地应力实测（通用4篇）
地应力实测 篇1
摘要：通过对兖州矿区东滩煤矿的区域构造发育、区域应力场分析及其地应力实测值的计算和分析, 讨论了井田内地应力状况, 结合以往测试成果拟合了水平应力随深度变化的关系式, 为矿井生产工程地质条件的评价、预防冲击地压和保障安全生产提供了基础资料。
关键词：地应力,构造,密度椭球体,兖州矿区,声发射
0 引言
兖州矿区是我国大型煤炭基地, 由于矿井的规模和开采深度的加大, 出现了许多工程地质问题, 尤其是巷道失稳破坏问题, 给矿井安全和生产带来了严重的影响[1]。区域构造特征和宏观地应力场分析以及地应力实测分析来是安全生产的基础保障之一。当前的应力状态主要由最近一次的构造运动所控制, 但也与历史上的构造运动有关。由于亿万年来, 地球经历了无数次大大小小的构造运动, 各次构造运动的应力场也经过了多次叠加、牵引和改造, 另外地应力场还受到其他多种因素的影响, 因而造成了地应力状态的复杂性和多变性[2]。
1 构造概况[3]
1.1 区域构造概况
兖州煤田北部和南部分别为2个近东西向的地堑构造。北部为汶泗断层与郓城断层所控制的汶上～宁阳地堑构造;南部为荷泽断层、凫山断层与单县断层所控制的成武～鱼台地堑构造。峄山断层西侧, 由北至南, 分布着一系列北东走向的宽缓褶曲, 如宁阳向斜、滋阳背斜、兖州向斜、滕县背斜、滕县向斜等, 背斜、向斜相邻相间。煤田西部为北东向的济宁向斜和北北东向的巨野向斜。
1.2 井田构造
东滩井田位于兖州向斜的中部和深部, 地质构造复杂程度中等偏简单, 以宽缓的褶皱为主, 伴有断裂构造。根据资源勘探和生产勘探钻孔的揭露, 二维和三维地震资料的统计分析, 以及矿井开拓和煤矿生产采掘过程中获取的地质资料, 影响采区划分的落差大于10 m断层已经查明或基本查明, 波幅大于20 m的褶曲已控制或基本控制。
2 区域应力场分析
构造应力场的分析要考虑地质构造运动历史和区域地质背景[4]。现今构造应力场的形成是在漫长的地质年代里若干次地质构造运动叠加复合的结果。兖州煤田位于华北地台鲁西台背斜的西南缘, 鲁西南断块坳陷济宁地堑的东部。据《华北晚古生代聚煤规律与找煤》 (山东部分) 构造专题研究报告[3], 井田所处区域构造演化史和各构造运动阶段构造应力迹线方向, 如图1～3所示。
由图1～3中可看出自印支期以来井田构造应力场从南北方向逐渐转为燕山期北西-东南方向至现今喜山期的东西向挤压应力场, 矿区的地应力场类型与地壳运动趋势有关。一般两个相邻地块相向运动, 其地应力场多为大地构造应力场型;相背运动则多呈大地重力应力场型。
研究相邻地块的运动趋势, 可采用于双忠教授提出的“密度椭球体理论”[5]。该理论认为, 地块中局部密度的突然变化, 可以导致地块作水平运动, 地块中局部密度变大者, 具有向地壳极点运动的趋势;地块中局部密度变小者, 具有向赤道运动的趋势。根据这一理论, 研究彭庄井田所处地块与相邻地块的密度变化情况, 进而达到分析该区的宏观应力场概况。区域布格重力异常图如图4所示[6]。
分析井田所处的布格重力异常图, 可以看出, 在井田的东北有鲁西南沂源重力异常区, 井田处在西南方向的商丘-丰县鼻型正异常带中偏北部, 东北部异常区的重力异常值为5, 具有向南运动的趋势;商丘-丰县鼻型正异常值为15, 具有向北运动的趋势。
