1、預應力鋼絞線應變測量方法分析 摘要：預應力鋼絞線被廣泛應用于預應力大跨度結構，其應變的準確測量成了亟需解決的工程難題。工程界已經做了大量的研究，由于鋼絞線受力后各鋼絲并非均勻受力，而且還會產生扭轉，所以不能簡單的按照均質圓桿來計算。因此，減少相對誤差的長線法、把鋼絞線簡化成彈簧的彈簧法、綜合運用胡克定律和幾何關系的理論修正法及利用光學原理的光纖光柵法被引入到研究中來。通過對這些方法進行對比和分析，指出了這些方法的可取之處及不足之處，并為更進一步的研究提供新的思路。 關鍵詞：鋼絞線；應變；電阻應變片；彈簧 中圖分類號：tu378.1 文獻標志碼：a 前言:鋼絞線由于具有良好的柔性變形能力，能夠布

2、置成需要的曲線形狀，而成為首選的預應力材料被應用于預應力結構中。常用的鋼絞線是由6根外層鋼絲纏繞1根中心鋼絲成螺旋狀捻制而成的，習慣上稱6根外層鋼絲為外絲，1根中心鋼絲為內絲。由于制造加工工藝的結果，鋼絞線的外層螺旋鋼絲與鋼絞線的軸線成一定的夾角，這也給測量預應力鋼絞線的軸向應變帶來了一定的難度。通常鋼絞線的計算都是把其截面等效成單圓1，按照均質圓桿來計算。然而，從整體上看，鋼絞線受到軸向力后會產生扭轉，從局部上看，各鋼絲也非均勻受力。顯然，鋼絞線的受力性能不同于均質圓桿。因此，隨著鋼絞線被廣泛應用于各種大跨度預應力結構，鋼絞線應變的準確測量也成了亟需解決的工程難題。本文從理論分析和工程應用的

3、角度出發，對比分析現有各種測量方法的特點，并為更進一步的研究提供新的思路。 1測量方法分析 1.1長線測量法2 根據材料力學的應力應變關系 ， n張拉荷載， 、 張拉應力、鋼絞線軸向應變， a、e鋼絞線的橫截面積、彈性模量， l、l鋼絞線伸長量、長度。 通過試驗，利用千分表和傳感器測出鋼絞線的伸長量l和張拉荷載n，利用電阻應變片測出沿鋼絲的斜向應變（如圖1所示）。 假定鋼絞線軸向應變與斜向應變的關系為=/cos=r·（為螺旋鋼絲與鋼絞線軸線的夾角）。根據大量實驗得出的數據，運用統計規律求出彈性模量e和應變修正系數r，并控制相應的變異系數。 1.2彈簧法345 由于7根鋼絲在張拉方向的

4、變化量是相同的，中間鋼絲的直徑在受力的過程中變形很小，因此，彈簧法利用這兩個特點假定外層螺旋鋼絲的螺旋半徑是不變的，而每根外層螺旋鋼絲則相當于一個彈簧，鋼鉸線則相當于是由1根中間鋼絲和6根鋼絲彈簧組合而成。彈簧繞一周的長度為，l、r的關系如圖2所示。 由力的平衡關系，則 ea1+6ea2cosn， a1、a2分別為中間、外層鋼絲的截面積，、分別為中間、外層鋼絲的應變，e為鋼絲的彈性模量，為外層螺旋鋼絲與鋼絞線軸線的夾角。對s求偏導可得s，由s/s,根據上述平衡關系即可求得。 1.3理論修正法67 理論修正法是綜合運用胡克定律和幾何關系，對外層螺旋鋼絲的應變與鋼絞線的應變關系進行修正，進而對鋼絞

