大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁受力性能研究

王　鈞　任靖豪

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱　150040)

?

大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁受力性能研究

王鈞任靖豪

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150040)

介紹了大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁的研究現(xiàn)狀，分析了正截面、斜截面和兩跨連續(xù)梁的受彎性能，并總結(jié)了大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁的結(jié)構(gòu)特性，有利于進一步促進大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁在工程中的應(yīng)用。

鋼絞線，預(yù)應(yīng)力混凝土梁，正截面，斜截面，連續(xù)梁，受彎性能

0　引言

目前，建筑結(jié)構(gòu)正朝著大跨度、大空間、超高層、結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸不斷減小的方向發(fā)展，提高建筑工程的綜合效益已成為設(shè)計者所追求的目標(biāo)，為能達到這一目標(biāo)，提高建筑所用材料的強度等級是必不可少的。我國目前建筑用鋼強度等級主要以500 MPa級以下的中低強鋼筋為主，極限強度標(biāo)準(zhǔn)值可達1 860 MPa，甚至1 960 MPa的高強預(yù)應(yīng)力鋼筋所占比重很小。高強預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強度設(shè)計值為目前仍大量應(yīng)用的HRB335級鋼筋的4.7倍，作為主導(dǎo)鋼筋的HRB400級鋼筋的3.9倍、HRB500級鋼筋的3.2倍，已研發(fā)成功的HRB600級鋼筋的2.7倍。大力推廣應(yīng)用配置大直徑高強鋼絞線的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，不僅能夠降低建筑鋼材和混凝土的消耗量，而且還能帶來巨大的經(jīng)濟效益，有利于建筑的節(jié)能減排。

通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)，可使布置在混凝土結(jié)構(gòu)中的高強預(yù)應(yīng)力筋的強度充分發(fā)揮，從而可提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力，可有效控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件撓度與裂縫。為了使大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土在工程建設(shè)中得到更廣泛的應(yīng)用，因此需要對大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土的結(jié)構(gòu)特性和受力特性進行更多的試驗研究和分析。

1　研究現(xiàn)狀

美國、日本等國家對配置高強鋼筋高強混凝土的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件的試驗研究與應(yīng)用比較廣泛，Padmarajaiah等對后張法預(yù)應(yīng)力高強混凝土梁的裂縫展開了研究[1]，Nawy等進行了22根后張無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力高強鋼筋混凝土梁的受彎性能研究[2]等；研究結(jié)果表明，高強材料提高了構(gòu)件的開裂荷載以及承載力，并且延緩了裂縫前期的發(fā)展，而且裂縫數(shù)量也較普通預(yù)應(yīng)力構(gòu)件少。

國內(nèi)同濟大學(xué)、鄭州大學(xué)等也對配置高強鋼筋或高強混凝土的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件開展了相應(yīng)研究，杜毛毛對配置500 MPa鋼筋后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁受彎性能研究[3]，通過研究配置500 MPa級鋼筋作為縱向受拉非預(yù)應(yīng)力筋的后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受彎性能，研究結(jié)果表明，試驗梁具有較好的抗裂能力，在達到受彎極限狀態(tài)時，500 MPa高強鋼筋均能屈服，梁的破壞為縱向受拉非預(yù)應(yīng)力筋先屈服，而后受壓區(qū)混凝土被壓碎。于秋波等人將7根配置500 MPa級鋼筋作為縱向受拉非預(yù)應(yīng)力筋、鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力筋的混凝土梁進行了受力性能研究[4]，研究結(jié)果表明，采用HRB500級鋼筋作為縱向受拉普通鋼筋的預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受力性能與普通預(yù)應(yīng)力混凝土梁基本相同，高強材料的強度均能充分發(fā)揮，而且試驗梁臨近破壞時，具有很好的延性；蔣慶、葉獻國等人設(shè)計制作12個配置HRBF500級高強鋼筋高強混凝土預(yù)應(yīng)力梁試件，研究了高強鋼筋高強混凝土預(yù)應(yīng)力梁的抗裂性能[5]，研究結(jié)果表明，高強鋼筋高強混凝土構(gòu)件具有很好的抗裂性能。

國內(nèi)外研究都表明了[6-9]，高強鋼筋或高強混凝土在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中其性能得到了充分發(fā)揮。而且，相比普通預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，高強鋼筋或高強混凝土預(yù)應(yīng)力構(gòu)件強度更大，變形更小，材料利用率更高。

