1、序? 言

在本文章中，對預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)特征及次內(nèi)力作了簡要敘述，由于預(yù)應(yīng)力混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用非常廣泛，對于它的設(shè)計(jì)計(jì)算方法以及設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定也是大家十分關(guān)注的內(nèi)容，所以本文擬對這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中的次內(nèi)力、構(gòu)件破壞類型以及如何理解設(shè)計(jì)規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定等問題進(jìn)行討論，以期對從事該領(lǐng)域工作的讀者有所幫助。

2、橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范對預(yù)應(yīng)力引起的次內(nèi)力的規(guī)定

在超靜定預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要考慮預(yù)應(yīng)力引起的次內(nèi)力（有的教科書或者設(shè)計(jì)規(guī)范稱為二次力或次效應(yīng)），但在什么情況下計(jì)入該次內(nèi)力、什么情況下不計(jì)入?yún)s并不是一個十分清晰的問題，這主要是指在承載能力極限狀態(tài)或者破壞狀態(tài)的驗(yàn)算中是否計(jì)入。

在橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中，不同的規(guī)范（包括不同時期的版本）有不同的規(guī)定。首先看公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范， 1985年實(shí)施的《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 023-85）的3.2.7條規(guī)定：“對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，在彈性階段的計(jì)算中尚應(yīng)計(jì)入由預(yù)加應(yīng)力引起的混凝土彈性變形的二次力，并考慮混凝土徐變的影響；但在塑性階段計(jì)算中可不計(jì)預(yù)加應(yīng)力引起的二次力”。這段話的意思簡言之就是在正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算中計(jì)入預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力，在承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算中可以不計(jì)入。但在2004年實(shí)施的該規(guī)范（JTG D62-2004）以及2012年征求意見稿中，又要求在承載能力驗(yàn)算中計(jì)入預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力。JTG D62-2004規(guī)范的第4.2.8條規(guī)定：“對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁等超靜定結(jié)構(gòu)，還應(yīng)考慮預(yù)加應(yīng)力引起的次效應(yīng)”；第5.1.5條對于橋梁構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)計(jì)算也規(guī)定計(jì)入“預(yù)應(yīng)力（扣除全部預(yù)應(yīng)力損失）引起的次效應(yīng)”。

再看鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，1985年實(shí)施的《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TBJ 2-85）中，要求對連續(xù)梁等結(jié)構(gòu)計(jì)算時計(jì)入預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力，沒有區(qū)分使用階段和破壞階段（鐵路橋規(guī)對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算采用破壞階段法，沒有采用極限狀態(tài)法）；而該規(guī)范1999年實(shí)施的TB 10002.3-99、2005年實(shí)施的TB 10002.3-2005以及今年剛剛頒布的TB 10092-2017中都規(guī)定（第4.3.4條）：“對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，當(dāng)計(jì)算應(yīng)力時還應(yīng)考慮預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的二次力，在檢算破壞階段的截面強(qiáng)度時，可不計(jì)預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的二次力的影響”。

3、規(guī)范關(guān)于預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力規(guī)定的原 因 分 析

從上面的介紹可以看出，設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力的規(guī)定并不統(tǒng)一，那么到底哪種規(guī)定更合理呢？為了討論這個問題，首先來看預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力的計(jì)算方法。當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中，不管是對正常使用階段還是承載能力極限階段，通用的內(nèi)力分析方法都是按彈性結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行計(jì)算，預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力也不例外。

上述設(shè)計(jì)規(guī)范中，無論是公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范還是鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，在正常使用階段計(jì)算中均計(jì)入預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力，這一點(diǎn)上是一致，也是容易理解的，因?yàn)樵谡Ｊ褂秒A段，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力的數(shù)值與前述的彈性結(jié)構(gòu)體系計(jì)算的結(jié)果是一致的。

對于承載能力極限狀態(tài)（公路橋規(guī)）或者破壞狀態(tài)（鐵路橋規(guī)），由于結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入塑性階段，按照定義，此時混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變，鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度，構(gòu)件在這種狀態(tài)的截面處形成塑性鉸。如果超靜定結(jié)構(gòu)體系由于塑性鉸的加入而成為靜定結(jié)構(gòu)或者可變體系，那么預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力將不復(fù)存在。這就是不考慮預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力的理由。但請注意，上面說的是當(dāng)結(jié)構(gòu)成為靜定或者可變體系時，預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力才完全消失，而現(xiàn)有規(guī)范無一例外地以一個截面的狀態(tài)來代表整個構(gòu)件的狀態(tài)，只要一個截面達(dá)到承載能力極限狀態(tài)，就認(rèn)為整個構(gòu)件達(dá)到了承載能力極限狀態(tài)。但實(shí)際的超靜定結(jié)構(gòu)并不一定很多截面同時達(dá)到這種狀態(tài)而成為靜定結(jié)構(gòu)或者可變體系，因此預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力也并不一定就完全消失，這便是考慮預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力的理由。