5、線的張拉力進行修正的方法。 將一個捻距內的螺旋鋼絲展開，螺旋鋼絲與中間鋼絲的長度關系如圖3所示。 根據廣義胡克定律，鋼絲的軸向應變與徑向應變徑有如下關系 徑= 由幾何關系可得 ， 其中，、表示螺旋鋼絲與中間鋼絲受拉前、后的夾角，dc0 、ds0表示中間鋼絲、螺旋鋼絲受力前的直徑，c、s表示中間鋼絲、螺旋鋼絲受拉后的應變，lc0表示一個捻距，是泊松比，取0.3。 采用數值解法，通過上式即可求解出c與s的關系。鋼絞線的軸向應變與中間鋼絲的應變c相等。 1.4光纖光柵法89 光纖光柵法是將光纖光柵埋入結構物，利用所觀測的光波波長變化，根據公式 ， 換算成應變變化的測量方法。 其中，1為光纖光柵軸向應

6、變（或被測主體的應變值），f為光纖光柵的靈敏度，*為修正的光熱常數。當溫度已知時，可以對溫度進行補償。當不考慮溫度影響時，可以直接通過 求解得到1。由于光纖光柵法測的應變就是鋼絞線沿軸向的應變，則1。 2分析 1）長線測量法是基于減小相對誤差的原理，通過大量實驗數據得出統計結論，具有一定的真實性，但未能給出鋼絲斜向應變與鋼絞線應變之間的準確對應關系。由于實驗采用的是直接直線張拉的方式，測量得出的結果，不適用于預應力混凝土結構，故不具有普遍實用性。由于結論僅由試驗得出，沒有嚴密的理論作為支撐，故其準確性尚須進一步驗證。 2）彈簧法巧妙的簡化了計算鋼絲應變的方法，可以運用幾何關系迅速求解鋼絲的應變

7、。但是，彈簧法將鋼絞線離散成簡單的1根鋼絲和6根鋼絲彈簧，顯然忽略了鋼絲彈簧之間的作用和鋼絲彈簧與中間鋼絲之間的作用，并且實際應用當中，各根螺旋鋼絲的張拉力并非均勻的，因此，其可靠性值得研究。 3）理論修正法綜合運用胡克定律和幾何關系，對螺旋鋼絲應變與鋼絞線軸向應變的關系作了理論求解并進行了修正，并結合試驗進行了論證。該方法考慮了螺旋鋼絲和中間鋼絲受力后直徑的變化，比之前的研究方法有一定的改進，但仍未考慮各根螺旋鋼絲張拉力的非均勻性，試驗結果在張拉力較小的情況下未能很好的與理論結果相吻合，還須進一步研究。 4）光纖光柵法利用光學原理測量鋼絞線的應變，該方法為鋼絞線應變的測量開辟了一個新的方向，

8、但是光纖光柵的斷裂極限應變只有5000左右，而預應力鋼絞線的應變通常可達10000以上，故需要預先將鋼絞線張拉到5000以上才能貼光纖光柵，對于后張法預應力結構,這將需要研究設計專門的貼裝夾具，尚且不論其準確與否，這都給施工實際操作帶來了很大的難度。 3結論 通過以上分析，可以得出以下結論： 現有的方法中采用有限元進行模擬分析的還比較少，大都沒有考慮各根鋼絲受力后的不均勻性，求解應變時也均是取每根螺旋鋼絲都相同。并且，鋼絞線在實際工程當中，可能會因為彎矩或剪力的存在，而導致鋼纖維應變不一致。因此，鋼絞線應變的測量還需要在現有基礎上做更進一步的研究，在以后的研究中，可以考慮理論分析結合試驗驗證，

9、同時用有限元模型進行同步模擬分析。 參考文獻 1namy a s, abdel -ghaffar a m. three dimensional nonlinear static analysis of cable-stayed bridges. computers and structures,1990,34(34): 257271. 2戴公連，呂海燕. 預應力鋼絞線彈性模量及應變修正系數的分析j.長沙鐵道學院學報，1993，11（1）：27-32. 3劉克勤，馬文堅，陳良飛，區錫祥. 鋼絞線單根受力時的變形分析a. 新世紀預應力技術創新學術交流會論文集c，2002：202205. 4王應軍，

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