高效预应力混凝土梁受力性能及延性研究刘爽

高效预应力混凝土梁受力性能及延性研究刘爽

刘爽

刘爽

中建港务建设有限公司上海200000

摘要：由于中国基础设施的主要结构材料是钢筋混凝土，多年来钢筋和线材一直在建筑用钢消耗中占最大比重。2010年中国钢筋产量1.4×108t，2011中国钢筋用量已达1.67×108t，其中主要以500MPa级以下的中低强钢筋为主，极限强度标准值最高可达10860MPa甚至1960MPa的高强预应力钢筋所占比重极小。为了研究高效预应力混凝土受弯构件的受力性能，对24根预应力混凝土梁进行了试验研究，分析了混凝土强度等级、预应力比率、配筋指数、钢绞线的延伸率等参数对试件裂缝、变形、受弯承载力和破坏形态的影响，并与规范（GB50010—2002）进行了比较.

关键词：预应力混凝土；高强混凝土；梁；承载力；破坏形态

引言

随着我国经济实力的不断发展，建筑行业也得到蓬勃的发展，建筑工艺也得到大幅度的提升与改善。随着高强钢筋、高强混凝土的广泛使用，其预应力和梁受力的性能及延性也受到越来越多的关注。本次实验主要是通过观察探究试件梁从开裂到完全丧失承载力的全过程，及在极限状态下使用试件梁的裂缝宽度和变形的过程。研究结果表明，受拉区仅配置预应力钢绞线的高效预应力混凝土受弯构件在正常使用阶段裂缝宽度和挠度可以控制，且钢绞线延伸率大小对其破坏形态有直接影响，并建议结构设计时应考虑钢绞线的延性对破坏形态的影响.

1高效预应力混凝土结构背景

近年来，高效预应力混凝土结构广泛应用于高层建筑、大跨度桥梁、水工建筑以及海洋工程等方面.高效预应力混凝土结构就是采用高强度钢材和高强度（高性能）混凝土并施加预应力所形成的预应力混凝土结构.其显著特点是以高效钢材（高强低松弛、高均匀延伸率钢绞线或钢丝）取代低强度、低性能的钢材，用高强度、高性能混凝土取代普通混凝土.在正常使用条件下，普通高强钢筋混凝土受弯梁往往存在裂缝及挠度超限和钢筋应力较大等问题．预应力混凝土梁能有效地控制裂缝及挠度，国内外学者对预应力混凝土梁进行了大量的试验及理论研究，取得了一定的研究成果．研究结果表明，预应力混凝土梁能满足规范中裂缝及挠度的相关规定．我国现行《混凝土结构设计规范》中已经列入ＨＲＢ５００钢筋，但用钢水平与国外还有一定差距．目前，国内外关于高强混凝土的研究很多，但关于预应力高强混凝土受弯构件的报道较少，国内的大连理工大学、东南大学、西南交通大学等做了一些无粘结部分预应力高强混凝土梁的试验研究，而对先张法有粘结预应力高强混凝土受弯构件的报道几乎没有.此外，《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）已经开始实施，相对于原规范（GBJ10—89）而言，混凝土强度等级由C60提高到C80，钢筋的品种也有较大变化.受拉区仅配置预应力钢绞线的预应力高强混凝土受弯构件极限状态时构件延性能否满足要求，规范（GB50010—2002）也没有给予明确的说明.因此，就该问题开展试验研究，对于设计者更好地把握和运用规范，具有重要的实践意义.为此，作者进行了一批先张法大尺寸高效预应力高强混凝土梁的试验研究，分析了其极限状态时控制截面的应力状态，探讨了钢绞线延伸率与破坏形态的关系.

2预应力梁的实验方式

2.1实验的设计方式

实验将采用C80和C100两种等级的混凝土，采用曲线布置和直线布置的方式来完成预应力的布置方式。实验中会先粘结后张预应力，并对其采用直线布置的方式。为了保证实验中试件梁是自然产生弯曲破坏，而不是因为人力造成的剪切破坏，因此实验中会加固梁的剪完段，使梁的预应力框架完成符合抗震的结构要求。同时，为充分了解预应力梁受力的性能和延性，故在设计实验时应充分考虑到以下几点：（1）混凝土的强度对其的影响；（2）观察试件梁与普通量的配筋率的不同，分析配筋率不同对其延性的影响；（3）预应力强度比对其延性的影响，并且是否符合我国相关的规范标准。

