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分析钢筋混凝土梁中张拉裂缝产生的因素及有关
2011-01-28 00:00

1 概 况
  随着时代发展预应力施工技术的进步和各种形式预应力钢筋混凝土梁的大量应用,施工中出现的裂缝问题变得非常常见、复杂而又难以控制。目前关于混凝土的亚微观研究以及大量的工程实践所提供的的经验都说明:从混凝土结构的弹塑性、非均质性本质来说,内应力及残余应力是必然存在的,因而混凝土梁在张拉过程中的细微裂缝的发展总是避免不了。微裂的扩展程度就是材料破损程度的标志,同时,微裂的存在也是材料本身固有的一中物理性质。
一般桥梁结构中,宽度小于0.05mm的裂缝是肉眼看不出来的,对于使用来说都无危险性,故所谓不允许裂缝设计,也只是相对的无大于0.05mm的初始裂缝的结构。可以认为,混凝土结构有裂缝是绝对的,无裂缝是相对的,所谓结构的防裂控制只是防止粗裂缝的产生,对于微裂,则只能根据施工中的具体情况,将其控制在一定的范围内。

2 张拉产生裂缝分析
2.1 张拉裂缝的发生部位及特征
在后张法预应力梁体支座处、梁体或杆件的端部锚固区,经常见到一种顺着预应力的裂缝。该型裂缝的最大宽度为1~2mm,长度为40~60cm。这种裂缝中间局部集中,呈现一梭形,称为“张拉裂缝”(也称为劈裂)。
对于先张法的预应力梁,在靠近中轴线处梁端面上经常出现一种水平裂缝,这种裂缝的最大宽度为0.5~2mm,长度为60~80cm。该型裂缝位于预加应力荷载的上部区域,大体与荷载轴线平行,称为 “端面裂缝”。
2.2 张拉裂缝的成因
混凝土构件的裂缝成因不外乎以下两种情况:
1、由外荷载(包括静荷载、动荷载等)作用,主要应力或结构次应力(如弯矩和剪切)引起的裂缝;
2、由变形变化引起的荷载作用而导致的裂缝。
第二种情况的裂缝产生条件是结构首先要求变形,而且不是一个瞬时过程。显然,张拉裂缝属于第一种情况,即外荷载引起的裂缝。
2.3 张拉裂缝的力学模型分析
首先分析一下梁体端部局部锚固区的应力分布规律:
根据圣维南原理可忽略另一端影响,即假定另一端无限延伸,只考虑一端集中力引起的内力。预应力筋对梁体的作用就是预应力筋缩短时的某一变形受到混凝土梁约束,从而使混凝土梁体端部受一集中力N作用。为简化计算,还近似地按平面问题忽略钢筋弯起角,取平均厚度进行分析,同时考虑锚固区应力集中对劈裂应力的影响(计算模型如图所示)。

通过对模型分析得出以下结论:
1、靠近附近0.1h~0.2h处是压应力区,混凝土双向受压。
2、离开锚具0.3h~0.4h处存在着与预应力筋相垂直的拉应力区。拉应力最大值约在离开锚具0.3h~0.4h位置,拉应力图形呈梭形。
3、拉应力即劈裂应力,其最大值可按如下经验公式计算:
σmax=(0.46β2-1.3β+1.1)N/bh ------------(Mpa)
拉应力的合力为:
S=(0.4β3+1.5β2-1.57β+0.71)N----------(N)
4、拉应力的图形和部位同裂缝的方向、部位和形状基本吻合。
5、当梁采用自锚时,应力图形不变,其数量比采取表面锚具高约30%。
6、直接影响这种应力的因素是张拉力N及锚板集中系数β(即锚板高度和梁高之比,亦称为荷载集中系数,β=a/h)。该值越小,劈裂应力越高,即锚具越集中,劈裂应力越高。上述简化计算的公式适用于0.3≤β≤0.7的范围。
7、预应力孔道的存在对应力分布没有多大的影响。
对于先张法施工的高强钢丝预应力梁,梁断面较高,控制应力亦较高。因此,沿梁高离开预应力筋一段距离,靠近中轴线附近,在梁端面上出现拉应力σy 常引起端头水平裂缝,即端面裂缝。裂缝一般位于荷载的上部区域,大体与荷载平行。该裂缝的数量很大,几乎占整个工程构件数量的80%以上。关于这种裂缝,根据我国曾经进行的研究,通过20余根梁的模拟试验,建立了端面最大拉应力的计算公式:
σymax=kσ0
上式中σ0为梁端横截面上平均压应力;σ0=N/A(A为梁端横截面积;等于bh);k为应力系数。在工程中经常遇到的情况下,k值可近似表达为:
k=1/(18(e/h)2+0.25) ---------e为集中力的偏心距。
裂缝产生的位置c(即裂缝与梁底面的距离):
c=(eh)1/2
梁的抗裂性验算,必须满足以下要求:
σymax≤γRt
其中,Rt为混凝土抗拉强度;γ为塑性系数(一般取1.7)。