在这两个重力异常区相向运动趋势的共同作用下, 形成对井田的扭压作用, 在近东西向受到挤压。因此, 井田所属的区域应力场为受挤压的构造应力场型, 方向为近东西向。
3 井田地应力实测及分析
3.1 应力场测量及分析
在兖州矿区东滩煤矿利用下组煤水文地质补充勘探孔取定向岩样, 经室内加工后进行单轴抗压强度测试, 同时接受其声发射信号, 根据凯塞效应确定所对应的地应力值, 即采用声发射 (AE法) 进行地应力测量。测试结果如表1所示。
因为取样时, 各岩样的夹角为45°, 可采用以下公式计算最大、最小主应力的大小和方向:
式中σ11、σ21、σ31—分别是平行、垂直和45°
方向的正应力;
σ1、σ3—分别为平面最大主应力、平面最小主应力。规定应力以压为正;
σ—为σ1与σ11的夹角, 由主应力σ1逆时针转到σ11方向为正。
计算各测点的主应力大小和方向如表2所示。
矿区地应力场分为自重应力场型和构造应力场型。对于构造应力场型, 一点水平方向所受力, 可分解为水平构造应力与自重应力引起的侧压力之和, 经计算, 各测点构造应力值如表3所示。
综合以上分析可知, 各测点主应力值均为压应力。从表2、3看出, 最大主应力方向近东西向, 偏向西北, 这与区域构造应力场分析结果一致。
3.2 垂向应力规律分析
综合东滩煤矿以及临近矿井以往地应力测试成果和本次声发射法测试地应力结果, 测试结果显示随着深度的加大, 最大、最小和平均水平主应力有明显增大趋势, 分析地应力与深度的关系, 地应力随着埋深增加呈线性规律增加, 如图5所示。
经过线性拟合, 得出了埋深H与最大水平主应力σmax之间的关系为:
对回归曲线进行回归效果检验:相关系数r=0.78742>rα=0.505, α=0.01
埋深H与最小水平主应力σmin之间的关系为:
对回归曲线进行回归效果检验:相关系数r=0.558 08>rα=0.505, α=0.01
埋深H与平均水平主应力σav之间的关系为:
对回归曲线进行回归效果检验:相关系数r=0.78953>rα=0.505, α=0.01
通过回归效果检验, 最大、最小水平主应力和平均水平主应力与埋深的回归曲线都有一定的相关性。在垂向方向上地应力值随埋深呈现增加趋势。
4 结论
利用勘探阶段工程取定向岩芯对矿井小区范围内地应力进行声发射法测量是一种有效的经济的地应力测试手段, 为矿井设计和预防冲击地压事故提供了可靠的依据。井田地应力方向为近东西向, 自重应力场值和构造应力场值基本相当, 主应力值均为压应力。综合以往测试结果, 得出地应力随深度增加的规律, 并拟合了水平主应力与深度的关系。
参考文献
[1]彭向峰, 于双忠.淮南矿区原岩应力场宏观类型工程地质研究[J].中国矿业大学学报, 1998, 27 (1) :60-63
[2]蔡美峰.地应力测量原理和技术[M].北京:科学出版社, 2000
[3]山东煤田地质勘探公司.华北晚古生代聚煤规律与找煤 (山东部分) 构造专题研究报告[R].泰安:山东煤田地质勘探公司, 1991
[4]安欧.构造应力场[M].北京:地震出版社, 1992
[5]于双忠.煤矿工程地质研究[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1991.
