某27 m跨混凝土梁預(yù)應(yīng)力張拉測試研究

王慧平 黃全超

(1.中石化勝利建設(shè)工程有限公司，山東 東營 257000； 2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033)

某27 m跨混凝土梁預(yù)應(yīng)力張拉測試研究

王慧平1黃全超2

(1.中石化勝利建設(shè)工程有限公司，山東 東營 257000； 2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033)

結(jié)合某石油化工研究院建設(shè)項(xiàng)目中的27 m跨緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁，探討了緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的施工監(jiān)測與有限元分析方法，對預(yù)應(yīng)力筋張拉過程中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，并與有限元分析得到的結(jié)果進(jìn)行了對比，可為大跨度緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的施工控制、研究提供參考。

緩粘結(jié)，預(yù)應(yīng)力混凝土，施工監(jiān)測，有限元計(jì)算

1 概述

作為一種性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式——預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛用于土木工程結(jié)構(gòu)中，但傳統(tǒng)施工工藝澆筑的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)都存在著各自無法克服的缺點(diǎn)，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件需預(yù)留孔道—穿束—壓漿等復(fù)雜而繁瑣的施工工序問題，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件后期易造成預(yù)應(yīng)力筋與錨具的疲勞，且施工質(zhì)量難以保證。隨著超效緩凝劑的研制成功，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系應(yīng)運(yùn)而生。緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土是近二十年出現(xiàn)的一種新型預(yù)應(yīng)力體系[1-5]。

緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在我國土木工程領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛使用，某石油化工研究院建設(shè)項(xiàng)目是集科研辦公，機(jī)關(guān)后勤辦公、實(shí)驗(yàn)室和學(xué)術(shù)交流等功能于一體的科研實(shí)驗(yàn)用房。該項(xiàng)目的A2建筑設(shè)有室內(nèi)籃球場兼羽毛球場，該室內(nèi)籃球場兼羽毛球場采用了27 m跨跨度緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁。

在大跨度預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)施工中，由于實(shí)際的材料性質(zhì)、荷載情況、施工條件以及其他外界因素的影響，單純地從理論上預(yù)測工程中可能遇到的問題是不現(xiàn)實(shí)的，這就有必要在預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)對混凝土構(gòu)件進(jìn)行監(jiān)測[6，7]。本文結(jié)合工程實(shí)例，對27 m跨跨度緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行了施工階段的監(jiān)測，并利用MIDAS軟件對該梁進(jìn)行了有限元模擬，并將監(jiān)測結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行了比較分析。

2 試驗(yàn)概況

2.1 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件

本文以2014年10月28日開始澆筑的大跨度緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁為研究對象，該梁截面尺寸寬度為：0.5 m、高度1.5 m、跨度27 m，使用C40商品混凝土，在澆筑完后，覆蓋塑料薄膜進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，28 d齡期時(shí)張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋。

2.2 試驗(yàn)方案

本次現(xiàn)場監(jiān)測參數(shù)包括鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變；監(jiān)測測點(diǎn)主要布置在跨中和端部的位置。共布置2個(gè)鋼筋測點(diǎn)和14個(gè)混凝土測點(diǎn)，應(yīng)變片粘貼方向與構(gòu)件軸線一致，并對其進(jìn)行編號(hào)。7號(hào)和15號(hào)為鋼筋應(yīng)變片，1號(hào)～6號(hào)和8號(hào)～14號(hào)為混凝土應(yīng)變片，粘貼位置見圖1，圖2。

2.3 加載程序及加載穩(wěn)定時(shí)間控制

按照緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁設(shè)計(jì)要求，采用千斤頂加載方式張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，分級(jí)逐級(jí)施加荷載[8]。以試驗(yàn)梁跨中側(cè)面低部的測點(diǎn)為控制測點(diǎn)，每級(jí)加載后立即測讀應(yīng)變值，計(jì)算其與加載前應(yīng)變值之差值Sg，隨后每隔2 min測讀一次，計(jì)算前后讀數(shù)的差值ΔS，并計(jì)算相對應(yīng)變值差值：m=ΔS/Sg，當(dāng)相對讀數(shù)誤差m值小于1%時(shí)，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，可對觀測點(diǎn)進(jìn)行讀數(shù)。

3 有限元模擬介紹

對于本工程的大跨度緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁，采用MIDAS有限元分析軟件進(jìn)行模擬，分析中對于預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度及面積按原設(shè)計(jì)進(jìn)行定義；對于混凝土強(qiáng)度，在正常養(yǎng)護(hù)的條件下，混凝土強(qiáng)度將隨齡期的增長而不斷發(fā)展，最初7 d～14 d內(nèi)強(qiáng)度發(fā)展較快，以后逐漸緩慢，28 d達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度[9]；據(jù)此，在MIDAS中，定義了混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律。

4 結(jié)果對比分析

4.1 有限元分析結(jié)果

圖3是張拉14根預(yù)應(yīng)力筋后的縱向總體應(yīng)力分布圖。根據(jù)模型分析結(jié)果，板中主要是拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.98 MPa，小于混凝土的抗拉強(qiáng)度。預(yù)應(yīng)力梁中主要是壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力在梁跨中底部，為-1.62 MPa。