2　試驗研究

2.1簡支梁正截面受彎性能研究

為了研究大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁的正截面受彎性能，可設(shè)計若干根配有大直徑高強鋼絞線的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁，并從預(yù)應(yīng)力度，混凝土強度等級以及普通鋼筋配筋率等參數(shù)分析其對簡支梁的極限承載力、平均裂縫間距和短期最大裂縫寬度的影響。

GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(以下簡稱《規(guī)范》)[10]規(guī)定正截面承載力計算公式如下：

(1)

(2)

現(xiàn)行規(guī)范給出的平均裂縫間距計算公式如下：

(3)

(4)

(5)

其中,cs為最外層受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)邊緣的距離；deq為受拉區(qū)鋼筋的等效直徑；ρte為受拉區(qū)鋼筋的配筋率；帶肋鋼筋vi=1.0，先張法預(yù)應(yīng)力鋼絞線vi=0.6，后張法預(yù)應(yīng)力鋼絞線vi=0.5；As,Ap分別為縱向受拉普通鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積。

不考慮長期荷載的影響，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的最大裂縫寬度計算公式如下：

(6)

其中，短期裂縫寬度擴大系數(shù)τs=1.66；αc為計算截面上混凝土法向預(yù)應(yīng)力等于0時的預(yù)加力，此處αc=0.77；ψ為裂縫間受拉區(qū)縱向鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)，且0.2≤ψ≤1.0;σs為試驗構(gòu)件受拉區(qū)縱向鋼筋等效應(yīng)力。

按照式(1)～式(6)計算出大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁的極限荷載、平均裂縫間距及短期最大裂縫寬度，與試驗實測值進行比較，如果二者吻合較好，說明現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定公式適用于大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的受彎承載力、平均裂縫間距及短期最大裂縫寬度計算。如果計算值與實測值之比的變異系數(shù)較大，則需要按照試驗實測值對現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的計算公式進行適當(dāng)修正。

2.2簡支梁斜截面受剪性能研究

為研究大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁的斜截面受剪承載力，可設(shè)計若干根配有大直徑高強鋼絞線的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁，并從剪跨比、預(yù)應(yīng)力強度比以及配箍率等因素分析其對簡支梁的受剪承載力的影響。

現(xiàn)行《規(guī)范》對受彎構(gòu)件的斜截面受剪承載力應(yīng)符合下列規(guī)定：

V≤Vcs+Vp

(7)

(8)

Vp=0.05Np0

(9)

其中，Vcs為構(gòu)件斜截面上混凝土與箍筋的受剪承載力；Vp為由預(yù)加力所提高的構(gòu)件受剪承載力；αcv為斜截面混凝土受剪承載力系數(shù)，對于一般受彎構(gòu)件取αcv=0.7；Asv為配置在同一截面內(nèi)箍筋各肢的截面面積之和；s為沿試件長度方向的箍筋間距；fyv為箍筋實測抗拉強度平均值；Np0為試件計算截面上混凝土法向預(yù)應(yīng)力等于0時的預(yù)加力，當(dāng)Np0>0.3fcA0時，取Np0=0.3fcA0，A0為構(gòu)件的換算截面面積。

按照式(7)～式(9)計算出試驗梁的受剪承載力，與試驗實測值進行比較，如果吻合較好，則說明現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定公式適用于大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的斜截面受剪承載力計算。如果計算值與實測值之比的變異系數(shù)較大，則需要按照實測試驗數(shù)據(jù)對現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定公式進行適當(dāng)修正。

2.3連續(xù)梁受彎性能研究

預(yù)應(yīng)力混凝土超靜定結(jié)構(gòu)在工程實際中的應(yīng)用非常廣泛，在一定跨度和荷載下，超靜定結(jié)構(gòu)相比靜定結(jié)構(gòu)的優(yōu)點有：撓度變形小、剛度大、控制截面的彎矩值小、構(gòu)件進入塑性變形后其內(nèi)力會發(fā)生重分布，結(jié)構(gòu)的整體受力更為合理。因此研究大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的受彎性能具有很重要的意義。

設(shè)計若干根配有大直徑高強鋼絞線的預(yù)應(yīng)力混凝土兩跨連續(xù)梁，通過預(yù)應(yīng)力筋配筋率、非預(yù)應(yīng)力鋼筋配筋率、混凝土強度等級等參數(shù)的變化，研究大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土兩跨連續(xù)梁的受彎承載力及彎矩重分布規(guī)律。

