運用HintCAD系統模擬鋼束布設且精算預應力損失及理論伸長量

賀香寶

（江西有色工程有限公司，江西 南昌 3300038）

從上世紀70年代預應力技術引入國內以來，以其獨具的受力優勢和經濟效益得到廣泛運用，尤其在橋梁工程和大跨度空間結構中。且預應力體系能改善混凝土材料性能，在使用階段混凝土材料由脆性材料成為彈性材料，提高混凝土材料延性，改善混凝土結構的耐久性[2]。

無論是體內預應力還是體外預應力體系，鋼束的安裝位置精度是預應力體系質量保證的重要環節，準確的定位能減少混凝土的預應力損失，預應力受力路徑連續光滑。

預應力損失及理論伸長量一般按《公路橋涵施工技術規范》（JTJ041-2000）附錄G-8表中的預應力筋平均張拉力計算公式，普遍工程技術員通常采用公式（一）以直線與曲線合算的方法計算平均張拉力。筆者以為附錄中公式適用于曲線段，而小注中的PP=P的公式適用于直線段，且直線段與曲線段應采用分段計算。并分段計算預應力損失推出每段的終點張拉力作為下一段的張拉力。采用HintCAD道路設計軟件模擬鋼束并計算導出直曲參數表和逐樁坐標表能指導施工并減少預應力損失和伸長量手算強度。尤其是多段連續曲線非對稱布束時。

1 運用HintCAD系統模擬鋼束布設

HintCAD系統是道路設計軟件，以其適合中國工程師的設計思路且易學易懂與國外同類軟件分庭抗禮。

鋼束是混凝土體內一條光滑連續曲線，與道路設計中的主線具有相同的特性，因此鋼束位置的豎直面位置與路線平面位置一樣。以梁底為X軸，以豎向為Y軸，以張拉端為原點建立坐標系。鋼束的各個位置就相當于公路平面圖中的中線逐個樁號。

一般預應力鋼束為直線、曲線相連的形式布置，而且大多左右對稱。設計圖只提供張拉端的坐標，曲線起點、終點的坐標和曲線半徑等參數，少量設計圖紙會提供曲線交點坐標。如果提供轉角交點可直接輸入，如果沒有可在CAD中找出交點坐標后輸入HintCAD中的主線平面設計選項中。

2 HintCAD系統參數成果輸出

交點坐標和曲線半徑輸完后，點擊計算繪圖，在HintCAD繪圖區內出現一條與設計圖紙中相同的鋼束布置曲線，同時會標注起點、直圓點、圓直點、曲線半徑、曲線長和各點樁號等。運用設計導向建立樁號控制文件等四個中間文件。輸出各逐樁坐標，注意按每隔2m或5m樁號輸出，以施工控制定樁號間距。一般直線段為4m～6m，曲線段適當加密為2m。輸出的逐樁坐標在安裝鋼束時能精確地定位,并能精確地確定特征點的位置。

同時打開HintCAD中的表格輸出菜單，點擊輸出直曲表選項以導出鋼束的分段長度、偏角等參數。

3 鋼束參數導入編制的EXCEL程序分段計算預應力及理論伸長量

預應力損失和伸長量包括瞬間損失和長期損失，長期損失是由混凝土徐變引起，計算相當復雜，且涉及因素很多。本計算為瞬時損失和瞬時伸長量。預應力瞬時損失主要為長度效應、曲率效應和錨具壓縮量三個因素。因錨具壓縮量可通過試驗確定。

按《公路橋涵施工技術規范》（JTJ041-2200）附錄G-8預應力筋平均張拉力的計算公式應用，普遍技術人員采用按直線段和曲線段合并輸入附錄G-8中的公式，計算整段平均張拉力。把長度效應與曲率效應疊加考慮的平均算法。但附錄中的小注標明“當預應力筋為直線時PP=P”，式中PP為預應力平均張拉力，P為張拉端的張拉力。注明中應理解為在直線段預應力沒有損失。因此把直線與曲線合并計算的方法只能理解為簡化的平均計算。

筆者認為應按附錄G-8中的平均張拉力公式并結合小注中的PP=P公式，按直線段和曲線段分段計算，更能符合預應力損失的本質。

為了解決繁雜的手工計算，根據附錄G-8中的兩個公式編制EXCEL計算小程序。

PP=P（1-e-（Kx+μθ））/（Kx+μθ）（橋涵規范公式）[1]曲線段計算；

PP=P （橋涵規范附錄G-8中小注說明公式）[1]直線段計算；

預應力曲線終點張拉力 Pn=P*e-（Kx+μθ），直線段終點張拉力Pn=P；

按分段終點張拉力套用單向拉伸長度計算公式Δ=Pnl/EA；

以上公式含義見《公路橋涵施工技術規范》（JTJ041-2200）附錄G-8。

4 實例應用

根據HintCAD導出鋼束的直曲表參數和編制的EXCEL表格程序就可以方便地計算預應力筋的預應力損失和各段的理論伸長量。

福建省南安（金淘）至廈門高速公路泉州段A6合同段橋梁上部結構均采用后張法30m預應力T梁。邊跨梁鋼束按左右非對稱布置，筆者采用HintCAD系統模擬鋼束并導出直曲參數表，并把直曲表中的分段參數導入EXCEL程序中實現分段計算預應力損失和理論伸長量。并與橋梁博士3.0軟件計算結果一致。

圖1 HintCAD鋼束系統模擬

表1 預應力鋼絞線張拉理論伸長量計算

HintCAD鋼束模擬圖、直曲表，分段計算結果見圖1、表1。

5 結語

準確地安裝預應力鋼束和計算預應力筋伸長量是預應力體系質量保證的重要環節，通常設計圖紙只提供特征點的參數，準確地計算各點的參數相當煩碎，尤其是非對稱多段連續光滑曲線時。運用道路設計HintCAD系統模擬鋼束布設能精確計算且導出各點的坐標，偏角等參數（EXCEL文擋）。編制EXCEL小程序且套用HintCAD系統導出的直曲表（EXCEL）文件能實現全過程程序化分段精確計算預應力損失及理論伸長量，省去復雜的手工計算。運用道路設計HintCAD系統模擬鋼束布設及參數計算套用是筆者的首次嘗試，通過實例反復驗算并與橋梁博士3.0互算結果一致。