大跨度预应力混凝土梁试验研究.pdf

2 0 1 0年第 2期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CO NC R ET E AND C E MENT P RODUC r S 2 01 0 No 2 Ap ril 大跨度预应力混凝土梁试验研究 沈显征 ， 王正飞 ( 1 浙江广厦建筑职业技术学院， 金华 3 2 2 1 0 0 ； 2 苏州中材建筑建材设计研究院， 2 1 5 0 0 4 ) 摘要 ： 通过现场测试 ， 得到了预应 力混凝 土梁 和柱的位移及 应变。在此基础上 ， 利用大型有 限元软件 A NS YS对某榀框架进 行了有限元 分析 。通过 比较可知 ， AN S Y S计算值与试验值吻合较好 ， 为预应力混凝土结构 的分析提供了较好的途径 和方法 。 关键词 ： 预应力混凝土 ； 有限元分析 ； 实验研究 ； A N S Y S 中图分类号 ： TU 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A 文章 编号： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 0) 0 2 - 7 8 0 5 O前 言 与 同等跨度 和载 荷 的静 定 预应力 混凝 土结 构相 比， 超静定预应力混凝 土结构具有 以下优点 ： 跨 中设计 弯矩小 ， 结构 内力在跨 中与支座处 的分 布较 为均匀 ， 刚 度 增大 ， 挠度减小 ， 在 超载情况下 可进行 内力 重分配 ， 提高承载力 。 本文的预应力梁为连续两跨超 静定结 构 ， 预应力钢筋采用波浪形 ，这样 同一根预应力钢筋 既可 用作正弯矩筋又可用作负弯矩筋 ， 不但受力合理 ， 且 只 需要较少 的锚具 ， 张拉的施工 费用也大大减少 。 具 有较 好 的整体性和抗震性 能 】 。 以上 的优点在实验 和有 限元 分 析中得到验证 。 1 工程概 况 延 安火 车站位 于延安市南郊 ，其站房设计为混凝 土框架结构 ， 该工程地下 l 层 ， 地上主体结构是二层框 架 ， 局部 为三层 ， 建筑 总高度 为 2 5 7 m， 平 面布置如图 1 所 示 。 我 们 对 站 房 预 应 力 工 程 中 C 区 二 层 的 C Y K L 2 0 9 、 C Y K L 2 1 l 预应力混凝土梁进行检测 ， 如 图 2 所示。 梁的混凝土设计强度等级为 C 4 0 ； 预应力筋采用 低 松 弛 钢 绞 线 ，直 径 为 1 5 2 m m， 标 准 强 度 = 1 8 6 0 MP a ， 弹性模量 E = 1 9 5 x 1 0 5 MP a ； 每 根预应力筋 由 1 2束钢绞线组成 ， 张拉端锚具采用 O V M 系列锚具 ， 如 图 3所示 ， 固定端采用 O V M 系列埋入式 挤压锚 ； 预 留 孔道采用 圆形镀锌金属波纹管 ；预应力筋 的张拉控制 应力为ff c = 0 7 0 a =1 3 0 2 M P a 。 9 p C Y K 1 1 9 O 图 1 火车站总体平面布置 Q 一 78一 图2 检测 梁的平 面位置 0 o 一 图 3 O V M 系列锚具及 钢绞线束 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 沈显征 ， 王正飞 大跨度预应力混凝土梁试验研究 本文对 其 中的一 根梁 C Y K L 2 1 1 进 行 实验研 究 和 有 限元 分析 ， 由此 得到的结论 应用 于梁 C Y K L 2 0 9 。预 应力 梁 C Y K L 2 1 1由两 跨 构成 ， 大跨 为 2 8 8 m， 小 跨 为 7 2 m， 截面 尺寸 为 1 2 m 1 6 m， 如 图 4所示 ； 预 应 力筋 采用曲线布置 ， 如图 5所示。 