2.2实验材料

材料：细骨料（含水量7.1%，含沙量1.0%，细度模数2.6，颗粒级配属于Ⅱ区中砂，表观密度为2641kg/m3，堆积密度为1655kg/m3）、粗骨料（含水量0.9%，含泥量0.5%，针片状颗粒含量为2.8%，压碎指标为7.8%，表观密度为2850kg/m3，堆积密度为1500kg/m3）、水泥（为P.Ⅱ52.5级硅酸盐水泥，初凝时间为140分钟，终凝时间为190分钟）、矿粉、粉煤灰、硅粉、减水剂、高强混凝土（由专门的公司制造完成）、钢筋（HRBF500级和HRB400级）、钢绞线及波纹管（低松弛1860级1×7股钢绞线，波纹管的直径为65毫米）。

2.3实验过程

将规格为3×2毫米的电阻应变片粘贴在钢筋上，并将该位置打磨平整，并固定好接引线，方便之后的焊接；电阻变应片与接引线焊接完毕后，测试电阻变应片，确保其电子在120千欧左右。使用涂有703硅胶的纱布缠绕在应变片上，防止应变片受潮；待胶水干了后在涂上一层环氧树脂，保护应变片在混凝土浇筑的过程中不会受到破坏。在混凝土浇筑之前，将相邻的连接线捆成束状，并安置在横撑上。

使用两点集中的对称同步分级加载方式作用在预应力梁上，将加载所用的液压千斤顶的量程设定为50t，在梁计算跨度的三等分点处设置加载点。加载前，将预应力梁吊装至支墩上。利用网格线确定好所有的加载点，并放置好宽为100毫米，厚为25毫米的钢板，在钢板上铺设一层薄沙。按照《混凝土结构试验方法标准》GB50152—92进行操作，每集加载的幅度为屈服荷载的20%，加载值试件梁出现开裂的征兆[4]。预应力梁的受拉纵筋屈服后，使用位移控制加载，每级加载的幅度与梁的屈服位移相同。每次加载持续10分钟，待梁稳定后观察其是否出现裂缝，并做好相关的记录。

3实验结果

3.1预应力梁呈延性破坏

在开始加载的阶段，预应力梁的弹性就表现出变形的状态，当加载的力度升至0.4倍时，试件梁的纯弯段出现了明显的裂缝。随着加载的继续，裂缝越来越多，并逐渐向中和轴上移动，混凝土逐渐碎裂，直至最终失去承载力。试件梁的的总配筋率为0.70%～1.50%，整个破坏过程与普通适筋梁相似。

3.2混凝土的浇筑过程中

在混凝土的浇筑过程中，天气温度较高，使得试件梁存在一定不足，虽然对其进行了保养工作，但跨中附近和受压区的混凝土仍呈现蜂窝状。试件梁的虽然表现出延性破坏，但也显示其延性价差的特点。破坏的具体位置与加载点之间存在联系，加载点附近的破坏位置表现出侧向变形，并不是简单的延性破坏。

结语

按照我国《混凝土架构设计规范》GB500—2010中关于轴心抗压的强度的计算公式与实际所获得结果存在不同，所以关于其抗压强度还需要进一步的分析。但关于HRBF500的高强钢筋高强混凝土预应力梁，能够在高强钢筋中的强度得到中分的利用与展现。实验结果显示，高强钢筋高强混凝土所表现出的延性破坏与普通的混凝土相似，说明高强混凝土也是具有一定的脆性。当HRBF500钢筋开始屈服时，其预应力梁的加载也开始超过了其极限。但超过的范围并不大，结合《规范》中的承载力的计算公式，及所使用的材料性能，该预应力是可以符合正常情况下极限状态的要求。

预应力的强度与预应力梁屈服位移度关联性不大，但对其极限位移的关系加大。位移的延性与预应力强度成反比，但整体变化的幅度比较小。预应力屈服位移与其换算配筋率呈正比关系，极限位移与换算配筋率成反比。由此可见，换算配筋率对预应力梁受力的延性有着重要的影响。由于实验环境与设计中所存在的不足，因此本次实验还没有探究高强钢筋与高强混凝土的力学性能，而二者之间的协作性能也没有进行足够的研究，而关于影响预应力梁受力的因素还需要进一步验证分析。

参考文献：

[1]张利梅，赵顺波，黄承逵.高性能预应力混凝土梁挠度试验与计算方法[J].大连理工大学学报，2006，45：96101.

[2]谢剑，刘麟玮，徐福泉，王洋.高强混凝土预应力框架梁抗震性能试验研究[J].地震工程与工程振动，2016，（1）：101-109.

[3]叶献国，马文明，种迅.高强钢筋高强混凝土预应力梁抗弯性能试验研究[J].福州大学学报（自然科学版），2016，（4）：717-722.