橫張預(yù)應(yīng)力砼梁關(guān)鍵部位受力性能研究

宋常利

(東北石油大學(xué)秦皇島分校建筑工程系,秦皇島066004)

橫張預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)屬于后張有粘預(yù)應(yīng)力混凝土類型,由重慶交通學(xué)院周志祥教授提出[1]。與常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土相比,橫張法改傳統(tǒng)的縱向張拉為橫向張拉,降低了對(duì)設(shè)備張拉能力的需求,改專用傳統(tǒng)錨具為混凝土的粘結(jié)錨固,改預(yù)留孔道為預(yù)留明糟,從而節(jié)省了波紋管、灌漿材料、錨具、錨下加強(qiáng)鋼筋及部分預(yù)應(yīng)力鋼筋,避免了由管道摩阻引起的預(yù)應(yīng)力損失,避免了管道壓漿質(zhì)量不定性及其造成的危害。2004年王世良[2]橫張預(yù)應(yīng)力技術(shù)在榮經(jīng)大橋中的應(yīng)用研究課題,首次成功應(yīng)用于箱型梁中,但這種技術(shù)尚未在房屋建筑領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用。本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上,對(duì)橫張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在房屋建筑中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 有限元模型建立

ANSYS模型中用SOLID65單元模擬梁柱混凝土,LINK8單元模擬縱筋、箍筋,SOLID45模擬定位鋼板、鋼插銷和加載墊板。模型中單元數(shù)分別為：SOLID65單元31 462,LINK8單元1 198,SOLID45單元28。單元數(shù)共計(jì)32 688,節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)27 666,總質(zhì)量為395.70kg。

SOLID65單元的KEYOPT(1)設(shè)置為0,考慮形函數(shù)的附加項(xiàng),以保證計(jì)算結(jié)果的精度;KEYOPT (7)設(shè)置為1,采用缺省的拉應(yīng)力釋放系數(shù)Tc=0.6以利于收斂?；炷疗茐臏?zhǔn)則的參數(shù)通過(guò)命令TB,CONCR和TBDATA輸入,張開裂縫剪力傳遞系數(shù)βt=0.5,閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)βc=0.95。由于打開混凝土壓碎設(shè)置后,即便應(yīng)力水平還未達(dá)到混凝土壓碎應(yīng)力時(shí)收斂就變得十分困難,而且定義了混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線后,該選項(xiàng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不大,所以分析時(shí)關(guān)閉混凝土的壓碎選項(xiàng),只考慮混凝土的開裂?；炷敛牧蠀?shù)見表1。

鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用雙線性等向強(qiáng)化模型BISO,鋼筋屈服后彈性模量取彈性階段的0.01倍。鋼材參數(shù)見表2,圖1～圖4為各鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。

表1 混凝土材料參數(shù)表Tab.1 The parameters of concrete material

表2 鋼材參數(shù)表Tab.2 The parameters of steels

根據(jù)結(jié)構(gòu)和荷載的對(duì)稱性,取混凝土梁的1/4部分進(jìn)行建模,在其兩側(cè)邊加上對(duì)稱約束,以消除切向位移。利用對(duì)稱性可以節(jié)約計(jì)算機(jī)內(nèi)存,以便在有限的計(jì)算機(jī)容量下,把單元?jiǎng)澐值酶?xì),提高計(jì)算精度。建立的有限元模型見圖5。

單元?jiǎng)澐植捎糜成渚W(wǎng)格劃分(mapped meshing),每個(gè)單元均為六面體,該方法生成的網(wǎng)格相互之間是呈規(guī)則排列的,分析結(jié)果的精度較高。為了實(shí)現(xiàn)混凝土和鋼筋的組合,要求混凝土單元和鋼筋單元共用節(jié)點(diǎn),可采用體分割法或獨(dú)立建模耦合法來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文采用先分別建立混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋模型,而后對(duì)其網(wǎng)格劃分,對(duì)預(yù)應(yīng)力筋采用降溫法模擬預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。而后采用獨(dú)立建模耦合法,使混凝土單元和鋼筋單元共用節(jié)點(diǎn)共同作用。對(duì)張拉定位后橫張預(yù)應(yīng)力混凝土梁的網(wǎng)格劃分如圖6所示,以及考慮耦合和邊界條件后有限元模型如圖7所示。