連續(xù)梁的彎矩重分布是結(jié)構(gòu)構(gòu)件在受力過程中當(dāng)外荷載超過一定值時，構(gòu)件的某一或若干部位截面表現(xiàn)出非線性行為，截面發(fā)生塑性轉(zhuǎn)動，會使結(jié)構(gòu)的彎矩分布不同于原有按彈性結(jié)構(gòu)分析所求的彎矩分布。同樣，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁也要發(fā)生彎矩重分布，其彎矩重分布的主要影響因素是配筋率以及混凝土的強度等級。

通過對試驗所得數(shù)據(jù)進行理論對比分析，研究主要因素對大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁承載力、破壞形態(tài)、撓度以及彎矩重分布規(guī)律的影響，并建立大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的受彎承載力計算公式[11-14]。

3　結(jié)語

大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在受力過程中能夠充分發(fā)揮高強鋼筋以及高強混凝土材料的性能，高效利用材料，達到了節(jié)能減排的目的。相關(guān)研究也表明了，采用高強鋼筋或高強混凝土制作的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，其開裂荷載、屈服荷載以及極限荷載均比一般預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件大。同時，高強預(yù)應(yīng)力筋在高層建筑、大跨度建筑、大型空間結(jié)構(gòu)、高聳構(gòu)筑物、地下結(jié)構(gòu)以及特種結(jié)構(gòu)的建造中發(fā)揮了巨大的作用。大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件具有以上優(yōu)點的同時也存在著很多尚待解決的問題：

1)大直徑高強鋼絞線與混凝土(水泥漿)的粘結(jié)強度，及其與不同強度混凝土(水泥漿)粘結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律。2)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中大直徑高強鋼絞線的應(yīng)力松弛，著重考察混凝土收縮、徐變對大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力松弛的影響規(guī)律，提出考慮混凝土收縮、徐變影響的大直徑高強鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失的計算方法。3)張拉大直徑高強預(yù)應(yīng)力鋼絞線，需要專業(yè)技術(shù)人員以及配套的專用張拉機具和錨具。

[1]Padmarajaiah S K·Ramaswamy A. Crack-width prediction for high-stength concrete fully and partially presrtessed beam specimens containing steel fibers[J].ACI Structural Journal,2001,98(6):852-861.

[2]Nawy E G.Flexural cracking behavior of pretensioned and post-tensioned beams[J].ACI Structural Journal,1985,82(6):890-900.

[3]杜毛毛.配500 MPa鋼筋后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁受彎性能研究[D].上海:同濟大學(xué),2010:48-59.

[4]于秋波,劉立新,胡丹丹.HRB500級鋼筋部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁受力性能的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2009,39(S1):527-530.

[5]蔣慶,葉獻國,張益民,等.高強鋼筋高強混凝土預(yù)應(yīng)力梁抗裂性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2014,35(12):51-57.

[6]徐風(fēng)波.HRB500級鋼筋混凝土梁正截面受力性能試驗及理論研究[D].長沙:湖南大學(xué),2007:83-87.

[7]張利梅,趙順波,黃承奎.預(yù)應(yīng)力高強混凝土梁抗裂度和裂縫寬度試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2004,34(8):45-48.

[8]趙勇,王小鋒,蘇小翠,等.配置500 MPa鋼筋的混凝土梁裂縫試驗研究[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,39(1):29-34.

[9]王鈞,鄔丹,鄭文忠.預(yù)應(yīng)力H型鋼混凝土簡支梁正截面受力性能試驗[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,41(6):22-27.

[10]GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[11]鄭文忠,鄭弦,王英.預(yù)應(yīng)力混凝土兩跨連續(xù)梁中無粘結(jié)筋極限應(yīng)力算法研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2005,35(7):67-71.

[12]陸洲導(dǎo),謝群,何海.碳纖維布加固鋼筋混凝土連續(xù)梁受彎性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2005,35(3):33-35.

[13]余志武,周凌宇,羅小勇.鋼—部分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)組合梁內(nèi)力重分布研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2002,23(6):64-69.

[14]張彥玲,李運生,樊健生.連續(xù)組合梁彎矩重分布特征及其隨荷載的變化規(guī)律[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,42(2):449-455.

On stressed performance of large-diameter high-strength steel stand wire prestressed concrete beam

Wang JunRen Jinghao

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

The paper introduces the research status of the large-diameter high-strength steel stand wire prestressed concrete beam, analyzes the bending performances of the positive section, oblique section and two-span continuous beam, and sums up its structural features, so as to enhance its application in projects.

steel strand wire, prestressed concrete beam, positive section, oblique section, continuous beam, bending performance

1009-6825(2016)21-0040-03

2016-05-18

王鈞(1967- )，女，博士，博士生導(dǎo)師，教授；任靖豪(1991- )，男，在讀碩士

TU378.2

A