淺談預應力鋼筋的預應力損失

摘 要:眾所周知，預應力鋼筋張拉到控制應力σcon而錨固后，由于種種原因(比如施工工藝，原材料選用不同等)，預應力鋼筋的預應力值會降低而損失，只有通過各階段損失的分析，重新組合扣除全部損失后，才能保留適當的有效應力。

關鍵詞:預應力鋼筋預應力損失控制應力有效應力

中圖分類號:U44文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(c)-0044-01

所謂預應力混凝土結構，就是在構件承受外荷載之前，對混凝土預先施加壓力，使構件截面中產生壓應力，使之可以抵消由于外荷載產生的全部或部分拉應力。這樣，預壓應力與外荷載引起的應力疊加后，可使結構不出現拉應力，或出現很小的拉應力而不致開裂，或雖開裂而寬度甚小，這就是預應力的基本原理。

預應力鋼筋張拉到控制應力σcon而錨固后，由于一些原因預應力鋼筋的預應力值尚會降低，這種現象稱為預應力損失。經過各項損失后，預應力鋼筋的預應力值才是有效的預應力。預應力鋼筋的預應力損失主要有以下幾方面。

1 由于張拉端錨具變形和鋼筋內縮的損失σ11

這項損失發生在預應力鋼筋張拉完畢并用錨具加以錨固后拆除張拉設備那一時刻，因拆除張拉設備后預應力鋼筋立即回縮，使錨具受到壓縮而變形，鋼筋隨之縮短而造成預應力損失。錨具變形包括錨具材料變形、錨具各組成部件之間的相對滑移、螺帽與墊板間以及墊板與墊板之間的壓實變形等。這項損失僅對張拉端錨具考慮，固定端錨具變形發生在張拉過程中預應力鋼筋應力到達σcon之前，因為不會造成張拉控制應力σcon值的降低。這項損失，對于先張法以及后張法構件均需考慮。

為了減少σ11值，應選擇有效而可靠的錨具，并減少墊板的塊數。當預應力鋼筋的長度越大，則σ11值越小，對于先張法長線臺座生產這項損失就很小。

2 由于預應力鋼筋與孔道壁之間摩擦的損失σ12

這項損失發生在預應力鋼筋張拉過程中，由于鋼筋與孔道壁之間的摩擦而引起。控制應力是在張拉端測定的，此處預應力最大，自張拉端向內，因摩擦力逐漸積累，鋼筋的預應力逐漸減少。僅后張法構件有這項損失。

為了減小摩擦損失σ12，在設計時宜盡量減少曲線配筋，預留孔道直徑應比預應力筋直徑大10～15mm，并在孔道轉彎處采取一定措施，以減少摩擦影響。在施工時，對于曲線配筋構件或長度≥20m的直線配筋構件，宜采用一端張拉另一端補拉，或兩端同時張拉或超張拉，以減少摩擦損失。

3 由于預應力鋼筋與臺座間溫差的損失σ13

先張法在臺座上張拉鋼筋及制作構件時，常采用蒸汽養護加速構件的制作過程。在加溫過程中，預應力鋼筋溫度升高，但臺座與大地相接，溫度基本不變，于是預應力鋼筋與臺座間形成溫差。

4 由于預應力鋼筋的應力松弛的損失σ14

預應力鋼筋中存在著較高的拉應力，在其長度不變的情況下，鋼筋的拉應力將隨時間的增長而減小，到達一定程度后即趨于穩定，應力不再降低。這種鋼筋長度不變而應力降低的現象，稱為應力松弛。這項預應力損失，對于先張法構件以及后張法構件都有。當為先張法構件時，預應力鋼筋張拉而錨固于構件上后，預應力鋼筋隨即發生應力松弛;構件支撐后預應力鋼筋依靠粘結力錨固于構件上后，亦繼續有一定的應力松弛。對于后張法構件，自鋼筋張拉而錨固在構件上以后，鋼筋中的應力亦會松弛。

試驗研究表明，應力松弛的發展過程具有下述特點。鋼筋張拉后的第一個小時內，松弛損失可達全部松弛損失50%左右。而前兩分鐘內可完成其中的大部分;24小時后可達80%左右;以后發展逐漸緩慢，約一個月后接近穩定。因此，可以采用超張拉的辦法減小松弛損失。主要就是先超過規定的控制應力σcon而張拉，使鋼筋暫時處于更高的應力狀態，這樣松弛損失的總值就大;其次持荷兩分鐘，使相當一部分的應力松弛預先發生，即發生在預應力鋼筋錨固之前;最后使鋼筋應力為σcon，并將鋼筋錨固。這樣鋼筋錨固后，松弛損失的總值就減小了。

從實驗資料可知，鋼絞線的松弛率遠大于單根鋼絲的松弛率，這是因為鋼絞線除應力松弛外尚有構造松弛。為了減少鋼絞線的構造變形和應力松弛的損失，鋼絞線在張拉前，需經預拉，預拉應力值可采用鋼絞線抗拉強度的85%，拉至規定應力后，應保持5-10分鐘，然后再予以放松。

5 由于混凝土的收縮和徐變的損失σ15

混凝土在凝結過程中的收縮以及在預應壓力作用下的徐變，都會使構件縮短，預應力鋼筋受到壓縮，從而鋼筋中的拉應力有所降低。

混凝土收縮的發展過程是初期快而后期慢，要持續若干年。收縮值的大小與水灰比和水泥用量有關，也與環境的濕度有關。混凝土總的收縮應變一般在0.0002-0.0005之間。對于先張法構件，在從臺座上或鋼模上放松預應力鋼筋以前，混凝土的收縮已發生相當一部分;而對于后張法構件，在張拉及錨固預應力鋼筋以前，混凝土的收縮已發生相當大一部分，因此收縮損失還要小。

混凝土收縮和徐變所引起的預應力損失，其值較大，在總損失中占相當比例。為了減少這項損失，施加預應力時，混凝土立方體抗壓強度f′cu不宜低于設計的混凝土強度等級的75%。

還可采取下述一些措施以減少這項損失;采用高標號水泥，減少水泥用量;減小水灰比，采用干硬性混凝土;采用級配好的骨料;加強振搗;加強養護。

預應力損失的分階段組合:

預應力混凝土構件的計算，一般須考慮三個階段:制作、運輸吊裝和使用階段。每個階段的計算，所應考慮的預應力的損失值不同。于是將預應力損失分為兩批，第一批為混凝土預壓前的損失，第二批為混凝土預壓后的損失。按制作和運輸吊裝階段計算預應力混凝土構件時，只考慮第一批損失;按使用階段計算構件時，兩批損失都考慮。

如表1所示。

對于后張法構件，預應力損失σ12是由于預應力鋼筋與孔道壁之間摩擦所引起的損失;對于先張法構件，預應力損失σ12是由于預應力鋼筋在轉向裝置處的摩擦所引起。

對于先張法構件，預應力鋼筋的松弛度損失歸屬第一批損失。實際上，預應力鋼筋被放松而混凝土受到預壓后，松弛損失還繼續發生，所以松弛損失總值σ14在混凝土預壓前及預壓后各發生一部分。

總之，影響預應力損失值的因素頗多，情況復雜，難以很準確的求得其數值。因此為了安全可靠起見，對損失總值做了最低限制的規定。當計算求得的預應力總損失值小于下列數值時，可按下列數值取用。先張法構件100N/mm2;后張法構件80N/mm2。可以看出，損失總值是比較大的。所以預應力鋼筋應采用較高強度或高強度的鋼筋，采用可能的較大控制應力，這樣扣除全部損失后，才能保留適當的有效預應力。