量 l l C Y K L 2 1 1 支 座剖 面示 意 I 1 1 2 (2 3 2 ( j l I 2 ( l 2 ( 0 l l l l 矗 r J ! l C Y K L 2 1 1 跨 中剖 面示 意 图 4 梁 C YK L 2 1 1的支座和跨 中示意 图 5梁 CyKL 21 1曲 线 筋 不 憩 2实验研究 2 1 实验 内容 ( 1 ) 预应 力筋与孔道壁之 间的摩 擦系数 ， 孔 道局 部偏差 的摩擦 系数 k ( 2 ) 锚具变形和钢筋 内缩值 ( 3 ) 柱顶水平变位和梁的反拱值 把位移计 ， 如 图 6所示 ， 安放在柱 顶相 应位置 处 ， 测读 张拉后的柱顶水平变位 。梁的反拱值测试采 用仪 器为挠度传感 器 ， 如 图 7所示 ， 在梁跨 中 、 两端放置 三 图 6位移传感 器示意 图 7 挠度 传感 器示意 个传感器 ， 量测相应工况 下梁 的反拱值 。 ( 4 ) 梁跨 中及支座截 面在施工过程 中的应变分布 使用 仪器 为 7 V 0 8应变 仪 ， 如 图 8所示 、 位移传感 器 、 应变片 。 在梁跨 中安放位 移传 感器 ， 如图 9 所示 ， 梁 两端粘贴 应变 片 ， 如 图 1 0所示 ， 记录 每种施工 工况下 的 麻 变 图 8 7 V 0 8应变仪 图 9 跨 中位移传感器安装示意 图 1 O两 端 应 变 片粘 贴 不 蕙 ( 5 ) 混凝土梁局部 承压下 的裂缝 观察 采用 目测 、 裂缝镜 、 照相设 备进行 观测。 2 2 C Y K L 2 1 l 梁检测仪器 的布置2 1 2 2 1 预应力筋 的张拉顺序 预应力筋 的张拉顺 序为逐根张拉 ，先依 次张拉 中 间两根预 应力 筋 ， 然 后 张拉两 边 的预应 力筋 ， 如 图 1 1 所 示 C Y K L 2 1 1 梁 东端 图 1 1 张拉顺序示意 北 侧 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 2期 混凝土与水泥制品 第 1 7 2期 2 2 2 位移计及挠度计安装位置 用 于 检 测 柱 顶 水 平 变 位 的 位 移 计 安 装 于 C Y K L 2 1 l 梁最西端梁轴线延 伸到柱 外侧位 置 ， 如图 1 2 所示 ； 用于检测梁反拱值 的挠度计安装于 C Y K L 2 1 1 梁 大跨 的梁跨 中及梁端 ，梁端挠度计距 柱内侧 水平距 离 2 0 c m， 如图 1 3所示 。 位移 计 不动杆 柱 图 l 2 位移计安装示意 3 #挠度计 2 鼻挠度计 3 # 挠度计 1 3挠度 计 安装 不 蕙 2 2 3 测试截面及梁跨 中位置测应变所用传感器安装 位置及编号 测试截面如图 1 4所示 ， 梁跨 中位置测应变所用传 感器安装位置及编号如图 1 5所示。 北端 截面跨 中截 面南端 截面 图 1 4 测试截面 柱 边 2 0 o 北 侧 南侧 2 o o 图 1 5 梁跨中传感 器位置示意 图 2 2 4 梁端应变片粘贴位置及编号 梁端应变片粘贴位置及编号如 图 1 6所示。 2 3 C Y K L 2 1 l 梁检测结果及计算分 析 2 3 1 预应力筋 与孔道壁 之间的摩擦 系数f 及孔道局部 偏差的摩擦 系数 k 一 8 0一 东侧 西侧 东侧 西 侧 梁 南 端 梁 北 端 图 1 6 梁端应变 片粘贴位置及编号 通 过 量 测 预 应 力 束 在 0 0 、 0 1 1 0 一 1 0 3 状态下 的长度 L及相应 的伸长值 L ，确定预 应力损失。 孔道局部偏差的摩擦 系数 k = 0 0 0 1 5 ， 取值于 混凝 土 结构 设 计 规范 ( G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) ( 以 下简 称 “ 规 范” ) ， 通 过计算 得到 的( 值 ， 如 表 l 所示 ， 其值小 于 规范 中给出的值 0 2 5 ，由于我国规范预应力筋张拉 锚 固后实际预应力值与工程设计规定检验值 的允许偏 差 为 5 ， 所 以规范给出值是合 理的。 