預(yù)應(yīng)力鋼束摩阻損失試驗(yàn)與有限元分析研究

羅茂林，楊仕力

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

橋梁工程

預(yù)應(yīng)力鋼束摩阻損失試驗(yàn)與有限元分析研究

羅茂林，楊仕力

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

為了解有效預(yù)應(yīng)力下橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀況以及應(yīng)力分布，對某連續(xù)梁橋的長彎預(yù)應(yīng)力筋布置測點(diǎn)，實(shí)測了多根預(yù)應(yīng)力筋的摩阻損失值，確定了其摩擦損失參數(shù)μ、k值。將測點(diǎn)處混凝土應(yīng)力實(shí)測值與ansys模型在理論摩阻下的計(jì)算值對比分析，結(jié)果表明，實(shí)際摩阻損失率比理論摩阻損失率大11.96%；除個(gè)別截面受支承處的局部效應(yīng)影響外，梁體其他截面受力較為平順，應(yīng)力的量值也不大。

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)；預(yù)應(yīng)力損失；摩擦阻力；應(yīng)力分析

1 鋼束摩阻損失有限元分析模型

某五跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋，預(yù)留孔道采用金屬波紋管，其理論摩阻參數(shù)μ=0.2，k=0.001 5，預(yù)應(yīng)力鋼筋為通長布置。采用ANSYS有限元軟件建立空間模型，混凝土采用solid45單元，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用link8單元。計(jì)算主要考慮5根通長的預(yù)應(yīng)力鋼筋，其中三根為中腹板預(yù)應(yīng)力筋：FZ1、FZ2、FZ3；兩根為邊腹板預(yù)應(yīng)力筋：FB1、FB2。

考慮到全橋劃分單元數(shù)量巨大，遂采用半幅橋來計(jì)算，每根預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉工況由一個(gè)正對稱和一個(gè)反對稱的計(jì)算結(jié)果疊加而得。計(jì)算各工況均為單根張拉，僅考慮預(yù)應(yīng)力有效應(yīng)力下橋跨結(jié)構(gòu)的受力狀況，以及測試截面的應(yīng)力分布。計(jì)算中預(yù)應(yīng)力鋼筋是以理論摩阻力計(jì)算出有效預(yù)應(yīng)力值結(jié)果。

2 鋼束摩阻損失試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)與測試方案

試驗(yàn)研究時(shí)同樣考慮上述5根預(yù)應(yīng)力筋，為了確定橋梁結(jié)構(gòu)沿程預(yù)應(yīng)力損失，在全橋的5個(gè)控制截面的預(yù)應(yīng)力筋附近布置混凝土應(yīng)力計(jì)，實(shí)測斷面見圖1，測點(diǎn)布置見圖2；此外為了確定預(yù)應(yīng)力筋的摩阻損失，以便于測定實(shí)際摩阻損失參數(shù)，在每根預(yù)應(yīng)力筋鋼束的張拉端與被張拉端各安裝1個(gè)穿心式壓力荷載傳感器。試驗(yàn)時(shí)，一端固定，另一端分級張拉至100%后持荷至控制截面應(yīng)力計(jì)和壓力傳感器讀數(shù)均穩(wěn)定為止，此時(shí)記錄應(yīng)力計(jì)和傳感器讀數(shù)。

圖1 實(shí)測斷面(PM28為張拉端)

圖2 截面應(yīng)力測點(diǎn)圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對5根長彎預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 長彎預(yù)應(yīng)力筋摩阻損失實(shí)測值

規(guī)范中預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間的摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算公式為

σl1=σcon[1-e-(μθ+kx)]

(1)

γ=σl1/σcon=[1-e-(μθ+kx)]=(P-P1)/P

(2)

γ稱為預(yù)應(yīng)力摩阻損失率，P、P1分別為預(yù)應(yīng)力鋼束張拉端荷載和錨固端荷載。

通過鋼束錨固端的荷載傳感器可測得錨固端荷載，從而得知各鋼束的摩阻損失率γ，簡化式可得

ln(1-γ)=-(μθ+kx)

將表1中FZ1和FZ2各數(shù)據(jù)代入式，可得μ=0.23，k=0.004。為了驗(yàn)證結(jié)果的合理性，對試驗(yàn)中其余三根預(yù)應(yīng)力筋數(shù)據(jù)代入驗(yàn)算，結(jié)果證明了參數(shù)取值μ=0.23，k=0.004的正確性。

摩阻損失率理論值和實(shí)測值見表2，表中理論值是由理論摩擦損失參數(shù)μ、k值推算而得，由表2可知，不同的μ、k值對摩阻損失率有較大的影響，長彎預(yù)應(yīng)力筋的實(shí)測摩阻損失率比理論摩阻損失率大11.96%。

表2 摩阻損失率

3 摩阻損失下梁體應(yīng)力分析

3.1 理論計(jì)算應(yīng)力結(jié)果

計(jì)算提取結(jié)果的截面同實(shí)測截面，各截面提取結(jié)果位置對應(yīng)測點(diǎn)位置，即同布置混凝土應(yīng)力計(jì)的測點(diǎn)。