2 梁體和粘結(jié)錨固區(qū)受力分析

橫張預(yù)應(yīng)力是依靠預(yù)應(yīng)力筋與混凝土的粘結(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的錨固[3]。預(yù)應(yīng)力筋必須留有足夠長(zhǎng)度,以便應(yīng)力在縱向充分傳遞;此外,粘結(jié)錨固區(qū)混凝土的應(yīng)力較為集中,若混凝土開裂失效,預(yù)應(yīng)力筋將被拉斷,預(yù)應(yīng)力筋過(guò)長(zhǎng)則沒(méi)有意義,反而浪費(fèi)材料。選取合適的預(yù)應(yīng)力筋錨固長(zhǎng)度,顯然是首先應(yīng)解決的問(wèn)題。為了建立鋼筋混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力τ和相對(duì)滑移s的關(guān)系,許多學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)量測(cè),并試圖建立起有代表性的經(jīng)驗(yàn)公式。目前比較公認(rèn)的是 Nilson、Houde&Mirza、東南大學(xué)宋啟根教授和清華大學(xué)滕智明教授等人提出的經(jīng)驗(yàn)公式[4]。徐有鄰[5]根據(jù)試驗(yàn)給出了預(yù)應(yīng)力筋的最小錨固長(zhǎng)度和傳遞長(zhǎng)度,并與規(guī)范[6]進(jìn)行了對(duì)比。文獻(xiàn)[7]根據(jù)鋼絞線的拉應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)鋼絞線與混凝土之間的粘結(jié)力尚未破壞提出了最小錨固長(zhǎng)度的簡(jiǎn)化公式(1),并建議L取120d。

式中Rτ—鋼絞線與混凝土之間的平均粘結(jié)應(yīng)力,參照規(guī)范Rτ取4.0;σs—絞線的屈服強(qiáng)度。

本文中計(jì)算模型用的預(yù)應(yīng)力鋼筋采用高強(qiáng)低松弛鋼絞線直徑和參考文獻(xiàn)[8]和[9]是一樣的。本章建立在張拉定位后橫張預(yù)應(yīng)力混凝土梁計(jì)算模型以及張拉過(guò)程中計(jì)算模型,驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力鋼筋在粘結(jié)錨固區(qū)的長(zhǎng)度取值分別為90cm,120cm和150cm時(shí)對(duì)混凝土梁受力反應(yīng)的影響。本章圖表中所指的“張拉處梁底”情況是：在張拉到位、尚未錨固前橫張預(yù)應(yīng)力梁在張拉設(shè)備張拉處的應(yīng)力或位移。未注明“張拉處梁底”的其他情況都是指在張拉錨固后的應(yīng)力和位移。

對(duì)于混凝土拉壓不同性、開裂壓碎等特性,一般的彈塑性本構(gòu)關(guān)系無(wú)法反映其材料特性。一般的材料本構(gòu)關(guān)系只能定義對(duì)稱參數(shù),即拉壓對(duì)稱,受拉和受壓的屈服水平等同,而混凝土抗拉強(qiáng)度一般不足抗壓強(qiáng)度的十分之一,而在復(fù)雜結(jié)構(gòu)當(dāng)中混凝土不可能只處于單向受力狀態(tài),拉壓的同時(shí)存在,使分析者很難定義混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系。若取抗拉強(qiáng)度為屈服強(qiáng)度,無(wú)疑會(huì)大大降低混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力;而取抗壓強(qiáng)度做屈服點(diǎn),又必然會(huì)提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

為加快收斂性,本文將混凝土有限元單元Sol-id65壓碎開關(guān)關(guān)閉,導(dǎo)致計(jì)算模型中混凝土梁的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力超過(guò)了允許值。另外,沒(méi)有建立普通鋼筋-縱向鋼筋和箍筋的有限元單元也使得梁的能力有所下降。但從研究三個(gè)關(guān)鍵部位的角度看,仍有一定的參考價(jià)值。

