混凝土T形梁预应力损失及预应力钢筋应力增量分析.pdf

2 0 1 5年第 5期 5月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 5 No 5 Ma v 混凝土 T形梁预应力损失及预应力 钢筋应力增量分析 戎 贤 一 ， 仉庆 文 一 ， 赵 玉婷 一 ( 1 河北工业大学土木工程学院， 天津 3 0 0 4 0 1 ； 2 河北省土木工程技术研究中心， 天津 3 0 0 4 0 1 ) 摘要 ： 选取某大桥有粘结预应力钢筋混凝土 T形 梁作 为试验梁 ， 在跨 中进行集 中力分级加载 ， 预应 力钢 筋应力 增量由锚具和预 应力钢 筋与注浆之 间的粘 结力共 同传递给 混凝 土 ， 分析 了二 者承担 的比例及该梁 的预应 力损 失。研 究发现 在分级加 载过 程 中， 应 力增量主要是 由预应力钢筋与 注浆之 间的粘结力传递给混凝土 ， 由锚具承担 的部 分可 以忽略 不计 。 并将该 梁预应 力损 失的理论值与 实测值进行 比较 ， 得 出理论值 与实测值 的比值在 1 5 2左右 ， 说 明规 范 中 规 定的曲线有粘结预应 力筋预应 力损失 的计算公式偏 于保 守。 关 键 词 ： 粘 结 力 ； 混 凝 土 T 形 粱 ； 预应 力损 失 ； 应 力 增 量 Ab s t r a c t ： Ch o o s i n g a b o n d e d p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e T- s h a p e d b e a m f r o m s o me b ri d g e a s t h e t e s t b e a m， t h e s i n g l e f o r c e i s e x e r t e d o n t h e mi d s p a n o f the b e a m b y g r a d a t i o n l o a d i n g T h e s t r e s s i n c r e me n t o f p r e s t r e s s e d s t e e l i s t r a n s mi t t e d b y t h e a n c h o r d e v i c e a n d t h e b i n d i n g p o w e r b e t we e n t h e p r e s t r e s s e d s t e e l a n d t h e c e me n t p a s t e T h e f o r c e s h a r i n g r a t i o o f t h e p r e s t r e s s e d s t e e l a n d t h e c e me n t p a s t e a n d p r e s t r e s s i n g l o s s o f t h e b e a m a r e a n a l y z e d I t s f o u n d t h a t d u rin g t h e l o a d i n g p r o c e s s ， t h e s t r e s s i n c r e me n t i s ma i n l y t r a n s mi t t e d b y t h e b i n d i n g p o w e r ,a n d t h e b e a ri n g p a r t o f a n c h o r d e v i c e c a n b e i g n o r e d T h e o r e t i c a l v a l u e a n d me a s u r e d v a l u e o f t h e p r e s t r e s s i n g l o s s a r e c o mp a r e d T h e r e s u h s s h o w t h a t t h e r a t i o of t h e t h e o r e t i c a l v a l u e a n d me a s u r e d v a l u e i s a b o u t 1 5 2 ， wh i c h me a n s t h e s p e c i fi e d c o mp u t a t i o n a l f o r mu l a a b o u t p r e s t r e s s i n g l o s s o f t h e b o n d e d c u rve d p r e s s t r e s s e d s t e e l i s c o n s e r v a t i v e Ke y wo r ： B o n d f o r c e ； T- s h a p e d c o n c r e t e b e a m； P r e s t r e s s i n g l o s s ； S t r e s s i n c r e me n t 中图分 类号 ： T U 5 2 8 I 7 9 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5) 0 5 3 8 0 4 0前言 预 应 力 钢 筋混 凝 土结 构 会 产 生 预 应 力 的瞬 时 损失和长期损失， 这些损失对结构是有害的。