[6]李文平.深厚表土中煤矿立井破裂工程地质研究[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2000
地应力实测 篇2
关键词：煤与瓦斯突出,地应力测量,空心包体应力计,应力解除法
对于矿山开采而言, 地应力是矿井开拓布置、巷道支护、采煤方法与采掘机械选择的重要基础资料, 也是防治煤与瓦斯突出、冲击地压等矿井动力灾害防治的参考依据[1]。地应力现场测量的目的在于了解岩体中地应力的量值和方向, 为井下岩体受力分析及支护加固和其他工程活动提供依据[2,3,4]。
河南能源化工集团九里山矿井田构造以断层为主, 各断层间形成了不同的断层组合, 从而导致原岩应力分布不均, 易发生煤与瓦斯突出, 且降低了井下采掘工程的稳定性。因此, 应结合九里山矿的地质条件, 采用空心包体应力解除法对井下地应力现场进行实测, 找出应力量值、方向及分布特征, 这对确保该矿井下作业安全和防治煤与瓦斯突出等动力灾害具有重要参考价值。
1 矿区地应力测量
1.1 测量仪器
本测试应变值数据采集元件为KX-81型空心包体三轴应力计 (图1所示) , 此仪器由中国地质科学院地质力学研究所开发研制。在解除套芯过程中, 采用P-12预调平衡转换箱和YJK-4500静态电阻应变仪进行读数 (图2所示) , 此仪器的量程为±9999με, 精度为±με。
1.2 测点选择
根据九里山矿提供的地质资料, 结合矿井的综合岩层性分布以及洞室布置、井底车场巷道和采掘关系、揭露岩层等情况, 经与矿方技术人员多次研究协商, 五个测点在井田的位置, 除了已经基本开采完的一水平, 大体上平均分布在二水平范围内, 各测点的测孔参数如上表所示。
1.3 地应力测试结果
本次地应力测试涉及面广, 历时近2个月, 共成功完成5个测点的实测工作, 由于测点1所在二水平轨道上山岩层比较破碎, 测点5所在的巷道条件所限, 均没能取出完整岩心。其余3个测点所取出的岩芯完整性较好, 传感器与岩体黏结牢固, 整体工作性能良好, 如图3所示。
应力解除完成后, 根据空心包体应力计各个应变片的读数, 分别绘出各测点的解除过程应变曲线。由于测点1所在二水平轨道上山岩层比较破碎, 测点5所在的巷道条件所限, 均没能取出完整岩心, 测点2、测点3、测点4岩心应力解除曲线如下图所示。
图4测点2应力解除曲线
从图4到图6可见, 各个测点应变解除曲线很有规律, 可以分为三个区, 一区为应变渐变区, 二区为应变突变区, 三区为应变稳定区。以上三个区与应力解除法的测试原理较为符合, 因此可以说, 九里山矿地应力各测点测量是成功的。根据各测试点得到各个应变片的稳定应变值, 如表2所示。
2 地应力测试结果解算及分析
2.1 地应力测试结果解算
根据各应变片的最终应变值以及岩芯的泊松比和弹性模量, 运用KX-81地应力解算软件, 可求出各测点的地应力量值和方向。通过KX-81地应力计算软件计算得到各测点的地应力分量的解算结果, 见表3所示;各测点主应力分量的解算结果, 见表4所示。
注:表中σx—x方向水平应力;σy—垂直方向正应力;σz—z方向水平应力;τxy, τyz, τxz分别表示平面xy, yz, xz的剪应力。
2.2 地应力解算结果分析
上表给出的是3个测点、不同埋深和位置的地应力计算结果。通过分析以上测量结果, 可以得出九里山矿的地应力分布存在如下的规律:
(1) 九里山井田范围内原岩应力最大主应力优势方向为NNE–WSS向。最大主应力为最小主应力的1.75~2.09倍 (图7所示) , 最大、最小主应力在量值上相差较大, 主应力具有较为明显的优势方向。
(2) 从各主应力的解算结果可以看出, 各主应力量值都为正值, 说明均为压应力, 无拉应力出现。垂直方向应力与中间主应力在数值上较为接近, 并且垂直应力随埋深的增长而逐渐增大, 但其量值基本上等于或者略小于上覆岩层的自重应力。
(3) 九里山矿最大主应力方向与水平面夹角在-6.63°~2.67°之间, 近水平, 说明该矿的地应力场以水平构造应力为主, 而非以自重应力为主。这也证明了在地球浅部, 地壳运动是以水平方向运动为主的。
(4) 最大主应力和最小主应力量值都随埋深的增加而增加, 并且最大主应力整体上大于最小主应力 (见图8) , 以上现象表明九里山井田最大主应力影响主导性较为明显。
(5) 焦作煤田区域内, 断裂主要有NEE、NWW、EW向三组断裂, 且以NEE向断裂为主。这三组断层交织成网, 将煤田分割成大小不等的断块。NWW向和EW向断裂构成井田群的分界, 而NEE向断裂则构成单个井田的分界, 区域地质结构复杂, 在区域向斜构造的压扭双重影响作用下, 九里山矿区域水平地应力大于垂直地应力。实测3个测点最大主应力方位在195°~227°之间。在构造破坏带, 即使深度不大, 围岩中也可能存在很高的构造应力, 具发生矿井动力灾害的条件。
3 结论
(1) 对九里山地应力测量数据整理、分析、对比, 得出各不同埋深、位置的地应力方向与量值。结果显示九里山最大主应力方向在水平方向, 并且最大主应力与最小主应力量值相差较大, 主应力具有明县的主导性。
(2) 在区域和井田断层构造的影响下, 九里山矿最大主应力量值和大小具有明显的主导性。在断层等构造破坏带, 虽然深度不大, 地壳中也可能存在较高的构造应力, 具发生煤与瓦斯突出等矿井动力灾害的条件。
(3) 由于地应力测量测点有限, 测量所得到的结果只是个别点的应力状态, 并不能全面反应整个矿井的区域应力状态, 更不能表现出地质构造带应力分布特征。因此以现场地应力测量结果为基础, 采用数值模拟方法对井田区域应力状态进行分析是接下来要研究的方向。
参考文献
[1]康红普, 林建, 张晓, 等.煤岩体地质力学原位测试及在围岩控制中的应用[M].北京:科学出版社, 2013:2-4.
