PC弯曲孔道内接触应力、预应力摩阻损失及张拉伸长量研究

摘要

预应力技术以其优异的性能在桥梁工程领域得到了日益广泛的应用。在弯曲孔道,预应力钢束与混凝土之间的接触有两个值得深入探讨的问题:一方面,由于张拉力的径向分量将钢束压向混凝土,需要正确分析接触区域的压力分布规律,以校核混凝土的局部应力；另一方面,接触压力引起较大的孔道摩阻力,需要准确计算钢束预应力损失及伸长量。目前,对于弯曲孔道钢束与混凝土的接触问题,国内外鲜有专项的理论和实验研究,其规律并未被充分认识,甚至还存在某些误解。
　　 本文在弹性接触理论分析的基础上,设计并完成了结合比拟法思路的CT模型实验,利用ANSYS有限元软件计算得到了弯曲孔道钢束与混凝土接触应力的分布规律,并深入探讨了弯曲孔道的预应力摩阻损失规律,对长弯预应力束及大吨位小半径U型预应力束的伸长量问题提出了解释。论文研究工作的主要内容和成果如下:
　　 (1)总结了弯曲孔道预应力钢束与孔壁混凝土接触问题的特点,提出将其简化为两个平面接触问题:对孔道横截面内的接触,提出了基于垫层假设的赫兹接触应力计算方法；对孔道中心线所在平面的接触,采用弹性半空间线荷载理论证伪了法向压力均布假设,提出了可能的三种非均布假设并分别推导了压力分布函数。
　　 (2)设计并成功实施了对弯曲孔道接触的模拟实验,运用CT技术及ANSYS软件计算得到了所需的接触区应力值,分析讨论了转角、曲率半径、索拉力、摩擦等因素与法向应力分布的关系。通过应力数据的拟合,证实在孔道弯曲角度较小的情况下,法向接触压力接近余弦函数分布。基于以上成果,对体外预应力束转向结构进行了局部应力分析。
　　 (3)分析指出了现行桥规的纯弯曲孔道预应力摩擦损失公式存在的缺陷,推导了三种非均匀分布与均匀分布下的摩擦力计算式,通过比较证明:规范对弯曲接触摩擦估计偏大；当孔道转角较小时,桥规预应力摩擦损失公式近似适用。基于现代固体摩擦的基础理论指出库仑摩擦定律有其适应范围,通过实桥弯曲孔道的沿程预应力试验分析,对曲线段预应力损失及摩擦系数的变化规律进行了分析。并提出因孔道质量过低引起的阻力是引起孔道摩阻力的第三因素,建议规范予以单独考虑。
　　 (4)针对小半径U形预应力束实测伸长量超标的问题,分析提出了三种因素:钢绞线受力不均；孔壁径向位移；实际摩擦力小于理论计算值。结合实例计算了三种因素造成的额外伸长,对三种因素进行了影响程度分析,并提出了相关的控制措施。