因此 ， 预应力损失的有效控制 对于 目前广泛应用的预应 力 钢筋 混凝 土结 构是很 有 必要 的 。 对 于有粘 结 的 预应 力钢 筋 混 凝 土结 构 ， 在分 级 加 载过 程 中预 应 力 钢 筋 的应 力 增 量 是 由锚 具 和 预 应力钢筋与注浆之间的粘结力共 同传递 给混凝土 ， 但是对二者所承担 的传递给混凝土的预应力钢筋 应力增量 比例的研究仍相对较少。本文通过对有粘 结 预应力混凝土 T梁在使用 阶段锚具 和跨 中处预 应力钢筋 的应力增量进行分析 ， 对二者所承担的比 例进行研究 ， 可为有粘结预应力混凝土结构破坏方 式 提供 依据 。 1 试验 概况 1 1 试 验 T梁 尺寸 基 金项 目： 天津 市 自然科 学基 金项 目( 1 2 J C Y B J C 1 4 1 0 0 ) ； 河 北省 交通运输厅科 技计划项 目( Y 一 2 0 1 1 0 5 2 ) ； 河北 省交通 运 输厅科技计划项 目( Y 2 0 1 2 0 4 1 ) 。 一 3 8一 文 中采用的预应力试验 T梁尺寸如下 ： 全桥单 跨梁的长度为 3 0 m， 计算跨度为 2 8 9 m， 桥面净宽为 1 4 1 3 m、 梁 高 2 0 m、 宽 1 7 m、 顶板 厚 0 1 6 m、 腹 板厚 0 2 2 m、马 蹄 宽 0 5 2 m，在 支 点 处 腹 板厚 变 宽 为 0 5 2 m。桥梁的纵坡为 0， 横坡为 1 。设计荷载为公 路一I 级x 1 3 0 。具体截面尺寸如图 l 所示 。 、 _ _ J 4 0 L 6 0 2 2 6 0 L 4 9 L 1 1 8 1 5 ( 、 导 l 2 单位 ： c m 图 1 试验 T梁横断面 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 戎 贤 ， 仉庆文， 赵玉婷 混凝土 T形梁预应力损失及预应力钢筋应力增量分析 1 2 试 验 T梁 材料 的基本 性能 试验 T梁 混凝 土采 用 的是 配合 比为 1 ： 1 3 1 ： 1 2 1 ： 0 3 1 ( 水泥： 砂： 碎石： 水) ， 且外加水竭重量 2 5 聚羧酸系减水剂的 C 5 0混凝土 。其 中， 水泥采用普 通硅酸盐水泥； 砂子采用天然河砂； 碎石最大粒径 不宜超过2 0 mm。混凝土基本性能指标如表 1 所示 。 表 1 混凝土的基本性能指标 普通钢筋采用 H R B 3 3 5钢筋 ， 预应力钢筋采用 直径 d = 1 5 2 ra m的低松弛高强度钢绞线。预应力钢 筋的基本性能指标如表 2所示 。 1 3 预应力钢筋及加载梁布置 预应力钢筋布置如图 2 、 图 3 、 图4所示。加载钢 梁长 6 m、 宽 0 4 m、 高 1 0 m。加载布置立面图见图5 。 表 2 预应力钢筋的基本性能指标 跨 中心线 L A 图 2 预应力钢筋布置立面图 笠 520 l 图 3 A A截面预应力钢筋孔道 图 4 B B截 面预应力钢筋孔道 B- 基 础 图 5加载布置立面图 1 4测试项 目及测点布置 在 预应力钢筋 N1 、 N 2 、 N 3的中部及端部( 梁 内) 分别布置 6个钢筋应变片。测试 内容分为 以下 Cm 基础 两个方面： 将预应力钢筋进行张拉 ， 待张拉结果 稳定后， 测量并记录钢筋应变片的应变。在集中 力分级加载过程 中分别测量并记录该 6个位置 的 一 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 5期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 9期 钢筋应变。 2试 验 内容 2 1 测量实际预应力损失 用张拉千斤顶进行张拉 。 张拉钢绞线采用两端 同时张拉 。张拉前先将锚具安装就位 ， 锚具与钢绞 线束保持垂直 ， 即可对预应力钢筋进行张拉。在张 拉完成且 张拉结果稳定后 ， 将实际伸长值和理论伸 长值进行比较 ， 保证误差应在 6 以内， 然后将钢筋 应变 片的应变乘以预应力钢筋的弹性模量 ， 得到实 际张拉 的预应力 ， 将设计张拉预应力 与实际张拉 预 应力做差 ， 即可得到实测预应力损失 。 