3 张拉裂缝的控制措施
由力学模型的分析可知,预应力钢筋混凝土梁的张拉裂缝是一个较复杂的问题,它涉及到设计梁体的构性、预加应力、混凝土的材性和施工环境等诸多方面因素。下面针对预应力钢筋混凝土梁的特点,提出以下控制措施:
1、 设计方面
主要原则就是减少劈裂应力和端截面的平均压应力。
⑴ 设计上应尽量减少预应力束在梁端的偏心程度,即增大e/h。因为开裂荷载与e/h接近于平方关系。
⑵ 降低预压应力,即减少张拉应力或增大梁端面的宽度。对先张法构件,在保证支座锚固要求的前提下,可将部分预应力钢筋在梁端部区域做成无粘结力筋。
⑶ 对锚固区位置及其集中程度作优化设计,张拉程序也应作严格规定,保证分阶段均匀加载。
⑷ 在劈裂应力区增配钢筋,如内部已设有构造筋,出现裂缝后逐渐稳定,则一般不降低承载力。在梁体端部增加抵抗横向拉力的钢筋网片,以控制端面裂缝(见下图)。
⑸在设计上本着满足施工工艺的前提下,尽量进行混凝土配合比的优化设计。
2、施工方面:
主要原则就是保证混凝土质量的可靠性和稳定性。
⑴ 在施工过程中要注意严格控制混凝土原材料的质量,特别是骨料含泥量(我国砂、石标准对含泥量的限制较宽松,对裂缝控制不利)应尽量减少,因为含泥量的增加使混凝土抗拉强度大幅度降低。
⑵ 加强施工管理,严格控制混凝土配合比,加强混凝土的养护工作。
⑶ 混凝土浇注中振捣应密实,在施工条件允许的情况下,宜进行二次振捣,以改善混凝土强度,提高抗裂性。
⑷ 在张拉施工中,应严格按设计程序进行张拉,并严格控制张拉力。
⑸ 尽可能在混凝土强度达到90%以上或更高之后,再进行张拉施工,以尽量提高张拉时的混凝土强度,减少非主要因素影响。
4 结语
虽然张拉裂缝问题是个比较复杂的问题,但只要采取有效的控制措施,一般也不会出现较大问题。在设计上,对计算模型应考虑各个因素反复验算,在此基础上进行优化设计。在施工中,应以预防为主,进行裂缝的控制。对于已经产生的宽度大于0.2mm的有害裂缝,应“对症下药”进行及时修补。总之,只要设计考虑周全、严格控制施工质量,是可以实现对张拉裂缝的有效控制的。
值得一提的是,本文所论述的是在预应力张拉这一特定施工过程中出现的裂缝,它属于“早期裂缝”的范畴。而在张拉施工过程中,因其他因素影响也会出现一些其他性质的“早期裂缝”。在一些大型桥梁工程的建设中,预应力预制梁等大型构件预制后因露天堆放,构件承受不均匀收缩而产生表面的温度裂缝和收缩裂缝。此类裂缝是由变形变化引起的裂缝。可以通过科学管理,对预制构件加强维护保养工作,对此类裂缝进行控制,在这里本文不再论述。
 

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