预应力损失原因及控制措施的探讨

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【摘要】通过对某道路改造工程后张法预应力混凝土小箱梁施工总结，阐述了预应力筋应力损失的成因，对有效控制预应力筋应力损失提出针对性的实施对策。

【关键字】预应力筋；应力损失；分析；控制措施。

1 概述

预应力混凝土小箱梁具有截面小、自重轻、刚度大、抗裂度高、耐久性好、材料省、缩短总工期等优点。在大跨度与重荷载的桥梁结构中，预应力施工技术是控制工程质量的关键技术，施工过程中严格按相关操作规程对预应力筋的设计应力的控制起着至关重要的作用。

2 预应力损失控制的作用及工作机理

预应力筋的应力值从张拉、锚固直到构件安装使用的整个过程中不断降低，在预应力张拉阶段，不同的预应力度，直接影响应力效果，当预应力度较低时（应力损失过大时），建立的预应力值较小，梁呈现向下的挠度，可能会过早出现裂缝，影响预制构件的正常使用。因此，在预应力构件施工过程中，须严格控制张拉应力应符合设计要求，并综合考虑预应力损失值，遇到实际施工情况所产生的预应力值与设计值不一致时，可调整张拉力，以准确建立预应力值。

3 预应力损失的构成

预应力小箱梁混凝土结构因生产工艺和预应力钢筋松弛、钢筋与孔道之间产生摩擦等原因，不可避免地在构件施工和使用过程中产生预应力损失，主要有：①混凝土的弹性压缩、收缩和徐变（蠕变）；②预应力筋的应力松弛；③张拉用锚夹具的变形和滑移；④预应力筋与周围接触物之间的摩阻，如后张法预应力筋孔道造成的摩阻或先张法预应力筋的折点摩阻；⑤混凝土蒸汽养护时，温差引起的损失。

4 预应力损失的控制措施

试验表明，预应力筋的张拉应力损失值达到初始拉力的20～30%，如何尽可能减少预应力损失并进行正确的估算，对预应力混凝土结构的安全使用非常重要。应力计算中预应力损失主要参数包括由预应力筋和孔道摩擦引起的损失、锚固装置滑动引起的损失、混凝土弹性变形引起的瞬时损失，以及由于混凝土收缩、徐变和预应力钢材松弛等随时间而发展的长期损失。各项损失是互相影响的，在预应力损失计算中需综合考虑。

4.1 预应力筋和孔道摩擦引起的损失

4.1.1 在不同孔道成型中角度的摩擦系数μ和长度的摩擦系数K的取值不同

在后张法中，因预应力筋和孔道之间的摩擦，离构件端部越远，钢材的张力越小，因张拉构件的角度变化引起的曲率摩擦损失，因张拉构件长度影响引起的摆动摩擦损失，可以用单位角度的摩擦系数μ和单位长度的摩擦系数K来表示。

4.1.2 预应力筋和孔道摩擦引起的损失的控制措施

（1）改善预留孔道与预应力筋制作质量：孔道局部偏差的影响系数，不仅理解为孔道本身有无局部弯曲，而且包括预应力筋弯折、端部锚垫板与孔道不垂直、张拉时对中程度等影响在内，尤其是端部锚垫板与孔道不垂直时难于对中，迫使预应力筋紧贴孔壁，增大摩擦力。

（2）用剂：对曲线段包角大的孔道，预应力损失很大。可采用涂刷肥皂液、复合钙基脂加石墨、工业凡士林加石墨等剂，以减少摩擦损失，μ值可降至0.1～0.15。

（3）采取超张拉方法：预应力筋采用超张拉，是减少孔道摩擦损失的有效措施。减少摩擦所需的超张拉与减少锚固损失的超张拉可不叠加，取其中最大值。

（4）通过设置后浇带的方法减小张拉长度，减少钢筋与孔道壁的摩擦引起的预应力损失。

4.2 锚固装置的变形和滑移的损失

4.2.1 预应力筋为直线或曲线形时的应力损失值的差异。

预应力筋张拉后锚固时，锚具受到相当大的压力，一来使锚具本身及锚具下垫板压密产生变形；二来混凝土结构的接缝缝隙在压力的作用下也将压密变形。这些变形导致预应力钢筋向内回缩，产生预应力损失，其值随钢筋为直线或曲线形有所不同。

