淺析預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁張拉裂縫產(chǎn)生原因及控制措施

1、淺析預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁張拉裂縫產(chǎn)生原因及控制措施 李 釗 林 （浙江省杭州市310052）摘 要：預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁張拉施工中出現(xiàn)的裂縫是一個復(fù)雜而常見的問題。本文通過分析張拉裂縫的特征及開裂機理，對目前橋梁預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁體張拉施工中的裂縫防治措施提出了可操作性的方法。關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土梁；預(yù)應(yīng)力張拉；裂縫；產(chǎn)生原因；控制措施1 概 況近年來隨著預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)的高速發(fā)展和各種形式的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁的大量應(yīng)用，張拉施工中的裂縫問題變得更為常見、復(fù)雜而又難以控制。目前關(guān)于混凝土的亞微觀研究以及大量的工程實踐所提供的的經(jīng)驗都說明：從混凝土結(jié)構(gòu)的彈塑性、非均質(zhì)性本質(zhì)來說，內(nèi)應(yīng)力及殘余應(yīng)力是必然存

2、在的，因而混凝土梁在張拉過程中的細微裂縫的發(fā)展總是避免不了。微裂的擴展程度就是材料破損程度的標志，同時，微裂的存在也是材料本身固有的一中物理性質(zhì)。一般橋梁結(jié)構(gòu)中，寬度小于0.05mm的裂縫是肉眼看不出來的，對于使用來說都無危險性，故所謂不允許裂縫設(shè)計，也只是相對的無大于0.05mm的初始裂縫的結(jié)構(gòu)?？梢哉J為，混凝土結(jié)構(gòu)有裂縫是絕對的，無裂縫是相對的，所謂結(jié)構(gòu)的防裂控制只是防止粗裂縫的產(chǎn)生，對于微裂，則只能根據(jù)施工中的具體情況，將其控制在一定的范圍內(nèi)。2 張拉產(chǎn)生裂縫分析2.1 張拉裂縫的發(fā)生部位及特征在后張法預(yù)應(yīng)力梁體支座處、梁體或桿件的端部錨固區(qū)，經(jīng)常見到一種順著預(yù)應(yīng)力的裂縫。該型裂縫的最大

3、寬度為12mm，長度為4060cm。這種裂縫中間局部集中，呈現(xiàn)一梭形，稱為“張拉裂縫”（也稱為劈裂）。對于先張法的預(yù)應(yīng)力梁，在靠近中軸線處梁端面上經(jīng)常出現(xiàn)一種水平裂縫，這種裂縫的最大寬度為0.52mm，長度為6080cm。該型裂縫位于預(yù)加應(yīng)力荷載的上部區(qū)域，大體與荷載軸線平行，稱為 “端面裂縫”。2.2 張拉裂縫的成因混凝土構(gòu)件的裂縫成因不外乎以下兩種情況：1、由外荷載（包括靜荷載、動荷載等）作用，主要應(yīng)力或結(jié)構(gòu)次應(yīng)力（如彎矩和剪切）引起的裂縫；2、由變形變化引起的荷載作用而導(dǎo)致的裂縫。第二種情況的裂縫產(chǎn)生條件是結(jié)構(gòu)首先要求變形，而且不是一個瞬時過程。顯然，張拉裂縫屬于第一種情況，即外荷載引起

4、的裂縫。2.3 張拉裂縫的力學(xué)模型分析首先分析一下梁體端部局部錨固區(qū)的應(yīng)力分布規(guī)律：根據(jù)圣維南原理可忽略另一端影響，即假定另一端無限延伸，只考慮一端集中力引起的內(nèi)力。預(yù)應(yīng)力筋對梁體的作用就是預(yù)應(yīng)力筋縮短時的某一變形受到混凝土梁約束，從而使混凝土梁體端部受一集中力N作用。為簡化計算，還近似地按平面問題忽略鋼筋彎起角，取平均厚度進行分析，同時考慮錨固區(qū)應(yīng)力集中對劈裂應(yīng)力的影響（計算模型如圖所示）。通過對模型分析得出以下結(jié)論：1、靠近錨具附近0.1h0.2h處是壓應(yīng)力區(qū)，混凝土雙向受壓。2、離開錨具0.3h0.4h處存在著與預(yù)應(yīng)力筋相垂直的拉應(yīng)力區(qū)。拉應(yīng)力最大值約在離開錨具0.3h0.4h位置，拉應(yīng)

5、力圖形呈梭形。3、拉應(yīng)力即劈裂應(yīng)力，其最大值可按如下經(jīng)驗公式計算：max=(0.462-1.3+1.1)N/bh -(Mpa)拉應(yīng)力的合力為：S=(0.43+1.52-1.57+0.71)N-(N)4、拉應(yīng)力的圖形和部位同裂縫的方向、部位和形狀基本吻合。5、當(dāng)預(yù)應(yīng)力梁采用自錨時，應(yīng)力圖形不變，其數(shù)量比采取表面錨具高約30%。6、直接影響這種應(yīng)力的因素是張拉力N及錨板集中系數(shù)（即錨板高度和梁高之比，亦稱為荷載集中系數(shù)，=a/h）。該值越小，劈裂應(yīng)力越高，即錨具越集中，劈裂應(yīng)力越高。上述簡化計算的公式適用于0.30.7的范圍。7、預(yù)應(yīng)力孔道的存在對應(yīng)力分布沒有多大的影響。對于先張法施工的高強鋼絲預(yù)

