預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的極限承載力影響因素分析

張宇旭

0 引言

由于充分發(fā)揮了混凝土的抗壓和鋼材的抗拉性能，且大大提高了結(jié)構(gòu)的抗裂變形能力，預(yù)應(yīng)力的混凝土結(jié)構(gòu)形式得到了日益廣泛的應(yīng)用。在實際的工程應(yīng)用中，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)難以避免發(fā)生損傷，損傷的逐漸積累會給結(jié)構(gòu)安全造成重大隱患，通常的損傷包括混凝土的碳化、預(yù)應(yīng)力鋼筋的銹蝕及預(yù)應(yīng)力的損失等[1]。為了確保實際工程中結(jié)構(gòu)的使用安全，根據(jù)體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁自身的結(jié)構(gòu)特點，分析不同損傷影響因素下預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的極限承載力非常必要。

基于此，本文采用大型有限元分析軟件，結(jié)合某工程預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，對預(yù)應(yīng)力極限承載力的主要影響因素進行了相關(guān)的仿真和分析。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)模型的建立

區(qū)別于普通混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中施加的預(yù)應(yīng)力使其力學(xué)性能更加復(fù)雜。大型有限元分析軟件ANSYS是進行仿真分析的有效工具，它具備完善的建模、分析與求解功能，且有非常方便的后處理功能[2]，可以用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的計算分析。

鋼筋混凝土有限元組合方式采用分離式模型，即混凝土為空間8節(jié)點非線性實體單元，鋼筋為線性梁單元?；炷聊Ｐ筒捎脧椝苄詳嗔涯Ｐ?，具有分析拉應(yīng)力區(qū)開裂和壓應(yīng)力區(qū)可能的壓潰反應(yīng)的能力。將預(yù)應(yīng)力鋼筋、普通鋼筋與混凝土實體進行綁定，兩者共同作用、共同變形。

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力的施加是模型的關(guān)鍵。在ANSYS軟件中，預(yù)應(yīng)力通常采用溫度法和初應(yīng)變法進行施加，本文模型建立中采用后者，在求解過程的第一個荷載步施加相應(yīng)的初應(yīng)變模擬預(yù)應(yīng)力。

在賦予模型的材料屬性時，普通鋼筋采用不考慮鋼筋強化階段的雙折線等強硬化模型BISO模擬，預(yù)應(yīng)力筋采用考慮三折線模型?；炷量紤]彈塑性分析的斷裂模型，裂縫剪力傳遞系數(shù):混凝土開裂時為0.4，閉合時為0.95。分析時，打開軟件的材料非線性、幾何非線性開關(guān)。支座處采用線約束，荷載施加采用三分點加載。

以某15 m跨先張法預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁橋為分析對象，跨中截面形式見圖1。預(yù)應(yīng)力混凝土梁模型參數(shù)為:兩端簡支預(yù)應(yīng)力梁，跨長 L=15 m，混凝土設(shè)計等級為 C55;受拉區(qū)縱筋HRB335，5φ16，受壓區(qū)縱筋 HRB335，5φ14，箍筋 HPB235，端部為2φ8@100，跨中為2φ8@140。體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用6束鋼絞線，每束由5股直徑為8.6 mm的鋼絲組成，每束鋼絞線張拉極限強度為1855 MPa，張拉控制應(yīng)力取為極限強度的65%，即為1206 MPa。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨中截面

對于結(jié)構(gòu)極限承載力的判斷采用以下方法:當受壓區(qū)混凝土的等效應(yīng)力達到其極限抗壓強度時，結(jié)構(gòu)壓碎破壞，此時對應(yīng)的荷載即為結(jié)構(gòu)的極限承載力。

通過有限元分析計算，可明確不同階段的結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力分布。計算完成后，查看計算結(jié)果，當外荷載為1250 kN時，跨中受壓區(qū)混凝土等效應(yīng)力達到36.2 MPa，此時預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力為1603 MPa，跨中最大位移72.5 mm，此處對應(yīng)為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的極限承載力。圖2為預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁跨中節(jié)點的荷載—撓度曲線。

