预应力与桥梁设计规范

在新体系下，结合我国公路桥梁建设的新发展，公路桥梁设计规范形成了集材料类别（混凝土钢）、结构形式（梁桥、拱桥、缆索桥）、设计内容（抗风、抗震）于一体的规范体系，采用了国际主流的概率极限状态设计理论。总体而言，目前公路桥梁设计规范的分工越来越细、内容越来越丰富，理论不断完善、理念不断提升。

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由于预应力混凝土在桥梁结构中应用非常广泛，对于它的设计计算方法以及设计规范的相关规定也是大家十分关注的内容，所以本文拟对这种结构设计计算中的次内力、构件破坏类型以及如何理解设计规范中的相关规定等问题进行讨论。

桥梁设计规范对预应力引起的

次内力的规定

在超静定预应力混凝土桥梁结构设计中，需要考虑预应力引起的次内力（有的教科书或者设计规范称为二次力或次效应），但在什么情况下计入该次内力、什么情况下不计入却并不是一个十分清晰的问题，这主要是指在承载能力极限状态或者破坏状态的验算中是否计入。

在桥梁设计规范中，不同的规范（包括不同时期的版本）有不同的规定。首先看公路桥梁设计规范， 1985年实施的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023-85）的3.2.7条规定：“对于预应力混凝土连续梁，在弹性阶段的计算中尚应计入由预加应力引起的混凝土弹性变形的二次力，并考虑混凝土徐变的影响；但在塑性阶段计算中可不计预加应力引起的二次力”。这段话的意思简言之就是在正常使用极限状态验算中计入预应力次内力，在承载能力极限状态验算中可以不计入。但在2004年实施的该规范（JTG D62-2004）以及2012年征求意见稿中，又要求在承载能力验算中计入预应力次内力。JTG D62-2004规范的第4.2.8条规定：“对于预应力混凝土连续梁等超静定结构，还应考虑预加应力引起的次效应”；第5.1.5条对于桥梁构件承载能力极限状态计算也规定计入“预应力（扣除全部预应力损失）引起的次效应”。

再看铁路桥梁设计规范，1985年实施的《铁路桥涵设计规范》（TBJ 2-85）中，要求对连续梁等结构计算时计入预应力次内力，没有区分使用阶段和破坏阶段（铁路桥规对于预应力混凝土结构承载力验算采用破坏阶段法，没有采用极限状态法）；而该规范1999年实施的TB 10002.3-99、2005年实施的TB 10002.3-2005以及今年刚刚颁布的TB 10092-2017中都规定（第4.3.4条）：“对于预应力混凝土连续梁，当计算应力时还应考虑预加应力产生的二次力，在检算破坏阶段的截面强度时，可不计预加应力产生的二次力的影响”。

规范关于预应力次内力规定的

原 因 分 析

从上面的介绍可以看出，设计规范关于预应力次内力的规定并不统一，那么到底哪种规定更合理呢？为了讨论这个问题，首先来看预应力次内力的计算方法。当前桥梁结构设计计算中，不管是对正常使用阶段还是承载能力极限阶段，通用的内力分析方法都是按弹性结构体系进行计算，预应力次内力也不例外。

上述设计规范中，无论是公路桥梁设计规范还是铁路桥梁设计规范，在正常使用阶段计算中均计入预应力次内力，这一点上是一致，也是容易理解的，因为在正常使用阶段，结构处于弹性阶段，预应力次内力的数值与前述的弹性结构体系计算的结果是一致的。

对于承载能力极限状态（公路桥规）或者破坏状态（铁路桥规），由于结构已经进入塑性阶段，按照定义，此时混凝土达到极限压应变，钢筋达到屈服强度，构件在这种状态的截面处形成塑性铰。如果超静定结构体系由于塑性铰的加入而成为静定结构或者可变体系，那么预应力次内力将不复存在。这就是不考虑预应力次内力的理由。但请注意，上面说的是当结构成为静定或者可变体系时，预应力次内力才完全消失，而现有规范无一例外地以一个截面的状态来代表整个构件的状态，只要一个截面达到承载能力极限状态，就认为整个构件达到了承载能力极限状态。但实际的超静定结构并不一定很多截面同时达到这种状态而成为静定结构或者可变体系，因此预应力次内力也并不一定就完全消失，这便是考虑预应力次内力的理由。

通过上面的分析，我们已经能够明白设计规范关于预应力次内力的规定出于什么考虑了，并且很明显，不管在承载能力极限状态或者破坏状态完全考虑还是完全不考虑预应力次内力都不够准确，要想更准确，就必须对结构进行塑性分析，得到结构的破坏路径，计算路径中每个关键阶段的实际内力，包括预应力次内力。但这样做太过复杂，不适合实际工程设计，故而有的规范（如现行的铁路桥规）中使用了“可不计…”来描述，也就是说，并不是强制性条文，你可以执行，也可以在有充分理由情况下不执行，也可以采取偏于保守的方法，即在验算破坏状态时，根据预应力次内力是有利还是不利来判断是否计入，有利时不计入，不利时计入。也有文献建议不利时全部计入，有利时计入一半。现行公路桥梁设计规范规定有利时分项系数取1.0，不利时取1.2。

预应力混凝土构件是

偏心受压构件还是受弯构件？

众所周知，预应力混凝土构件中，预应力会在构件上产生较大的轴向压力和弯矩，如果外荷载不产生轴力，那么此时构件的轴压力就仅来自于预应力。这样的构件在进行承载能力极限状态或者破坏状态验算时，到底是偏心受压构件还是受弯构件？熟悉设计计算和规范的人都知道，这种情况是按照受弯构件计算的。但按照教科书中的定义，既存在轴压力又存在弯矩的情况就属于偏心受压构件呀，怎么预应力产生的轴压力就不算了呢？

这其实跟预应力的特点有关，预应力效应跟外荷载效应不同，预应力效应是随着结构构件的变形和破坏过程而逐步减小的。当结构构件达到承载能力极限状态或者破坏状态时，预应力的直接效应（初内力）已经消失，因为外荷载作用效应必须先抵消掉截面上的全部预应力初内力（预压应力），然后才能达到承载力极限状态。但仔细分析一下这种解释就会发现，仍然存在不够严谨的地方。

以公路桥梁设计规范为例，受弯构件的内力包括外荷载和预应力次效应引起的弯矩，称为弯矩设计值，但在截面达到承载能力极限状态时，该弯矩只能抵消掉预应力直接引起的弯矩，不能抵消掉预应力直接引起的轴压力。后者的消失只能解释为截面受压区轴向缩短变形非常大，使得预应力效应（包括轴压力和弯矩）全部消失。这显然不是一个截面达到极限状态能够形成的，而是很多截面都达到极限状态才能形成这样的效果。也就是说，一个截面达到极限状态，会使预应力效应消失一部分，但不会全部消失。类似于上面关于预应力次内力的讨论，要想得到更准确的计算结果，必须进行破坏过程分析才行。

以上所述也只是讨论了其中的一部分问题，实际上该问题非常复杂，严格来说还存在许多问题需要解决。限于篇幅和本文的范围，不做更深入探讨。

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知识点：预应力与桥梁设计规范