6、應(yīng)力梁，梁斷面較高，張拉控制應(yīng)力亦較高。因此，沿梁高離開預(yù)應(yīng)力筋一段距離，靠近中軸線附近，在梁端面上出現(xiàn)拉應(yīng)力y 常引起端頭水平裂縫，即端面裂縫。裂縫一般位于荷載的上部區(qū)域，大體與荷載平行。該裂縫的數(shù)量很大，幾乎占整個工程構(gòu)件數(shù)量的80%以上。關(guān)于這種裂縫，根據(jù)我國曾經(jīng)進行的研究，通過20余根梁的模擬試驗，建立了端面最大拉應(yīng)力的計算公式：ymax=k0上式中0為梁端橫截面上平均壓應(yīng)力；0=N/A（A為梁端橫截面積；等于bh）；k為應(yīng)力系數(shù)。在工程中經(jīng)常遇到的情況下，k值可近似表達為：k=1/（18（e/h）2+0.25） -e為集中力的偏心距。裂縫產(chǎn)生的位置c（即裂縫與梁底面的距離）：c=（e

7、h）1/2梁的抗裂性驗算，必須滿足以下要求：ymaxRt其中，Rt為混凝土抗拉強度；為塑性系數(shù)（一般取1.7）。3 張拉裂縫的控制措施由力學(xué)模型的分析可知，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁的張拉裂縫是一個較復(fù)雜的問題，它涉及到設(shè)計梁體的構(gòu)性、預(yù)加應(yīng)力、混凝土的材性和施工環(huán)境等諸多方面因素。下面針對預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁的特點，提出以下控制措施：1、 設(shè)計方面主要原則就是減少劈裂應(yīng)力和端截面的平均壓應(yīng)力。 設(shè)計上應(yīng)盡量減少預(yù)應(yīng)力束在梁端的偏心程度，即增大e/h。因為開裂荷載與e/h接近于平方關(guān)系。 降低預(yù)壓應(yīng)力，即減少張拉應(yīng)力或增大梁端面的寬度。對先張法構(gòu)件，在保證支座錨固要求的前提下，可將部分預(yù)應(yīng)力鋼筋在梁端部

8、區(qū)域做成無粘結(jié)力筋。 對錨固區(qū)位置及其集中程度作優(yōu)化設(shè)計，張拉程序也應(yīng)作嚴格規(guī)定，保證分階段均勻加載。 在劈裂應(yīng)力區(qū)增配鋼筋，如內(nèi)部已設(shè)有構(gòu)造筋，出現(xiàn)裂縫后逐漸穩(wěn)定，則一般不降低承載力。在梁體端部增加抵抗橫向拉力的鋼筋網(wǎng)片，以控制端面裂縫（見下圖）。在設(shè)計上本著滿足施工工藝的前提下，盡量進行混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計。2、施工方面：主要原則就是保證混凝土質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。 在施工過程中要注意嚴格控制混凝土原材料的質(zhì)量，特別是骨料含泥量（我國砂、石標準對含泥量的限制較寬松，對裂縫控制不利）應(yīng)盡量減少，因為含泥量的增加使混凝土抗拉強度大幅度降低。 加強施工管理，嚴格控制混凝土配合比，加強混凝土的養(yǎng)

9、護工作。 混凝土澆注中振搗應(yīng)密實，在施工條件允許的情況下，宜進行二次振搗，以改善混凝土強度，提高抗裂性。 在張拉施工中，應(yīng)嚴格按設(shè)計程序進行張拉，并嚴格控制張拉力。 盡可能在混凝土強度達到90%以上或更高之后，再進行張拉施工，以盡量提高張拉時的混凝土強度，減少非主要因素影響。4 結(jié)語雖然張拉裂縫問題是個比較復(fù)雜的問題，但只要采取有效的控制措施，一般也不會出現(xiàn)較大問題。在設(shè)計上，對計算模型應(yīng)考慮各個因素反復(fù)驗算，在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計。在施工中，應(yīng)以預(yù)防為主，進行裂縫的控制。對于已經(jīng)產(chǎn)生的寬度大于0.2mm的有害裂縫，應(yīng)“對癥下藥”進行及時修補?？傊?，只要設(shè)計考慮周全、嚴格控制施工質(zhì)量，是可以實現(xiàn)對張拉裂縫的有效控制的。值得一提的是，本文所論述的是在預(yù)應(yīng)力張拉這一特定施工過程中出現(xiàn)的裂縫，它屬于“早期裂縫”的范