（1）当为直线预应力钢筋时， 可按下式计算：

--张拉端锚具变形和钢筋同缩值，以mm计。

--张拉端至锚固端之间的距离，以mm计。

（2）当为曲线预应力钢筋时

由于受到曲线形孔道反向摩擦力的影响，使构件各截面所产生的损失值不同，离张拉端越远，其值越小。至张拉端某一距离 ，预应力损失降为零，此距离即为反向摩擦长度。在该长度范围内的钢筋变形应等于锚具变形和钢筋内缩值。《规范》对圆弧形预应力筋，且其对应圆心角θ不大于30°时的情况给出了距离端部为χ处的 计算公式为：

式中： --圆曲线预应力筋的曲率半径，以m计；

--张拉端至计算截面的水平距离，以m计；

--预应力筋的与孔道壁的摩擦系数；

--孔道每米长度局部偏差的摩擦系数；

--反向摩擦影响长度，以m计，可按下式计算

4.2.2 有效控制锚固装置变形和滑移引起应力损失的控制措施：

（1）尽量减少垫板的块数，并提高锚垫板、锚具的强度和刚度。

（2）在构造上采取相应的措施防止锚筋的滑移。

4.3 预应力筋的应力松弛的损失

4.3.1 预应力筋应力松弛损失是预应力筋在一定的张拉应力作用下，长度保持不变，预应力筋束中的应力随时间延长而降低，造成的预应力筋束的松驰引起的应力损失。采用以下方法估算应力损失值：

（1）采用普通松弛预应力钢丝或钢绞线：

其中一次张拉时， ；超张拉， 。

（2）采用低松弛预应力钢丝或钢绞线：

当 时，

当 时，

（3）对热处理钢筋：一次张拉

超张拉

4.3.2 预应力筋松弛引起的主要应力损失的特点：

（1）预应力筋束初始拉应力越高，其应力松驰愈大；初始应力小，其应力松驰愈小。当预应力筋的初始张拉控制应力小于钢筋极限强度的50％时，松驰量很小，松弛损失可以不考虑。

（2）预应力筋束的松驰量与预应力筋束的品质有关，一般低松驰筋的松驰值不到普通松驰筋的1/3。

（3）预应力筋束松驰与时间有关，前期发展较快，一天后可完成50％，以后渐趋稳定。

（4）采用超张拉，并保持数分钟后，再降至设计值，可使松驰减少50％左右。

（5）预应力筋束松驰随温度升高而增加。

4.4 混凝土的弹性压缩、收缩和徐变（蠕变）的应力损失

对于混凝土结构构件来说，在持续应力作用下，随着时间的延续，混凝土会产生收缩和徐变，导致预应力混凝土结构构件缩短，因而引起应力损失。用早强的高标号混凝土，减少水泥用量,降低水灰比，振捣密实，加强养护以减少砼收缩和徐变而引起的预应力损失。

采用后张拉施工时，由于受张拉设备的限制，无法对所有的预应力筋束同时进行张拉。通常采用分批张拉的工艺，这样后批张拉的预应力筋引起混凝土构件的弹性变形导致先批张拉的预应力钢筋产生应力损失，即混凝土弹性压预应力损失。

为了确保预应力混凝土结构在施工、使用阶段的安全，除加强施工管理外，还应作好应力损失的实测工作，用实测的应力损失值来调整张拉应力。

4.5 混凝土蒸汽养护时，温差引起的损失

此项预应力损失，仅在先张法混凝土结构采用蒸汽或其他加热方法养护混凝土时才予以考虑。用在钢模上张拉钢筋，将钢模和构件一起加热养护，以减少钢筋与台座间的温差而引起的温度预应力损失。

5 结束语

预应力筋的张拉控制技术是后张法预应力砼梁施工中的核心技术，只有进行精确的计算、正确的操作方法和严格的施工工艺，才能达到较高的施工质量，以确保预应力混凝土结构在施工、使用阶段的安全。

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