圖4為張拉14根預(yù)應(yīng)力筋后的梁縱向應(yīng)力分布圖。從模擬結(jié)果可以看出，梁中主要為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力在梁跨中底部。

4.2 有限元分析與監(jiān)測結(jié)果

表1給出了測點(diǎn)1，3，6和8～15在預(yù)應(yīng)力筋張拉過程中應(yīng)力模擬結(jié)果以及實(shí)際監(jiān)測結(jié)果(其中7號(hào)鋼筋應(yīng)變計(jì)已損壞，表1中未列出)。

表1 預(yù)應(yīng)力筋張拉過程中各監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變模擬結(jié)果 με

測點(diǎn)編號(hào)張拉根數(shù)/根2571014分析監(jiān)測分析監(jiān)測分析監(jiān)測分析監(jiān)測分析監(jiān)測1-1.9-3.2-9.3-12.1-13.3-17.6-24.4-26.1-36.6-40.73-5.3-7.1-12.7-14.1-17.6-20.4-29.4-31.5-42.1-44.76-7.5-11.8-18.9-20.5-25.0-25.8-37.4-40.3-50.0-49.18-1.7-3.0-7.9-10.3-11.5-15.3-18.9-23.3-23.7-30.911-5.3-7.8-11.2-15.5-15.3-20.9-23.7-28.6-32.6-35.714-7.1-11.8-15.1-20.1-20.0-27.5-28.7-32.3-37.8-39.4

依據(jù)有限元分析結(jié)果以及表1數(shù)據(jù)可以看出，隨著預(yù)應(yīng)力筋張拉根數(shù)的增加，梁內(nèi)部應(yīng)力也在增加。當(dāng)14根預(yù)應(yīng)力筋全部張拉完后，在梁跨中底部出現(xiàn)最大壓應(yīng)變?yōu)?50.0 με。在外荷載作用時(shí)的受拉區(qū)混凝土內(nèi)力產(chǎn)生的壓應(yīng)力，可以用于抵消或減小由溫度、收縮效應(yīng)引起的拉應(yīng)力和外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)在正常使用的情況下不產(chǎn)生裂縫或者裂得比較晚。

4.3 測點(diǎn)6的應(yīng)變變化

由表2和圖5可以看出，在張拉2根和張拉10根后，應(yīng)變差值分別為4.3 με和2.9 με。但在張拉7根和張拉14根后，差值較小，分別為0.8 με和0.9 με，其中在張拉14根后，實(shí)際應(yīng)變比模擬應(yīng)變小。

表2 測點(diǎn)6的有限元模擬與實(shí)際監(jiān)測應(yīng)變值 με

張拉根數(shù)/根2571014有限元模擬值-7.5-18.9-25.0-37.4-50.0實(shí)際監(jiān)測值-11.8-20.5-25.8-40.3-49.1

5 結(jié)語

由以上各個(gè)測點(diǎn)的模擬應(yīng)變和實(shí)際監(jiān)測應(yīng)變數(shù)據(jù)可以看出：實(shí)際監(jiān)測應(yīng)變要比有限元模擬的應(yīng)變大。但各個(gè)測點(diǎn)的模擬結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)都顯示為應(yīng)變隨預(yù)應(yīng)力筋張拉根數(shù)的增加而不斷增大。對于工程結(jié)構(gòu)而言，有限元建模所得到的數(shù)值結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果之間總會(huì)存在一定的差異，產(chǎn)生這些差別的因素來自兩方面：

一方面是有限元建模誤差，另一方面是實(shí)驗(yàn)誤差。

有限元建模誤差主要包括：

1)建模簡化帶來誤差；

2)建模參數(shù)的設(shè)置存在誤差；

3)有限元理論本身的誤差。

實(shí)驗(yàn)誤差主要包括：

1)測量數(shù)據(jù)本身可能存在誤差；

2)測試條件帶來的誤差。

這些差別難以通過改進(jìn)建模技術(shù)或計(jì)算的方法來消除，在工程應(yīng)用中，一般認(rèn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確可靠，為了提高有限元模型的可靠性，需要不斷的對有限元模型進(jìn)行修正。

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On prestressed tension test of some 27-meter span concrete beam

Wang Huiping1Huang Quanchao2

(1.SinopecPetroleumConstructionShengliCorporation,Dongying257000,China;2.SchoolofCivilEngineering,QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266033,China)

Combining with the 27-meter span retarded-bonded prestressed concrete beam in the projects of some petrol chemical research institute, the paper explores the construction inspection and finite element analysis method in the retard-bonded prestressed concrete beam, undertakes the strain data collection for the key points in the prestressed tensioning process, and compares the results from the finite element analysis, so as to provide some reference for the construction control and research of the large-span retard-bonded prestressed concrete.

retard-bond, prestressed concrete, construction supervision, finite element calculation

1009-6825(2015)32-0041-02

2015-09-06

王慧平(1984- )，男，工程師； 黃全超(1990- )，男，在讀碩士

TU378.2

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