2 2 测 量预 应力 钢筋 的应 变增量 试验采用量程为 0 5 0 0 0 k N的千斤顶作为加载 设备， 分为预加载和正式加载两步。 ( 1 ) 预加载 试 验前 需 要 对试 验 T梁施 加 至 8 0 t( 设 计 正 常 使用阶段试验荷载) 进行预压 ， 在预压过程 中荷载 按 1 0 递增 ， 同时对试 验 梁进 行裂 缝观 测 ， 以消除 结 构前期塑性变形 ， 检 测测试 系统 、 加载设备 的工作 性 能 。 ( 2 ) 正式 加 载 采用力控制加载制度 ， 按如下 3 O级进行加载 ： 零荷载一极限承载能力状态一零荷载 ， 每级的荷载 值为 ( 单位： t ) ： 0 、 1 0 、 2 0 、 3 0 、 4 0 、 5 0 、 6 5 、 7 0 、 7 5 、 8 0 、 8 5 、 9 0 9 5 1 0 0 1 0 5 1 1 0 1 1 5 1 2 0 1 1 2 5 1 3 0 1 3 5 1 4 0 1 4 5 1 5 0 1 5 5 1 6 0 1 6 5 1 7 0 1 7 5 1 8 0 0 每级加载完成后测量并记 录预应力 钢筋 的应 变增量 ， 由所得应变增量乘 以预应力钢筋 的弹性模 量 即可得到预应力钢筋在每级荷载加载完成后的 应 力增 量 。 3试 验 结果及 结果 分析 3 1 试 验 T梁 的预应力 损失 分 析 对 本 试 验 T梁 实 测 总 预 应 力 损 失 为 2 1 3 5 4 MP a 。 按照 J T G D 6 2 2 0 1 2 ( 公路钢筋混凝土及 预 应 力 混 凝 土 桥 涵设 计 规 范 进 行 预 应 力 损 失 计 算 ， 得到理论总预应力损失为 3 2 5 5 4 MP a ， 然后将总 预应力损失实测值与理论值进行对 比。 理论总预应力损失 ( 对有粘结部分预应力混凝 土梁 的 预应力 损 失 )包括 如 下 5种 ： 。 张拉 端 锚具 变形和预应力筋 内缩引起 的预应力损失 ； 0 2 预应力 钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失 ； 混 凝 土加热养护时 ， 预应力筋与承受拉力 的设备之 间 的温差引起的预应力损失 ( 本试验采用后张法 ， 因 此 ， 不考虑此部分预应力 的损失 ) ； 预应力筋的应 力松弛引起的预应力损失值 ； 混凝土收缩 、徐变 引起受拉 区纵 向预应力筋的预应力损失值。 试 验 T梁总预应力损失理论值 与实验实测值 如 表 3所示 表 3 试验 T梁的预应力损失数据 MP a 本试 验 T梁按 照 抛物 线 型进 行 布置 。根据 J T G D 6 2 2 0 1 2中规定的预应力损失计算公式进行预应 力损失计算 ， 发现理论值与实测值 的比值达到 1 5 2 左右 ， 理论值与实测值相差较大 。说 明按照 曲线布 置有粘结预应力筋 的现有 预应力损失计算公式偏 于保 守 ， 计算值偏大 ， 致使预应力梁具有一定 的安 全储备 ， 也为以后预应力损失 的合理计算提供 了经 验支持。 3 2 试 验 T梁 的预 应力 钢筋应 力增 量分 析 对于无粘结预应力混凝土结构而言 ， 由于预应 力筋与周 围结构体存在相对滑移 ， 因此 ， 在分级加 载过程 中预应力钢筋应力增量大部分都是 由锚具 传递给混凝土的。然而 ， 对于有粘结的预应力混凝 土结构而言 ， 在分级加载过程 中预应力钢筋的应力 增量是 由锚 具和预应力钢筋与注浆之 间的粘结力 共同传递给混凝 土 但是对二者所承担 的传递给混 4 0 凝土 的预应力钢筋应力增量 比例的相关研究仍处 于空 白阶段 。本试验通过实、? 贝 4 得到在分级加载过程 中跨 中处预应力钢筋的应力增量与锚具处预应力 钢筋应力增量 的拟合 曲线及分配 比分别如 图 6和 图 7所 示 。 由图 6可知 ， 在荷载逐级加大过程 中 ， 跨 中处 预应力 钢筋与锚具处预应力钢筋 的应力都在增加 ， 但 是跨 中处预应力钢筋 的应力增加幅度要远大 于 锚具 处 预应 力 钢筋 的应力 增 加 幅度 。 由图 7可 知 ， 即使锚 具 处预 应力 钢 筋应 力增 量在 加载 弯矩 为 4 3 3 5 k N m时， 占跨 中预应力钢筋应力增量最大 ， 但 也仅为 1 6 7 。说明该 T梁在正常使用 阶段的预应 力 主要是 由预应力钢筋 与注浆之间 的粘结力传递 给混凝土 ， 而由锚具传递给 昆 凝土的部分可忽略不 计。根据以上试验结果和结论以及预应力钢筋的疲 劳强度一 疲 劳寿命关 系曲线 ( 如 图 8所示 ) ， 对预应 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 戎 贤 ， 仉庆文 ， 赵玉婷 混凝土 T形梁预应力损失及预应力钢筋应力增量分析 2 0 0 0 1 6 0 0 1 2 0 0 8 0 0 4 0 0 O 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 应力增量 MP a 图 6 锚具处和跨 中处预应力钢筋应力增量一 荷载关系曲线 l g U 图 8 预应力钢筋疲劳强度一 疲劳寿命关系 曲线 注 ： c r P 为 预应力钢筋应力增量 为预应力 钢筋的抗拉强 度标准值 ； l g 为疲劳寿命 的对数值 。 