通過上面的分析，我們已經(jīng)能夠明白設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力的規(guī)定出于什么考慮了，并且很明顯，不管在承載能力極限狀態(tài)或者破壞狀態(tài)完全考慮還是完全不考慮預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力都不夠準(zhǔn)確，要想更準(zhǔn)確，就必須對結(jié)構(gòu)進(jìn)行塑性分析，得到結(jié)構(gòu)的破壞路徑，計(jì)算路徑中每個關(guān)鍵階段的實(shí)際內(nèi)力，包括預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力。但這樣做太過復(fù)雜，不適合實(shí)際工程設(shè)計(jì)，故而有的規(guī)范（如現(xiàn)行的鐵路橋規(guī)）中使用了“可不計(jì)…”來描述，也就是說，并不是強(qiáng)制性條文，你可以執(zhí)行，也可以在有充分理由情況下不執(zhí)行，也可以采取偏于保守的方法，即在驗(yàn)算破壞狀態(tài)時，根據(jù)預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力是有利還是不利來判斷是否計(jì)入，有利時不計(jì)入，不利時計(jì)入。也有文獻(xiàn)建議不利時全部計(jì)入，有利時計(jì)入一半。現(xiàn)行公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定有利時分項(xiàng)系數(shù)取1.0，不利時取1.2。

4、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件是偏心受壓構(gòu)件還是受彎構(gòu)件？

眾所周知，預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中，預(yù)應(yīng)力會在構(gòu)件上產(chǎn)生較大的軸向壓力和彎矩，如果外荷載不產(chǎn)生軸力，那么此時構(gòu)件的軸壓力就僅來自于預(yù)應(yīng)力。這樣的構(gòu)件在進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)或者破壞狀態(tài)驗(yàn)算時，到底是偏心受壓構(gòu)件還是受彎構(gòu)件？熟悉設(shè)計(jì)計(jì)算和規(guī)范的人都知道，這種情況是按照受彎構(gòu)件計(jì)算的。但按照教科書中的定義，既存在軸壓力又存在彎矩的情況就屬于偏心受壓構(gòu)件呀，怎么預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的軸壓力就不算了呢？

這其實(shí)跟預(yù)應(yīng)力的特點(diǎn)有關(guān)，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)跟外荷載效應(yīng)不同，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)是隨著結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形和破壞過程而逐步減小的。當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到承載能力極限狀態(tài)或者破壞狀態(tài)時，預(yù)應(yīng)力的直接效應(yīng)（初內(nèi)力）已經(jīng)消失，因?yàn)橥夂奢d作用效應(yīng)必須先抵消掉截面上的全部預(yù)應(yīng)力初內(nèi)力（預(yù)壓應(yīng)力），然后才能達(dá)到承載力極限狀態(tài)。但仔細(xì)分析一下這種解釋就會發(fā)現(xiàn)，仍然存在不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤?。以公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范為例，受彎構(gòu)件的內(nèi)力包括外荷載和預(yù)應(yīng)力次效應(yīng)引起的彎矩，稱為彎矩設(shè)計(jì)值，但在截面達(dá)到承載能力極限狀態(tài)時，該彎矩只能抵消掉預(yù)應(yīng)力直接引起的彎矩，不能抵消掉預(yù)應(yīng)力直接引起的軸壓力。后者的消失只能解釋為截面受壓區(qū)軸向縮短變形非常大，使得預(yù)應(yīng)力效應(yīng)（包括軸壓力和彎矩）全部消失。這顯然不是一個截面達(dá)到極限狀態(tài)能夠形成的，而是很多截面都達(dá)到極限狀態(tài)才能形成這樣的效果。也就是說，一個截面達(dá)到極限狀態(tài)，會使預(yù)應(yīng)力效應(yīng)消失一部分，但不會全部消失。類似于上面關(guān)于預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力的討論，要想得到更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，必須進(jìn)行破壞過程分析才行。

以上所述也只是討論了其中的一部分問題，實(shí)際上該問題非常復(fù)雜，嚴(yán)格來說還存在許多問題需要解決。限于篇幅和本文的范圍，不做更深入探討。

來源：非原創(chuàng)文章，非商業(yè)轉(zhuǎn)載，只為傳承知識。原文出西南交通大學(xué)教授，李喬。