在張拉到位、尚未錨固前以及張拉定位后,采取不同錨固長(zhǎng)度作用下混凝土梁的整體以及各主要部位-錨固區(qū)域、轉(zhuǎn)折區(qū)域、插銷區(qū)域、跨中區(qū)域和張拉處梁底的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力列于表3;沿著斷面處路徑應(yīng)力情況對(duì)比見圖8。

從表3不同錨固長(zhǎng)度時(shí)混凝土梁主應(yīng)力對(duì)比可見,錨固長(zhǎng)度在90cm～150cm之間混凝土梁的應(yīng)力都相當(dāng)接近,且在120cm時(shí)應(yīng)力要稍小些,表明錨固長(zhǎng)度取120cm是比較合理的。

從圖8不同錨固長(zhǎng)度時(shí)錨固區(qū)域預(yù)應(yīng)力鋼筋附近混凝土路徑應(yīng)力對(duì)比可以看出,第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力都集中在預(yù)應(yīng)力鋼筋轉(zhuǎn)折處附近混凝土,且在很小的范圍應(yīng)力內(nèi)就驟減,符合粘結(jié)滑移的應(yīng)力分布。

3 結(jié)論

1)錨固長(zhǎng)度在90cm～150cm之間混凝土梁的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力都相當(dāng)接近。在120cm時(shí)應(yīng)力要稍小些,表明錨固長(zhǎng)度取120cm是比較合理的。

表3 不同錨固長(zhǎng)度時(shí)混凝土梁主應(yīng)力對(duì)比Tab.3 The concrete beam stress at different anchorage length

2)從混凝土梁第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力云圖以及梁橫斷面的應(yīng)力情況對(duì)比可看出,在張拉到位、尚未錨固前和張拉定位后混凝土梁應(yīng)力集中比較明顯,主要發(fā)生在梁的三個(gè)關(guān)鍵部位：預(yù)應(yīng)力鋼筋轉(zhuǎn)折區(qū)域混凝土處、插銷區(qū)域混凝土以及張拉處梁底混凝土,尤其是在定位鋼板處的混凝土在很小的范圍內(nèi)就驟降到很小的值。由于計(jì)算模型的壓碎開關(guān)關(guān)閉導(dǎo)致這幾處的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力早已超過(guò)了混凝土的相應(yīng)允許值。說(shuō)明混凝土已經(jīng)在局部區(qū)域發(fā)生拉裂和壓碎,但整個(gè)混凝土梁的大部分區(qū)域應(yīng)力較小。

3)在不同錨固長(zhǎng)度時(shí)各鋼材部件應(yīng)力對(duì)比可見鋼材應(yīng)力很接近,錨固長(zhǎng)度對(duì)其影響不大。

4)張拉力達(dá)到94kN時(shí)反拱度為4.55mm,與本文計(jì)算模型中的張拉力達(dá)到96kN時(shí)的反拱度為4.47mm相當(dāng)接近。說(shuō)明本文很好的模擬了張拉過(guò)程中混凝土梁的反應(yīng)特性。

5)錨固長(zhǎng)度越大其跨中撓度(豎向位移與跨度比值)越小,說(shuō)明錨固長(zhǎng)度對(duì)反拱度和撓度有一定的影響。

6)在張拉過(guò)程中,裂縫發(fā)育情況很接近,大部分分布在定位鋼板處混凝土、插銷處混凝土以及張拉處梁底混凝土。對(duì)于這三個(gè)關(guān)鍵部位,可以通過(guò)增設(shè)鋼筋網(wǎng)片等措施來(lái)加強(qiáng)其附近混凝土的抵抗能力。

[1]重慶交通學(xué)院橫張預(yù)應(yīng)力混凝土課題組.橫張預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)在T型橋中的應(yīng)用研究報(bào)告[R].1999.

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[3]沈聚敏,王傳志,江見鯨.鋼筋混凝土有限元與板殼極限分析[M].北京：清華大學(xué)出版社,l993.

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