表 1 摩擦 系数 值 第一束钢筋张拉 到 1 0 0 第二束钢筋张拉到 1 0 0 第三束钢筋张拉 到 1 0 0 第 四束钢筋张拉 到 1 0 0 O 2 2 0 1 8 O 1 9 0 2 0 2 _ 3 - 2 锚具变形 和钢筋 内缩值 通 过量测预应 力束在 1 0 3 和锚 固状态 下相应 的伸长值 L ， 计算得 到锚具变形 和钢筋 内缩 值 ， 如表 2所 示 。 表 2 锚具变形和钢 筋内缩值 张拉顺序 锚具变形和钢筋 内缩 m m 第一束 钢筋锚 固后 第二束钢 筋锚 固后 第三束钢筋锚 固后 第四束钢筋锚 固后 5 9 7 - 2 6 4 7 1 2 3 _ 3 柱顶水平变位和梁的反拱值 ( 1 ) C Y K L 2 1 1 梁 张拉锚 固后 ， 梁西端 中心 线 与柱 中心线相交处 向东水平位移为 0 0 4 1 m m，远小于层问 弹性位移限值( 1 6 m m) 。 ( 2 ) 张拉每一根钢筋时 ， 我们分别测出梁跨 中和两 端 1 0 0 c o n 、 1 0 3 c o n 、 锚 固放张后三种情况 下的挠 度( 为与 A N S Y S计算结 果相对 应 ，设 向下 的挠 度为 负 ) ， 其变化 曲线 如图 1 7 1 9所示 。 由图可知 ： 三种情况 下随张拉顺序变化较小 ，张拉完毕 后各个 挠度计 的数 值基本相等 ，所 以我们 以锚固放张后各截面的挠度为 例 ， 作出挠度 随张拉顺序变化 曲线 ， 如 图 2 0所示 ， 由图 可知 ： 跨 中挠度较大 ， 且增长较快 ； 两端挠度 较小 ， 且增 长较慢。 2 3 4 施加预应力过程中梁跨 中及 支座截面应变 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 沈显征， 王正飞 大跨度预应力混凝土梁试验研究 - 0 0 8 一 0 1 1 盍 0 1 4 一O 1 7 - 0 2 O 2 1 O 1 8 0 1 5 0 1 2 0 蟋 09 0 O 6 0 O3 O 一0 0 4 g 一 0 0 6 一0 0 8 - 0 1 0 2 张 拉顺 序 4 图 l 7 1 #挠度计随 张拉顺序变化 曲线 1 图 l 8 1 2 3 4 张 拉顺序 2 #挠度计随张拉顺序变化 曲线 张拉顺 序 2 3 4 图 l 9 3 #挠度 计随张拉顺 序变化曲线 2 5 2 0 g 1 5 蠢 1 0 嚣05 0 O - 0 5 张 拉 顺 序 图 2 O 锚固放张后挠度随 张拉顺序 变化 曲线 跨中截面应变曲线如图 2 1 所示( 受压为负 ， 受拉 为正 ， 下 同) ； 其 中 8 #传感器 出现问题无读数 。支座 截面应变 曲线如 图 2 2所示 。沿负方 向 ， 四条 曲线分别 代表张拉 完第一 、 二 、 三 、 四根预应 力筋各 个截 面应力 变化曲线 。 由图我们得 出 ： 跨 中和支座截面的应变均为 负值 ， 混凝土处于受压状态 ， 梁跨 中截面 的顶 部应变小 于底部应变 ， 梁支座截面的顶部应变大 于底部应变 。 骠 翡 镤 l 卜 骠 椎 氆 迎 + 0l J 2 8 5 0 7 2 一 + 0 2 0 3 3 4 9 6 7 一 应变， 8 应变， 图 2 l 跨中截面应变示意图 2 3 5 局部承压下 的裂缝观察 经 目测 、 裂缝 镜 、 照相等手 段观察 ， 均 未发现局 部 承压下 的裂缝 。 2 3 6 粱混凝土 回弹检测结果 l # 寒 越3 撑 斜 5 # 翼 ll# 12# 13 14# 15# + U 6 4 9 5 一 +U 7 l 1 0 5一 +0 8 3 1 4 2 一 +U 8 l I 7 6 一 应变 tx E 应变 8 应变 8 应变 图 2 2支座 截面应变示意图 C Y K L 2 1 1 梁 现场 回弹 实测 ，混 凝 土强度 为 5 4 8 MP a。 