[2]周摇钢, 秦宝华, 赵国庆, 等.矿井深部三维地应力场测量与特征分析[J].煤炭科学技术, 2012, 40 (8) :21-23, 27.
[3]蔡美峰, 彭华, 乔兰, 等.万福煤矿地应力场分布规律及其与地质构造的关系[J].煤炭学报, 2008, 33 (11) :1248–1252.
地应力实测 篇3
近年来, 许多学者多致力于预应力损失的研究, 并提出了多种确定预应力损失的方法, 然而, 还没有一种简单有效的方法来精确确定预应力损失, 这是由于很难确定材料的特性和外界的环境对构件的影响, 国内外对预应力损失的研究, 一般主要针对的是桥梁的纵向预应力损失的研究, 而对竖向预应力损失的研究还比较少。
竖向预应力损失过大, 是混凝土连续箱梁桥裂缝的主要原因, 国内不少学者与专家已作了一定的研究。其中, 因斜截面抗剪强度不足而引起腹板的斜裂缝, 是桥梁工程师们比较关注的研究内容之一。文献[1]指出:竖向预应力钢筋高强精轧螺纹钢筋螺帽的拧紧程度不同, 其锚固应力损失差别极大。由于设计以及设计规范存在的一些不足, 引起竖向预应力损失的原因很多, 影响因素复杂, 一般应根据现场测试方法确定, 本文通过现场测试, 进一步分析了竖向预应力失效与不足的原因, 并提出了相应的解决方法[3]。
2 竖向预应力损失
由于预应力技术的新建结构在结构体系、构造形式、施工方法等方面与常规的结构有较大的差别, 预应力损失的参考现行的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62-2004) (以下简称《桥规》 (JTG D62) ) , 在体外预应力结构中应考虑下列因素引起的预应力损失:
⑴预应力筋摩擦引起的预应力损失σl1;
⑵锚具变形、筋束回缩和接缝压密引起的预应力损失σl2;
⑶混凝土弹性压缩损失σl4;
⑷预应力钢筋的松弛引起的预应力损失σl5;
⑸混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失σl6;
⑹传力锚固后的损失, 考虑到竖向预应力筋在纵向布置上的均匀性, 因此本文进行一定的简化并作如下基本假定: (1) 忽略各排竖向预应力筋的相互作用; (2) 叠加原理适用; (3) 非预应力筋与混凝土保持良好的黏结。
⑺其他因素对竖向预应力的影响, 凡能使预应力筋相对周边混凝土产生缩短的因素, 都将造成预应力损失, 因此影响预应力损失的因素较多。
⑻后续荷载对竖向预应力的影响, 在张拉完成竖向预应力筋之后, 还存在较多的后续施工阶段, 此损失一般比较小, 可忽略后续荷载的影响。
⑼温度对竖向预应力的影响, 由于预应力筋与混凝土之间黏结力尚未形成这一期间预应力筋相对其张拉时刻的温度不同, 预应力筋中的应力将随温度的升高而有所降低, 可见这一损失不容忽视。
总之, 引起这些预应力损失的原因很多, 影响因素复杂, 一般应根据现场测试资料确定。
3 竖向预应力的现场测试方法
某大桥左幅桥竖向预应力设计为830级JL32精轧螺纹钢筋。每根竖向预应力筋设计张拉力为600.7kN, 每根精轧螺纹钢筋均需用630.7kN张拉力预拉后才能进行安装。鉴于竖向预应力筋在抵抗腹板主拉应力上的重要性, 设计方提出必须对所有竖向预应力束2124根的3%进行张拉力监测, 在竖向预应力的施工中埋设测力环 (压力传感器) , 以观察实际使用效果。
3.1 测试仪器与测点的选择
为保证监测长期顺利的实施并能保证足够的精度, 经过综合比较, 选用MGH型振弦式压力传感器及配套GSJ-2型智能检测仪作为竖向预应力监测设备。左幅桥共分15个悬臂施工节段, 在1～14号每个节段中随机选择1根高强螺纹钢筋安装压力传感器进行张拉力监测。