對于每個(gè)測點(diǎn)位置處，將“對稱工況”結(jié)果與“反對稱工況”結(jié)果疊加即為該測點(diǎn)的對應(yīng)于預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉100%時(shí)的理論計(jì)算結(jié)果。各測點(diǎn)有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)測值見表3；部分截面應(yīng)力分布結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 FZ2張拉一半正對稱工況截面2軸向正應(yīng)力(σz)分布結(jié)果(Pa)

圖4 FB1張拉一半正對稱工況截面5軸向正應(yīng)力(σz)分布結(jié)果(Pa)

3.2 摩阻損失下梁體實(shí)測應(yīng)力與理論對比分析

從圖3可知：混凝土梁體截面受力較平順，其應(yīng)力水平較低，該截面混凝土受力并不顯著，梁體上部截面承受壓應(yīng)力，下部截面受拉應(yīng)力；最大壓應(yīng)力為0.529 MPa，出現(xiàn)在中腹板與頂板相交處，最大拉應(yīng)力為0.123 MPa，出現(xiàn)在底板處。結(jié)合該截面在反對稱工況下的應(yīng)力分布可知，F(xiàn)Z2張拉后測點(diǎn)處疊加后的壓應(yīng)力僅為0.451 MPa，由表3可知，實(shí)測壓應(yīng)力為0.372 MPa，其壓應(yīng)力理論值大于實(shí)測值，這與有限元計(jì)算中理論摩阻μ、k值較實(shí)際值偏小相一致。

由圖4可知：梁截面受力呈現(xiàn)沿梁高并不均勻分布的情況；梁體上部截面承受拉應(yīng)力，下部截面受壓應(yīng)力；最大壓應(yīng)力為1.56 MPa，出現(xiàn)在邊腹板與底板相交處，最大拉應(yīng)力為0.345 MPa，出現(xiàn)在頂板處；結(jié)合其反對稱工況下的應(yīng)力分布可知，測點(diǎn)處疊加后的壓應(yīng)力為1.961 MPa，其值大于實(shí)測值1.452 MPa。

從表3可知，各預(yù)應(yīng)力鋼筋對應(yīng)測點(diǎn)位置附近混凝土受力并不顯著，各點(diǎn)應(yīng)力值均小于2.0 MPa；除了FZ1的4號截面和FZ3的3號截面外，其余各測點(diǎn)混凝土壓應(yīng)力實(shí)測值均比計(jì)算值小，這與有限元計(jì)算中理論摩阻μ、k值較實(shí)際值偏小相一致。

表3 測點(diǎn)位置混凝土應(yīng)力 MPa

4 結(jié) 論

通過現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)測了各預(yù)應(yīng)力筋的摩阻損失以及對應(yīng)測點(diǎn)的應(yīng)力狀況，并建立ansys空間模型分析了測試截面應(yīng)力分布情況。得到結(jié)論如下：

(1)通過現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)測并推算出長索在張拉階段預(yù)應(yīng)力摩擦損失計(jì)算參數(shù)μ=0.23，k=0.004；

(2)實(shí)際摩擦損失參數(shù)和理論摩擦損失參數(shù)的不同將導(dǎo)致摩阻損失率的差異，實(shí)測摩阻損失率比理論摩阻損失率大11.96%。實(shí)際工程中為了準(zhǔn)確估算預(yù)應(yīng)力力損失值，保證工程質(zhì)量，有必要在現(xiàn)場實(shí)測μ、k值；

(3)預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后，在鋼筋張拉壓力及摩阻力作用下，梁體截面受力呈現(xiàn)沿梁高并不均勻分布的情況，這與通常的平面分析結(jié)果有明顯的差異，除個(gè)別截面受支承處的局部效應(yīng)影響外，梁體截面受力較為平順，應(yīng)力的量值均小于2.0 MPa。

[1] 宋玉普，車軼，馬德有，趙國藩. 空間多曲線型預(yù)應(yīng)力鋼索的預(yù)應(yīng)力摩擦損失研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，2002，(6)：105-108.

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Experimental Study and Finite Element Analysis on Friction Loss of Prestressed Tendons

LUO Mao-lin，YANG Shi-li

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to investigate the force condition and the stress distribution of bridge structure under the effective prestressing force, load sensors and stress meters are arranged , the friction loss values of prestressed tendons were measured, and the friction loss parameter μ and k were determined. Comparing the measured value of concrete stress with the calculated value, the results show that the actual friction loss rate is 11.96% greater than the theoretical friction loss rate. In addition to the local effects of the individual sections affected by the support, the stress of other beam section is relatively smooth,the stress value is not large.

prestressed concrete structure; prestress loss; frictional resistance; stress analysis

2017-01-19

羅茂林(1992-)，男，四川成都人，碩士研究生，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究，橋梁結(jié)構(gòu)檢測試驗(yàn)與性能評定。

U446

C

1008-3383(2017)02-0079-02