体外预应力混凝土结构设计若干问题的探讨郑毅敏(同济大学建筑设计研究院　上海　200092)　熊学玉　耿耀明(同济大学预应力研究所　上海　200092)

摘　要:对体外预应力混凝土结构优缺点和设计中若干问题进行了探讨,对体外预应力混凝土结构

设计中张拉控制应力、预应力筋的线型、摩擦损失和锚固损失计算、应力增量、正截面设计和锚具及转向块等问题提出了相关的建议。 关键词:体外预应力　预应力混凝土结构　体外预应力混凝土结构设计

STUDYOFSOMEPROBLEMSOFEXTERNAL-PRESTRESSEDCONCRETESTRUCTUREDESIGN

ZhengYimin(ArchitecturalDesign&ResearchofTongjiUniversity　Shanghai　200092)

XiongXueyu　GengYaoming(PrestressResearchInstituteofTongjiUniversity　Shanghai　200092)

Abstract:Onthebasisofstudyingthemeritsanddemeritsandsomedesignproblemsofexternal-prestressed

concretestructure,somecorrelatedsuggestionsareproposedincludingthelimitationofthecontrolprestress,theline-shapeofaprestressingtendon,thecalculationsofthefrictionandanchoragelossesandthestressincrement,thedesignmethodofanormalsectionconsideringasecondarymoment,theselectionofananchoranddeviator,andsoon.Keywords:external-prestress　prestressedconcretestructure　external-prestressedconcretestructuredesign

第一作者:郑毅敏　男　1957年6月出生　高级工程师收稿日期:1999-12-28

体外预应力是后张预应力体系的重要分支之一。国际预应力协会(FIP)于1996年将体外预应力定义为预应力筋布置于混凝土截面之外的预应力。其力学原理与无粘结预应力是基本相同的,两者的区别主要在于体外预应力钢筋与结构一般不直接接触而是通过锚具和转向块作用于结构上,因此一般的布筋形式均为折线型或直线型。体外预应力的概念早在20世纪20年代末已逐步形成并应用于工程实践。早期的体外预应力主要应用于桥梁工程,但由于存在耐腐蚀性能、转向块等节点构造设计困难的缺陷,使其在工程中的应用受到限制。20世纪60年代末期以来,随着无粘结预应力技术的产生和发展,解决了体外预应力筋的防腐问题,也使设计理论得到进一步完善。本文将在分析体外预应力混凝土结构的基本特性及研究体外预应力设计中的部分关键问题后,针对体外预应力混凝土结构的设计提出了相关的建议。

1　体外预应力混凝土结构的优缺点体外预应力混凝土结构具有如下特点:(1)因截面中只有体外预应力筋,截面的尺寸相应减小,尤其是腹板,从而减小了恒载;(2)体外预应力筋套管的布置、调整容易,并简化了所有的后张法的操作,从而大大缩短了施工时间;(3)体外预应力筋布置在混凝土截面

24 IndustrialConstruction2000,Vol.30,No.5工业建筑　2000年第30卷第5期的外侧,在使用期间容易检查和更换;(4)体外预应力筋仅在锚固区和转向块处与结构相连,摩阻损失明显减小,提高了预应力的效益;(5)由于体外预应力筋设在聚乙烯管当中,故能最好地防锈并易于检查质量。然而,体外预应力混凝土结构亦有其自身的缺陷,这正是我们改善其结构性能的关键,主要的缺点有:(1)体外预应力筋易遭火灾,并因为承受着振动要限制其自由长度;(2)转向块和锚固区因承受着巨大的纵、横向力而特别笨重;(3)对于体外预应力筋,锚头失效则意味着预应力的丧失,所以锚头应严防被腐蚀;(4)极限状态下体外预应力筋的抗弯能力小于体内有粘结筋,在开裂荷载和极限荷载的作用下,应力不能仅按最不利截面来估算;(5)体外预应力结构在极限状态下可能因延性不足而产生没有预兆的失效。2　体外预应力混凝土结构设计的若干问题2.1　张拉控制应力的限制由于体外预应力筋在极限受力情况下的应力增量一般较普通无粘结预应力筋应力增量小,为充分发挥预应力筋的强度,因此张拉控制应力σcon不宜定得过低。但由于体外预应力是利用转向块改变预应力筋的方向和偏心距,在转向块与预应力筋的接触区域,由于横向挤压力的作用和预应力筋弯曲后产生的内应力,预应力筋将产生强度下降。对于这个问题,国外的一些规范对预应力筋弯折处曲率半径和转角做了一些限制。CEB-FIP标准要求弯折点转向不得小于15°,且曲率半径Rtond应满足:Rtond>aΥnN/n(1)式中　a———系数,对光滑接触面a=20;Υn———钢绞线或钢丝公称直径;N———同一束预应力钢绞线或钢丝的根数;n———传递径向分力的预应力筋钢绞线或钢丝的根数。如果不满足以上的条件,应按CEB-FIP标准要求试验确定预应力筋的强度。2.2　体外预应力筋的线型布置由于预加力可以认为是对混凝土构件施加的外荷载,因此,在实际工程中可以根据不同的使用荷载和结构内力,选用不同的布筋形式,使预加力对构件施加的作用力与外荷载方向相反,以平衡外荷载。一般对于受均布荷载或较均匀分布的集中荷载的梁,可采用二折点的布筋形式;对于受较大的集中荷载的梁,预应力筋宜在集中荷载位置折弯,采用单折点的布筋形式,以期在弯折点产生较大的反向作用力;另外,还可利用直线型布筋,利用偏心距在梁两端产生预加弯矩和轴力。预应力筋的锚固点宜位于梁端的顶面,二折点筋的折弯点宜位于距梁端1/4～1/3跨度的范围内,以期产生较大的反向弯矩和剪力,同时预应力筋的弯折角度也不至于太大。2.3　摩擦损失和锚固损失计算体外预应力结构的预应力损失的计算方法与无粘结预应力结构大体上一致,可以参照我国的《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89)及《无粘结预应力混凝土结构技术规程》(JGJ/T92-93)中的规定进行计算,其中体外预应力筋一般布置为折线或直线,其锚固损失和摩擦损失可以进一步简化。(1)弯折点摩擦损失σl2的计算