3.2 安装方法及测试过程
竖向预应力的监测可通过在竖向预应力筋锚固螺母与锚碇板之间安装压力传感器来完成。传感器的埋设方法有两种:在张拉端埋设和在锚固端埋设。压力传感器放在锚固端 (埋在混凝土中) , 因混凝土对这种形式锚具的嵌固作用, 锚固力不可能全部传给压力传感器, 导致压力传感器的承压力比实际小。受砼浇注质量影响而产生较大的离散性, 不能真实反应预应力筋的有效力。
综合考虑以上因素, 某大桥采用在张拉端埋设压力传感器 (见图1) , 在混凝土浇注前预留传感器导线孔, 以便后期将导线引入箱梁内。压力传感器埋设在张拉端, 虽不能反映摩擦损失后的张拉力, 但竖向预应力筋因是直束, 本身刚度相对较大使管道较直, 张拉产生的摩阻损失很小, 可以忽略不计。
竖向预应力筋张拉时, 需记录竖向预应力束的最大张拉力, 以测试实际张拉力与锚固端压力之差, 从而明确管道摩阻所造成的预应力损失;待预应力张拉到位并完成锚固后, 及时测出此时的预应力值。由于竖向预应力束较短, 锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩造成的预应力损失一般占较大的比例, 因此, 对锚固后竖向预应力的测量非常重要。如果此项损失过大, 可以通过调整预张拉力的大小来保证竖向预应力中的永存预应力大小;为研究混凝土弹性压缩所造成的预应力损失, 当被测竖向预应力束后两排的竖向预应力张拉时也应进行测量;混凝土的收缩徐变是造成预应力损失的一个不可忽略的因素, 尤其是混凝土浇注之后的短期时间内, 混凝土徐变和收缩量较大。因此在竖向预应力筋灌浆后的1～40天, 每天测一次, 其后每7天测一次。
4 测试结果及分析
由于测试的竖向预应力筋比较多, 只列出14号墩边跨侧竖向预应力的测试结果, 见表1。
从表1看出, 按设计张拉力747MPa进行张拉, 竖向预应力损失中混凝土弹性压缩损失较小, 影响约为6MPa。钢束传力锚固时的总损失中绝大部分是由锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的损失 (约占初拉力的10%～25%之间) , 钢束越段该项损失也大。收缩徐变引起的损失也相当可观, 到灌浆后10天平均损失约27MPa, 灌浆后30天平均损失约37MPa, 灌浆后60天平均损失约52MPa。同时, 在第一次张拉传力锚固后有5根竖向预应力筋 (约占总数的22.7%) 应力特别小, 起不到应有的作用, 这多半是由于张拉不认真, 螺母拧紧度不够造成的。由此可见, 竖向预应力筋的张拉工艺要求较高, 可通过埋设压力传感器来保证竖向预应力筋的张拉满足要求。
注:调整后指重新张拉竖向预应力筋锚固后的应力值。
5 结论
基于大跨世度预应力混凝土连续箱梁桥腹板竖向预应力损失的现场实测数据分析, 对箱梁腹板竖向预应力的损失进了分析, 得出如下结下论:
⑴由于竖向预应力筋一般都比较短, 钢束传力锚固时的总损失中绝大部分是由锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的损失, 竖向预应力的失效或不足, 主要是由施工引起, 但也与设计规范不完善, 设计意图难以实现有关。
⑵收缩徐变引起的预应力损失也占一定的比例, 到灌浆后10天平均损失约27MPa, 灌浆后30天平均损失约37MPa。
⑶竖向预应力钢筋高强精轧螺纹钢筋螺帽的拧紧程度不同, 其锚固应力损失差别极大, 可采用扭矩扳手衡量拧紧程度以控制锚固应力损失。