力钢筋 的疲劳破坏问题进行如下定性分析。 预应力钢筋的疲劳破坏问题主要取决 于加 载 应力变幅以及预应力的大小。在加载之前有粘结预 应力试验 T梁锚具处和跨 中处预应力 钢筋的应力 值基本相 同： 加载之后 由于预应力增量几乎全部 由 跨 中处 预应 力 钢筋 承 担 ， 所 以跨 中处预 应 力 钢 筋发 生疲 劳破 坏需要 的荷载循环次数要远少 于锚具处 预应力钢筋发生疲劳破坏需要的荷载循 环次数 ， 但 是试验 T梁在活荷载作用下 ， 跨中处预应力钢筋与 锚 具处预应力钢筋所 承受 的荷载循环 次数始终保 持一致。因此 ， 有粘结预应力混凝土结构预应力钢 筋 的疲 劳 破坏发 生 在锚具 处 的可 能性很 小 。 4结论 ( 1 ) 通过对有粘结预应力混凝土 T梁 的预应力 损失分析可知 ，按照 J T G D 6 2 2 0 1 2中规定 的预应 力损失计算公式得到的理论值是实测值的 1 5 2倍 ， 因此 。 规 范中规定的 曲线有粘结预应力筋预应力损 失的计算公式偏于保守。 皿 删 磐 岳 磐 撂 弯矩值 ( k N- m) 图 7锚具处预应力钢筋应力增量 占跨 中处的 比例 曲线 ( 2 ) 有粘结预应力混凝土 T梁在活荷载作用下 ， 预应力钢筋 的应力增量主要是 由预应力钢筋 与注 浆之间的粘结力传递给混凝土的。 由锚具传递给混 凝土的部分可忽略不计 。在重复荷载的作用下 ， 若 注浆的质量能得到可靠保证 那么锚具处基本不会 发 生疲 劳破 坏 的情况 。 参考 文献 ： 1 冯秀峰， 宋玉普， 章坚洋， 等 疲劳荷载下预应力混凝 土梁 中 钢筋应力 重分 布的试验研究 J 建筑结构学报， 2 0 1 3 ， 2 7 ( 2 ) ： 9 4 99 【 2 赵少伟 ， 代东 辉， 郭蓉， 等 配置 高强 钢筋 的 U P C梁预应 力 筋极 限应力增量试验研 究f J 混 凝土与水 泥制品， 2 0 1 4 ( 2 ) ： 5 4 5 7 3 王英， 王 晓东， 郑 文忠 混凝 土连续梁板 中无粘结预 应力钢 筋应力增 长规律研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 6 ) ：4 0 4 8 4 1 左清军， 吴立， 李彦， 等 后张有粘结预应力混凝 土梁的测试 分析 J 建筑技术， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 1 2 ) ： 1 1 0 4 1 1 0 7 5 】 徐美庚， 苏辉 艳 部分预应 力混凝 土结构开 裂后 的钢筋应 力增量计算【 J 】 铁道建筑， 1 9 9 8 ( 1 0 ) ： 2 7 3 0 6 方志， 汪剑 预应力 混凝土箱 梁桥竖 向预应 力损失 的实测 与分析f J 土木工程学报， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 5 ) ：7 8 8 4 【 7 】N A B I L L G F R e s p o n s e o f C o n t i n u o u s C F R P P r e s t r e s s e d C o n c r e t e B r i d g e u n d e r S t a t i c a n d R e p e e d L o a g i n g J 】 P C I J o u r n a l ， 2 0 0 0 ， 4 5 ( 6 ) ： 8 4 8 9 8 曾丁， 王 国亮 ， 谢峻， 等 预应力混凝土 梁疲 劳预应力损失探 索性试验f J J 公路交通科技， 2 0 1 2 ， 2 9 ( 1 2 ) ： 7 9 8 3 【 9 栾兆健 预应力混凝土小箱梁预应力 阶段预应力损失分析 J 森林工程， 2 0 1 3 ， 2 9 ( 6 ) ： 1 2 0 - 1 2 3 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 3 2 4 作者简介 ： 戎 贤( 1 9 6 5 一 ) ， 男 ， 教授 。 通讯地址 ： 天津市北辰区双 口镇 西平道。 5 3 4 0号 联 系电话 ： 1 5 0 2 2 1 2 2 6 2 3 E- mai l ： z h a n gq in g we n1 0 21 2 6c o m 一 41一 z 挺 z 轿挺 学兔兔 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