体外预应力一般不存在孔道偏差,因此κ=0,弯折点摩擦损失:σl2=σcon(1-e-μθ)(2) 摩擦系数μ可按规范取用。由于弯折点的转向块受较大的局部压应力,局部变形较大,可能会增大摩擦系数。如有条件,最好采用实际测试结果作为设计依据。(2)锚固损失σl1的计算

不论是直线还是折线的预应力筋,其锚固损失均可以按照直线的情况来计算,即:

σl1=alEp(3)

2.4　体外预应力筋的应力增量25体外预应力混凝土结构设计若干问题的探讨———郑毅敏等体外预应力筋和混凝土梁之间力的传递是通过转向块和端部锚具进行的。由于预应力筋是无粘结的,体外预应力筋的应力增量比有粘结预应力结构要小。而要得到结构的准确的极限承载力,就有必要准确地知道体外预应力筋的极限应力,它可以用以下公式表达:σps=σpe+Δσps(4)式中　σpe———扣除各种预应力损失后体外预应力筋的有效预应力;Δσps———体外预应力筋在极限状态下的应力增量。由于体外预应力筋和混凝土的应变在任一截面上都不存在变形协调性,因此在计算体外预应力筋的极限应力时,必须把结构当成一个整体来考虑,而不能单独地考虑某个截面。无粘结预应力筋应力增量的计算,从理论上说应以结构达到极限破坏时,由预应力筋的协同变形来计算。但目前尚无简单的、通用的精确方法。而各国规范或标准均以经验公式计算,并存在一定的差异。可以按我国《无粘结预应力混凝土结构技术规程》(JGJ/T92-93)第4.1.11条给出的计算无粘结预应力筋的应力增量进行计算:σps=σpe+(500-770β0)1.2(5)σps=σpe+(250-380β0)1.2(6)式中　β0———综合配筋指标,β0=βp+βs=Apσpefcmbhp+Asfyfcmbhp≤0.45; σpe———扣除全部预应力损失后,无粘结预应力筋中的有效预应力。当跨高比L/h≤35,采用式(5);当跨高比L/h>35,采用式(6)。σps均不应小于无粘结预应力的有效预应力σpe,也不应大于无粘结预应力钢材的抗拉强度的设计值fpy。由于体外预应力筋仅仅在锚固及转向块处与结构有相同的变位,因此体外预应力筋应力增量小于内部无粘结预应力筋的应力增量。研究成果表明,体外预应力筋的极限应力增量一般为100MPa。2.5　预应力结构次内力的计算和正截面设计预应力结构受到超静定的约束时,必然会产生次内力,次内力是预应力结构内力的组成部分。对于预应力混凝土超静定结构,在弹性分析中,存在着次内力是一个无可非议的问题,但次弯矩在结构进入弹塑性工作状态存在与否仍然存在各种不同的观点。我国的《无粘结预应力混凝土结构技术规程》(JGJ/T92-93)则较多吸收和引用了预应力超静定结构有关特性的研究成果,在第4.1.12条规定了:“在进行抗裂验算及正截面承载力计算时,应考虑次弯矩对截面弯矩值的影响”。预应力作用下产生的次内力通常讨论较多的是次弯矩。预应力在超静定结构中产生的综合弯矩(Mr)是主弯矩(M1)与次弯矩(M2)之和,即:

Mr=M1+M2(7) 式中,主弯矩M1是由预应力筋对结构

重心轴偏心所引起的弯矩:M1=Np(x)yp(x)(8) 次弯矩M2是对结构施加预应力时(即

主弯矩作用下),结构的自由变形受到超静定结构体系的超静定约束所产生的弯矩;因为次弯矩是次反力产生的,因此任意2个相邻支座之间的次弯矩是呈线性变化的,即:M2=Ax+B(9) 国内外在进行预应力混凝土超静定结构受力性能的研究中,广泛关注次反力和次弯矩的计算。其计算方法常用的有等效荷载法和弯矩面积法以及固端弯矩法、约束次内力法、影响系数法。依据上述荷载组合建议公式,对于非抗震设计的正截面承载力计算,建议采用与《混凝土结构设计规范》统一的设计表达公式,即:

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