摘要：本文对预应力混凝土箱梁桥竖向预应力的现场测试方法作了简要的介绍, 并通过对某大跨预应力混凝土连续箱梁桥腹板竖向预应力的现场测试, 对预应力混凝土箱梁桥竖向预应力损失的原因进行分析认为, 预应力损失绝大部分是由锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的。
关键词：预应力混凝土,竖向预应力,连续箱梁,预应力损失
参考文献
[1]杜官民, 陈爱萍.混凝土结构竖向预应力筋锚固应力损失控制[J].桥梁建设, 2006 (增刊1) .
[2]中华人民共和国行业标准.JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社, 2004
[3]钟新谷, 等.混凝土箱梁桥竖向预应力作用下腹板应力场分析[J].湖南科技大学学报, 2005 (6) .
[4]李国平.桥梁预应力混凝土技术及设计原理[M].北京:人民交通出版社, 2004.
竖向预应力损失的实测与分析研究 篇4
多年来国内外学者多致力于预应力损失的研究,并提出了多种确定预应力损失的方法,然而,还没有一种简单而有效的方法来精确确定预应力损失,这是由于很难确定材料的特性和外界环境对构件的影响因素较为复杂,很难确定一个真实有效的理论计算模型来进行理论分析。现在工程界确定预应力损失的方法大致分为三类:分项预应力损失法,预应力总损失法,“时—步”分析法。
1 工程简介
汾河矮塔斜拉桥属于单箱三室大截面,腹板竖向预应力筋间距0.5 m布置在腹板中部,全桥通长布置共2 784根竖向预应力筋,数目众多。如果竖向预应力损失过大,达不到竖向预应力筋抗剪的目的,会引起箱梁腹板斜向裂缝的出现和扩展,甚至影响全桥的使用安全。因此在汾河矮塔斜拉桥施工中对于合理确定竖向预应力的各种损失,总结出施工工艺与预应力损失的对应关系以指导施工尤为重要。
汾河矮塔斜拉桥腹板竖向预应力采用ϕ32精轧螺纹粗钢筋,其抗拉强度标准值为750 MPa,张拉控制应力为674 MPa(张拉控制力为540 kN),配YGM锚具。梁底锚固、梁顶张拉。为了定量研究箱梁腹板预应力损失,在该桥选取了10个竖向预应力筋,顶部埋设了JXL-4型穿心压力传感器,由SS-Ⅱ型精密数字钢弦频率接受仪采集读数(精度为1 KZ)进行了预应力损失检测,如图1所示。
2 传力锚固时的损失
对于后张法混凝土构件,传力锚固时的损失(即第一批损失)主要包括预应力筋与管道壁间的摩擦引起的损失σl1;锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的损失σl2;混凝土弹性压缩引起的损失σl4。《公路桥规》中对于以上三项损失的计算公式为:
测试数据表明:由于竖向预应力筋较短,实际施工中预应力损失较大,经过一段时间调整,发现张拉力需达到预应力筋设计拉力的105%才能保证预应力筋的设计应力,因此后期采用了超张拉工艺,超张5%,将预应力损失减到最小。
3 传力锚固后的损失
对于后张法施工的混凝土构件,传力锚固后的损失(即第二批损失σl4)主要包括预应力筋的应力松弛引起的损失σl5,以及混凝土收缩和徐变引起的损失σl6。对预应力第二批损失分析的准确性取决于对混凝土收缩应变和徐变系数的计算及预应力损失方法的选用。现行的典型计算方法有:AASHTO 1994模型、ACI209-1992模型、B3模型、JTG D62-2004模型、GL2000模型等。
4 传力锚固损失计算