圖2 預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨中節(jié)點的荷載—撓度曲線

由圖2可以看到，初始狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的“反拱”為2 cm;隨著荷載增加，跨中位移呈線性增加，當荷載增加到435.2 kN時，對應(yīng)的荷載—撓度曲線段斜率下降，結(jié)構(gòu)剛度降低，分析原因是由于跨中裂縫的大量開展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度降低而造成的，此時外荷載大約為極限荷載的30%。隨著荷載的繼續(xù)增加，裂縫逐漸增加和發(fā)展，當外荷載達到1250 kN左右時，查看結(jié)果，受拉鋼筋跨中段的最大拉應(yīng)力達到鋼材的屈服強度，此處對應(yīng)為荷載—撓度曲線上第二端曲率發(fā)生較大變化的點，分析原因是由于體內(nèi)普通鋼筋的屈服導(dǎo)致梁體整體剛度的急劇下降而造成。在加載的后期，曲線段平坦，隨著荷載小幅度的變化，位移呈大幅度的增加，混凝土很快達到抗壓強度，接近壓碎破壞，跨中段截面區(qū)域破壞，整個結(jié)構(gòu)破壞。

2 預(yù)應(yīng)力極限承載力主要影響因素的分析

2.1 混凝土強度對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件極限承載力的影響

為了充分利用預(yù)應(yīng)力鋼筋的高強度、提高受壓區(qū)混凝土的抗壓能力和推遲受拉區(qū)混凝土開裂，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)常采用高等級的混凝土材料，通常其等級從C40～C60，甚至達到C80以上。

高強度混凝土具備良好的耐久性和很高的彈性模量，可以避免在體外預(yù)應(yīng)力施加之后出現(xiàn)的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。高強度混凝土的這一優(yōu)良特性，使得預(yù)應(yīng)力高強度混凝土成為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的重要形式。

從預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的特性來看，混凝土強度對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的承載力有一定影響。從實際工程應(yīng)用來看，預(yù)應(yīng)力混凝土的碳化會引起混凝土強度的降低，影響其承載力，從這個角度來看，探討混凝土強度的影響具有實踐意義。

為了分析混凝土強度對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件極限承載力的影響，分別取混凝土等級為C40，C55，C65。表1為不同的混凝土強度等級下預(yù)應(yīng)力梁構(gòu)件的計算結(jié)果。

表1 不同的混凝土強度等級下預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的計算結(jié)果

從表1中可以明顯看出，隨著混凝土強度的增加，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的極限承載力增大，達到極限狀態(tài)的跨中豎向撓度增大，顯然，采用高強度的混凝土能提高預(yù)應(yīng)力混凝土梁的極限承載能力。

2.2 鋼絞線截面面積對極限承載力的影響

在預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁結(jié)構(gòu)中，當有效預(yù)應(yīng)力一定時，鋼絞線截面面積的大小直接決定了鋼筋的配置形式。預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積過大，其破壞形式接近于超筋梁，過小則接近于少筋梁。超筋梁破壞時，混凝土開裂后縱筋應(yīng)變突變小，致使受拉縱筋應(yīng)力在受壓區(qū)混凝土被壓壞時還達不到其屈服強度，屬沒有明顯的預(yù)兆的脆性破壞;而少筋梁破壞時，對應(yīng)混凝土開裂后鋼筋應(yīng)力突變較大，在混凝土壓碎前出現(xiàn)塑性變形，屬于有預(yù)期的塑性破壞。

分析中設(shè)定預(yù)應(yīng)力混凝土梁構(gòu)件中鋼絞線具有相同的有效預(yù)應(yīng)力，但具有不同的截面面積，分析此時結(jié)構(gòu)承載力狀況。章節(jié)1中已經(jīng)對直徑為8.6 mm直線布筋的預(yù)應(yīng)力混凝土梁從加載至破壞的全過程進行了分析，本節(jié)取鋼絞線的直徑分別為5 mm，11 mm，12.9 mm，并與直徑為8.6 mm的結(jié)果進行比較。

