体外预应力加固张拉控制应力较低的原因及索力测试方法

听课报告

——体外预应力加固张拉控制应力较低的原因及索力测试方法

通过桥梁检测与养护课程加固部分的学习，我学到了许多加固措施以及目前加固工作的重要性和技术性。通过本部分的学习，不仅掌握了一些常规的加固方法和注意事项，了解了更多的现实与理想的差距，而且看到了未来加固行业的重要作用和艰巨任务。

一、体外预应力筋应力的测试及应力增量计算方法

体外预应力筋应力的测试具有重要的意义，通过应力的测试可以知道力筋的应力损失情况，并由此计算得出目前结构的整体应力状态，进而检验其是否满足结构的承载能力和正常使用极限状态。然而对体外预应力筋的应力测试的方法却不是很多，因为其应力较大，且在工作状态下检测设备不方便工作。

在刚加固完时的体外预应力筋的应力是很容易求得的，因为张拉力筋时可以通过张拉设备读出其拉力值，进而由应力的定义可以方便的求出刚加固完成时的平均应力值，再通过整体计算和局部计算检验加固效果。但是，随着时间的推移，预应力筋中的应力会逐渐损失，如前面第一部分讨论的种种损失因素。在加固一段时间后，体外预应力筋的应力值发生变化，要评定桥梁的应力状况，就需要重新测量力筋中的预应力损失，再由测得的应力值分别按照持久状况承载能力极限状态、持久状况正常使用极限状态、持久状况和短暂状况应力进行整体计算；以及对转向构造进行承载力和抗裂性计算、锚固区的承载力和抗裂性计算、持久状况下的其他局部构件的承载力计算。

通过凌老师课堂上的讲解，问题的提出以及恰到好处的引导，学生我结合本科力学的知识以及桥梁方面的知识，从理论的角度构思出以下的检测体外索的预应力的方法。

1.静力平衡思想

如图1所示的状况，体外预应力筋束在梁底平行穿过，假设不考虑多束预应力筋之间的定位装置，即各力筋在两端转向块之间被绷紧且没有什么限制，力筋此时被拉直。

图 1 多束力筋在梁底平行穿过 由于加固中体外预应力筋的应力并不像新桥初建时的应力，其应力值一般不大，故可采用一定措施使其产生微小弯折。然后根据弯折处的静力平衡，容易得到力筋中的总的轴力值，进而换算出应力值。

2.滑轮配重装置测轴力

在滑轮配重装置的作用下，绷紧的预应力筋由于集中力的作用产生一定的下挠，如图2所示。假设配重装置总的重量为G ，由于滑轮的滚动摩阻较小，因此滑轮可以随着预应力筋的变形而滚动至最低点的位置，经过简单的力学常识和理论计算推导可知，配重装置恰作用在梁的跨中对应位置。此时设此根力筋在中间的弯折角度为θ，左右两边的力筋中的轴力分别为12,F F ，显然12,F F 的作用方向均沿着各自力筋的方向，而配重装置的力的作用方向恰好

竖直朝下，如图3所示。据此可知，此时的结构受力呈对称结构，故两边的力筋的相对于水平线的偏折角度均为相对偏折角度的一半，即2θ

。对图3中的滑轮作用点进行静力学平衡分析，可得如下水平方向和竖直方向的力的平衡方程

2112cos cos 022sin sin 022H V F F F F F F G θθθθ⎧=-=⎪⎪⎨⎪=+-=⎪⎩∑∑

由第一个方程可知左右两边的轴力相同。其实此处的轴力相同可以由下述结论直接得到：在不考虑转向部位的摩阻损失时，同一根绳索上的张拉力是相同的，

本问题中由于配重装置用的是滑轮装置，其摩阻很小，故相比较而言，对两边张拉力影响不大。这样由第一个方程

得到的12F F =代入第二个方程，可得到122sin 2G

F F θ

==。在这个表达式中，G 是配重的重量，

可以很容易测得；θ值相对比较难测，现提供两种理论上的思路可供参考。其一，用一根细线从左侧的转向块与力筋接触点连到右端转向块与力筋接触点，绷紧，测其长度，然后分别测出两边力筋从转向块接触点到配重装置作用点处的距离（若利用对称性，可只测量其中一侧的长度即可），最后，在根据长度实测值做一定的比例缩放，得到一个三角形，进而很容易求得其转角值。第二种思路是直接在两边的力筋上设置与力筋的横断面平行的反射镜作为测量放大装置，当两边力筋发生转动时，微小的角度转动可以通过反射镜的同步转动转化为很大长度位移，进而换算出微小的角度转动。这样，两侧的力筋中的张拉力，即轴力就可以通过简单的配重装置测量换算得出。

图 2 力筋弯曲示意图

图 3 受力分析图 此方法是通过纯粹的力学理论知识推导得来，未经过试验的验证，现对此方法的可行性和可能产生的问题作如下论述。

可行性：

一个好的测试方法不仅力求简单经济，简单易行，而且要求对被测结构不产生较大的影

响。就此方法而言，添加配重，势必会对力筋中的应力产生增大作用，现分析其增大效果。

假设两转向块间距离不变，衡为L ，则加配重后跨中段力筋的伸长量为

cos 2L L θ-，应力增加量为1

(1)cos 2E θ

-。当(0,1)θ∈ ，即(0,0.02)θ∈时，函数11cos 2θ-的图像如图4所示。由图4

可以看出，当配重引起的相对折角在1 时，其应力增量尚不能超过

352001061012MPa MPa σ-∆=⨯⨯⨯=，对原来力筋中的预应力影响甚微。而此时，若假设两转向块距离为20米，则可算得配重位置的力筋下挠为10sin 0.50.0878.7m m cm ω∆=⨯== ，此量值很容易由仪器测定，而且是相对比较显著地变形。再来观察所需配重的重量需要值，根据以往的加固经验及设计经验，力筋的张拉力（单根）设为300吨，1θ= 时，300sin 0.52 5.2G =⨯⨯= 吨吨，尚在试验条件许可的范围。

图 4 函数cos 12θ

-在(0,1)θ∈ 即(0,0.02)θ∈时的图像

由以上的分析可知：此方法加载时，鉴于产生的偏折角很小，所以引起的力筋的应力增量也非常微小，另一方面，如果角度较大，可以通过减小配重重量以及提高角度测量的灵敏度而得以减小角度，进而减小对原结构的应力状态的影响。

可能产生的问题

经过初步分析，可知滑轮配重法是可行的，但可能面临如下的问题：

1）滑轮的测量时由于滚动摩阻的作用，可能不会恰好处在跨中，尽管能认为的将其放

在跨中，不能保证其不受摩擦力的作用，进而导致两边的力筋轴力不同。此问题可通过减小