由于混凝土的收缩徐变和钢筋的松弛引起的预应力损失均随着时间变化,且产生的影响也是不同的,因此在计算时需考虑它们之间的影响,此外在计算中还应考虑非预应力筋的影响。确定这两种损失的方法较多,有关文献介绍精度较高的有“时—步”分析方法。“时—步”模型采用线性叠加原理,即任意时刻混凝土的应变为:
模型以1号预应力筋(4BS110C)为例将腹板从箱梁中取出,单纯看作轴心受压柱,以此构件为模型分析腹板竖向预应力损失。考虑到竖向预应力筋在纵向布置上的均匀性,因此对模型进行一定的简化并作出基本假定:1)忽略各排竖向预应力筋排间的相互作用;2)以叠加原理为基础;3)非预应力筋及预应力筋之间保持良好的粘结。在此模型中,将第一批损失即传力锚固时的损失完成至计算时刻之间的时间长度设为t,把t分割为n个时间间隔,在每一时间段内,假定预应力筋、混凝土以及非预应力筋的应力均保持不变,在t时段末才计入各种因素的影响,并作为下一时段的初始应力状态。分析步骤如下:
1)确定传力锚固损失完成时的初始预应力;2)采用JTG D62-2004收缩徐变计算模式,计算第一个时段内的混凝土应力的变化,根据应变相容条件计算出预应力损失σl6;3)计算由于预应力筋松弛引起的损失σl5;4)由前几步算出的σl5,σl6损失和得到第一步预应力总的损失,将第一步开始时刻的预应力减去第一步的预应力损失作为第二步的初始预应力值,进入下一步计算,循环计算直至ti时段结束。
“时—步”分析法计算法计算模型如图2所示。
至第i时段,其初始状态变量为:预应力筋的预拉力Pi-1,预应力筋处混凝土的应力为σci-1,则相对于第i-1时段,混凝土的应变变化为:
由此可确定由混凝土收缩徐变引起的预应力损失:
ΔPci=EpΔε(ti)。
同时考虑到预应力筋松弛引起的损失:
计入以上两种影响后,在第i时段末,预应力筋的拉应力为:
Pi+1=Pi-ΔPi=Pi-ΔPci-ΔPri。
因此在第i+1时段,混凝土的压应力相对于第i时段的变化为:
其中,As为非预应力筋截面积。
进入下一步进行计算直至结束,计算结果见表1。
从各模型计算出的预应力损失相差较大,发展趋势也有所不同,较为吻合的是时步分析结果。规范计算的预应力损失前期较吻合,后期发展较快。计算结果表明采用“时—步”模型计算预应力损失是可行的,此外按《公路桥规》计算的与时间相关损失基本能够反映实际情况。预应力筋越短,其锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的预应力损失越严重。
5 结语
理论和实践表明:三向预应力张拉工艺的运用,使得预应力损失准确计算的重要性尤为突出,其计算结果直接影响施工过程及成桥后结构的强度和变形。对于后张拉预应力混凝土结构,有预留孔道摩擦、锚具变形和构件弹性压缩等引起的瞬时预应力损失和钢束应力松弛、混凝土干缩、徐变等引起的后期预应力损失。
竖向预应力是抵抗剪应力和主拉应力的关键。没有设置竖向预应力筋的箱梁腹板,开裂更为严重。在施工过程中,结构的实际纵向预应力与设计值有一些差异,只有通过施工监测监控工作,一方面,保证结构有足够的竖向预应力和纵向预应力大小;另一方面,通过实际测量的纵向预应力大小来合理配置和调整竖向预应力,以提高结构的抗破坏能力。
摘要：通过对实际桥梁竖向预应力的测试,对传力锚固时的损失、传力锚固后的损失、传力锚固损失计算作了论述,计算结果表明,采用“时—步”模型计算预应力损失是可行的,其计算结果直接影响施工过程及成桥后结构的强度和变形。
关键词：桥梁,竖向预应力,传力锚固损失,计算模型
参考文献
[1]JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].