通過分析發(fā)現(xiàn)，對于直徑為5 mm鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，當梁體受壓區(qū)混凝土應(yīng)力達到抗壓強度時，受拉普通縱筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力均達到各自的抗拉極限強度，且加載末期預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力增量較大，出現(xiàn)較大的塑性變形，這與少筋梁的受力特性相同。

對于直徑為12.9 mm鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，其極限承載力大大提高，當梁體受壓區(qū)混凝土應(yīng)力達到抗壓強度時，受拉普通縱筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力也較為接近各自的抗拉極限強度，但加載末期預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力增加偏小，塑性變形相對較小，這與超筋梁的特性比較一致。

為了更詳盡地比較鋼絞線的截面面積對預(yù)應(yīng)力混凝土梁構(gòu)件的極限承載力的影響，鋼絞線的直徑分別取5 mm，8.6 mm，11 mm，12.9 mm的情況下計算得到的結(jié)果，見表2。

從表2中可以明顯看出，在相同的有效預(yù)應(yīng)力作用下，隨著鋼絞線的截面面積增大，預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的抗彎承載能力大大增強，豎向撓度減少，說明了鋼絞線截面面積的增大使得梁的延性減小。

表2 不同鋼絞線截面面積下預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的計算結(jié)果

2.3 鋼絞線預(yù)應(yīng)力大小對極限承載力的影響

鋼絞線預(yù)應(yīng)力是預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的重要影響因素。在構(gòu)件的施工和使用過程中，預(yù)應(yīng)力會發(fā)生一定的損傷，對構(gòu)件的極限承載力產(chǎn)生影響，對結(jié)構(gòu)的安全造成危害。模型建立時，除有效預(yù)應(yīng)力取值不同之外，其他條件均相同。取鋼絞線的有效預(yù)應(yīng)力分別為800 MPa，1000 MPa和1500 MPa下的計算結(jié)果，并與有效預(yù)應(yīng)力為1206 MPa的結(jié)果進行比較，通過分析明確預(yù)應(yīng)力大小對梁體極限承載力的影響。

通過分析發(fā)現(xiàn)，不同的預(yù)應(yīng)力條件下，構(gòu)件的跨中荷載撓度曲線走勢是一致的。但隨著預(yù)應(yīng)力大小增加，構(gòu)件的承載能力增加，當梁體受壓區(qū)混凝土應(yīng)力達到抗壓強度時，受拉普通縱筋達到各自的抗拉極限強度，但預(yù)應(yīng)力較小的鋼筋未達到其極限抗拉強度，加載末期縱向鋼筋的增加較大，出現(xiàn)較大的塑性變形，梁的破壞形式與適筋梁比較一致。

表3為不同的鋼絞線預(yù)應(yīng)力條件下預(yù)應(yīng)力梁構(gòu)件的計算結(jié)果。從表3中可以明顯看出，隨著預(yù)應(yīng)力增加，梁體的反拱越大，最大撓度越小，極限承載力增加，增加幅度相對較小，主要原因為極限狀態(tài)下對應(yīng)為混凝土抗壓破壞。

表3 不同鋼絞線預(yù)應(yīng)力條件下預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的計算結(jié)果

3 結(jié)語

通過考慮預(yù)應(yīng)力構(gòu)件混凝土的強度等級、鋼絞線截面面積及預(yù)應(yīng)力等因素的影響，對預(yù)應(yīng)力混凝土梁構(gòu)件的破壞構(gòu)成和極限承載力和進行了仿真，通過分析可得到以下結(jié)論:

1)隨著混凝土強度的增加，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的極限承載力增大，達到極限狀態(tài)的跨中豎向撓度增大，采用高強度的混凝土能提高預(yù)應(yīng)力混凝土梁的極限承載能力。

2)在相同的有效預(yù)應(yīng)力條件下，隨著鋼絞線截面面積的增大，預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的抗彎承載能力大大增強，豎向撓度減少，但鋼絞線截面面積的增大使得梁的延性減小。

3)隨著鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力的增加，梁體的反拱增大，極限破壞的最大撓度變小，極限承載力增加，但增加幅度相對較小。

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