3 有 限元分 析 通过现场实验，得到大跨梁两端部和跨中的挠度 以及应力 。为 了验证实验 结果的正确性 ， 用 A N S Y S软 件对结构进行非线性有 限元分析 ，并对 照实验测量 的 结果 ， 分析结构的安全性 同时阐述 A N S Y S在模 拟预应 力混凝土梁 中的应用 。 3 1 模型 的建立及单元类型 的选取 混凝 土采用 S O L I D 6 5 单元 ， 预应力钢筋 用 L I N K 8单元 模 拟 ； 非预应力筋因为分布较为均匀 ， 可 以通过设 定混 凝 土材料 的配筋率来模拟钢筋 ，假定钢筋均匀 分布在 混凝 土梁截 面上 ，本混凝 土梁的非预应力纵筋 的配筋 率为 0 0 0 5 ； 混凝土柱不考 虑预应 力筋。 3 2 材 料的本 构模型和破坏准则 3 2 1 混凝土 混凝土材料 的非线性模 型采 用多线 性各 向同性强 化模 型( MI S O) ， 在混凝 土应力 不是很高且单 调加载 的 情况下可 以取得较好 的结 果 【 】 。混凝 土 的单轴受压应 力一 应变 曲线 ， 采用清 华大学 过镇海【3 卅 和设计 规范 2 1 所 采用 的分段式 曲线方程【 公式 ( 1 ) 】 。 o y 1 时 ， ) 仨 + ( 3 2 a 。 ) + ( 0 。 一 2 ) ( 1 a ) 1时 ， aa ( x - 1一 ) x ( 1 b ) O t a = 2 4 - 0 0 1 2 5 f ( 1 c ) O t d = 0 1 5 一 0 9 0 5 ( 1 d ) 式中， = 为混凝土棱柱体单轴抗压强度， N m m ； 为与 ， = 对应的峰值压应变， 可按下式计算： = ( 7 0 0 + 1 7 2 、 ) x l 0 ( 1 e ) S O L 1 D 6 5单 元 的 破 坏 面 为 改 进 的 Wma m Wa mk e 5参数破 坏曲面 ； 当围压较小时 ， 失效 面可以仅 通 过 两个参 数 即单 轴抗 拉 强度 和单 轴抗 压强 度来 确 定 ， 其它 3个参数采用模型默认值ts l 。由于该 混凝土梁 的挠度很小 ， 经 目测 、 裂缝镜 、 照相等手段 观察 ， 均未发 现有裂 缝产 生 ， 所 以 ， 在 S O UD 6 5单 元 中不设 置裂 缝 的剪切传 递系数。 3 2 2 钢筋 非预应力 钢筋采用 理想弹塑性的应力一 应 变关 系 ， 一 81 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 2期 理想 曲线 的方程如公式( 2 ) 所示 ： s y ， = E ； 占 y ， ( 2 ) 对于预应力钢绞线 ，其拉伸 曲线没有明显 的屈服 台阶 ， 但是本工程 中预应力钢筋应力值较低 ， 不会达到 比例 极限 ， 我们也采 用理想弹塑性 模型 ， 即公 式 ( 2 ) 的 本构关 系， 对计算 结果没有影响 。 3 3 预应力钢筋 3 3 1 预应力钢筋的处理 采用节点耦合法模拟预应力筋 ，对于直 线段 预应 力筋， 由于在 张拉 阶段时 Z向可 以 自由滑动， 故将 预应 力钢筋与板体的 X、 Y方 向约束耦合， z方向 自由。 对于 抛物 线段预应力筋， 则 需要旋转 相应节点坐标 系， 使 得 预应力筋与板体 X、 Y方 向约束耦合， 沿预应力 筋抛物 线切线方向 自由。另外还需要耦合梁端部 与柱体在 竖 向的位移。 3 3 2 预应力施加 预应力钢筋 的预应力荷载通过 等效 温度 的方式施 加 。等效计算公式为 T = i ， 式 中， T为施加 的温度； B O F为实际施加 的力 ； E为钢筋弹性模量； A为钢筋面积； 6 为钢筋的线胀系数。