现行桥梁规范中对于管道摩擦系数μ和管道偏差系数k的取值偏小[4].但在实际工程中，仅仅通过选取较大的系数值依旧无法有效的控制预应力损失，往往需要现场实测数据作为参考，费工费时[5].因此，有学者对现行桥规中关于摩擦阻力中接触应力的分布方式提出质疑，文献[6-7]运用CT扫描技术和ANSYS有限元建模得出弯曲孔道的接触应力分布与桥规中假设的均匀分布大相径庭，实际分布规律为弯曲管道中间处应力大，边缘应力小，与弹性接触理论应力分布趋势相同.一系列研究成果表明：现行桥规公式中对弯曲孔道的预应力损失计算方法并不合理，在实际工程应用中也有较大偏差，导致预应力设计的准确度不高，进而引发桥梁的病害问题，需要进行更加深入的研究. 针对上述问题，本文以非连续弯曲孔道为主要研究对象，分析现行桥规公式中对于非连续弯曲孔道的摩阻损失的线性叠加性，发现其与实际验证结果并不相符，以此对桥规公式提出质疑.采用弹性接触理论，对摩擦阻力的接触应力分布状况提出新的假设，弯曲管道中间处应力最大，边缘应力为0，并采用二次曲线进行模拟，推导出修正后的摩阻计算公式.通过模拟计算，验证了修正后公式对非连续弯曲孔道摩阻计算的适用性.在实桥预应力张拉实验中，修正后公式的计算结果也优于现行桥规结果，表明修正后公式的准确性. 1 非连续弯曲孔道摩擦阻力损失 预应力钢筋与管道壁之间摩擦引起的预应力损失可以分为钢筋偏差预应力损失和孔道弯曲预应力损失两部分.钢筋偏差预应力损失是钢筋相对孔道产生的局部偏差导致在张拉时与孔道之间有相对滑动形成的摩擦力造成的，孔道弯曲预应力损失是由于预应力筋穿过弯曲孔道时对孔道内壁产生的径向压力带来的摩擦力造成的. 现行桥梁规范中预应力钢筋与管道壁之间的摩擦预应力损失为 σ=σcon[1-e(μθ+kx)] 式中：σcon为预应力钢筋铀下的张拉控制应力值，MPa；μ为预应力钢筋与管道壁的摩擦系数；θ为从张拉端至计算截面曲线管道部分切线的夹角之和，rad；k为管道每米局部偏差对摩擦的影响系数；x为从张拉端至计算截面的管道长度，可近似地取该段管道在构件纵轴上的投影长度，m. 需要注意的是，现行公式成立需要满足以下假设：①混凝土被视为刚性材料，即在弯曲孔道处预应力筋对孔道内壁的挤压并不会使混凝土产生变形；②只考虑接触物体之间的静力平衡建立弯曲管道与预应力钢束间接触正应力的分布关系，导出接触应力p=T/R，呈现均匀分布. 由式(1)中有效预应力σ(θ,x)与弯曲孔道夹角θ和管道长度x为指数关系可知，对与非连续弯曲孔道的夹角θ1,θ2,…,θn，所产生的预应力损失可以线性叠加.图1的夹角为θ1,θ2,θ3的非连续弯曲孔道和夹角为θ(θ=θ1+θ2+θ3)的连续弯曲孔道为例，A端为钢筋张拉端，若仅考虑孔道弯曲造成的预应力损失，可得： σA=σcon σB=σAe-μθ1=σcone-μθ1 σC=σBe-μθ2=σAe-μθ1e-μθ2=σcone-μ(θ1+θ2) σD=σcone-μ(θ1+θ2+θ3)=σcone-μθ 图1 连续弯曲孔道和非连续弯曲孔道示意图 由式(2)可知，对于同等角度的非连续弯曲孔道和连续弯曲孔道在规范公式下的有效预应力是相等的.但此理论推导的结果却与实际工况中的测试结果并不相符，文献[8]中进行了在多种夹角的工况下，夹角相同的连续弯曲孔道和非连续弯曲孔道的摩阻预应力损失研究，结果表明后者的预应力损失较小.从实验结果看，非连续弯曲孔道预应力损失并不具备式(2)中夹角的可线性叠加性，从而对规范公式的合理性提出质疑. 2 弯曲孔道接触应力分布 2.1 接触应力分布机理分析 由非连续弯曲孔道摩阻预应力损失分析，可以认为仅仅利用了受力物体间的静力平衡关系而没有考虑弯曲孔道挤压所产生的弹性变形，得出预应力筋与孔道内壁的接触应力呈均匀分布并不合理.当把预应力筋和孔道内壁之间视为弹性体接触时，发生变形为弹性变形，接触应力的大小与物体接触面曲率半径