浅析预应力钢筋混凝土梁张拉裂缝产生原因及控制措施

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1、浅析预应力钢筋混凝土梁张拉裂缝产生原因及控制措施李钊林（浙江省杭州市310052）摘要：预应力钢筋混凝土梁张拉施工中出现的裂缝是一个复杂而常见的问题。本文通过分析张拉裂缝的特征及开裂机理，对目前桥梁预应力钢筋混凝土梁体张拉施工中的裂缝防治措施提出了可操作性的方法。关键词：钢筋混凝土梁；预应力张拉；裂缝；产生原因；控制措施1概况近年来随着预应力施工技术的高速发展和各种形式的预应力钢筋混凝土梁的大量应用，张拉施工中的裂缝问题变得更为常见、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

2、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

3、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

4、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

5、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、靠近锚具附近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-

6、-----------(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、当预应力梁采用自锚时，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

7、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，张拉控制应力亦较高。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

8、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