利用上式可将预应力扣除损失之 后等效成各种温度施加到预应力 钢筋上 ， 其 中预应力 的摩阻与锚具损失通过试验测得。 预应力 的损失包括短期损失与长期损失 。短期损 失主要包 括锚具损失及摩擦损失；长期损 失包括混凝 土压缩 与徐变 、 钢筋松弛等。 在张拉阶段主要考虑短期 损失。 3 4 A N S Y S 计算结果与实验测量结果 的对 比 预应力框架 的有限单元划分如 图 2 3所示 ， 采用 曲 线 布置预应力筋 。 A N S Y S分析得到的跨 中及两端截面 挠 度计算值与测量值( 指锚 固放 张后 的值 ， 下 同) ， 如表 3所示 ， 可以看 出 ， 两者挠 度的相对 误差较 小 ， 与 计算 值相比， 测量值偏小， 但误差在许可范围内， A N S Y S能 很好 的模拟预应力梁的施工过程 ；梁跨中及支座截面 中部应变 的计算值 与测量值对 比见表 4 ， 可 以看 出 ， 梁 跨 中的应变值较小 ， 远远没有达到峰值压应变 。 且混凝 土基本处于受压状态 ， 梁顶和梁底均 未出现拉应力 ， 可 以判断本梁为全预应力混凝土结构 ，处 于弹性工 作状 态 ， 安全储备较 大。 由 A N S Y S 分析结果可 以知道 ， 在全 一 8 2一 图 2 3 预应力框 架梁 网格划分 部预应力钢筋张拉完毕后 ，混凝土的应力应变值仍然 较低 ，没有出现因为混凝土 的拉断或压碎破坏而产生 的裂缝 ， 与实验结果相吻合 。 表 3 挠度计算值与实测值的对 比 表 4 梁截 面底部应变计算值与实测值的对 比 4结论 ( 1 ) 通过实验和有限元分析可知 ， 无论 是混凝 土的 应变 、 梁 的挠度 ， 还是预应力筋 的应力 ， 都 随着荷载步 的增加 而近似于线性增加 ， 且 梁的应力应变值均较小 ， 梁基本处 于弹性工作状态。 ( 2 ) 对梁跨 中及 支座处 的挠 度和应变 的计算 值与 测量值进行 的对 比分析表明 ，两端截面 的挠度计算值 大 于测量值 ， 说 明实验值可能偏小 ； 而应变 的计算值与 侧量值能很好的吻合。 张拉完毕后 ， 局部承压下梁 的压 应力值 最大值为 4 8 1 MP a ，仍小于混凝 土强度实测值 5 4 8 MP a ， 没有 达到混凝 土的抗压强度极 限 ， 所 以无裂 缝产生 ， 和实际观测和检验 的情况相符合。 ( 3 ) 通过对 梁跨 中及 支座处 的挠度 和应变 的计算 值 与测 量值 的对 比 ， 可 以看 出 ， 用 A N S Y S较好 的模 拟 了预应力梁 的张拉施工过程 ， A N S Y S有 限元计算 弥补 了实验的不足 ， 整个结构随预应力筋的张拉 ， 应力和应 变 的变化情况 ，为复杂结构的分析计算 提供有效 的方 法和途径。 参考文献： 【 1 宋玉普 新型预应力混凝土结构【 M 北京 ： 机械工业出版社， 2 0 0 5 【 2 王正飞预应力混凝土结构实验研究和有限元分析【 M】 太原 ： 太原 理工大学硕士学位论文 ， 2 0 0 8 3 过镇海 ， 时旭东 钢筋混凝土原理 和分析【 M 北 京 ： 清华大学 出版 社 2 0 0 3 【4 过镇 海 混凝土的强度和本 构关系一 原理 与应用 M 北京 ： 中国建 筑工业 出版社 ， 2 0 0 4 【 5 郝文化 A NS YS土 木工程应用 实例【 M】 北京 ： 中国水利水 电出版 社 2 0 0 5 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 2 - 0 4 作者简介 ： 沈显征( 1 9 8 1 ) ， 男， 在读硕士研究生。 通讯地址 ： 浙江省东阳市广福东街一号 联 系电话 ： 1 3 4 5 4 9 1 5 0 5 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m