體外預(yù)應(yīng)力加固鋼梁靜動(dòng)力組合實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)

劉承斌,蔣建群，余世策，胡志華，冀曉華

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310058)

目前結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)土木工程專業(yè)學(xué)生掌握基本實(shí)驗(yàn)方法與技能，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的重要手段。但從我國(guó)高校的教學(xué)現(xiàn)狀來(lái)看，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍是一個(gè)比較薄弱的環(huán)節(jié)，培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生存在理論和實(shí)踐相脫節(jié)，缺乏應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析解決問(wèn)題的能力[1-5]。為培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、動(dòng)手、綜合分析和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，應(yīng)結(jié)合土木工程創(chuàng)新試驗(yàn)課程建設(shè)，加大自主性、開(kāi)放性、探究性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用力度，不斷擴(kuò)大學(xué)生受益面。

培養(yǎng)和提高學(xué)生能力與實(shí)驗(yàn)消耗之間存在一定的矛盾，如何達(dá)到一個(gè)制約平衡是一個(gè)值得考慮的問(wèn)題[6]。為了盡量減少成本且不降低教學(xué)效果，課題組在傳統(tǒng)已有的鋼梁靜載試驗(yàn)基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了新型的組合結(jié)構(gòu)[7]，在該模型上，可以分別實(shí)現(xiàn)靜載實(shí)驗(yàn)和動(dòng)載實(shí)驗(yàn)，從而對(duì)比不同的預(yù)應(yīng)力大小對(duì)結(jié)構(gòu)本身靜動(dòng)力特性的影響。

1 體外預(yù)應(yīng)力加固梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

已有一16號(hào)工字鋼梁，所用材料為Q235B，計(jì)算跨度為2 m，現(xiàn)上部承受一個(gè)單獨(dú)豎向集中荷載120 kN，超過(guò)鋼梁本身抗彎承載力，需要采用體外預(yù)應(yīng)力的方法進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，要求繪制各節(jié)點(diǎn)圖，對(duì)構(gòu)件各部分的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)實(shí)驗(yàn)加載和測(cè)試方案進(jìn)行完善。在靜力試驗(yàn)完成的基礎(chǔ)上，利用螺栓調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力值大小，通過(guò)傳感器測(cè)試工字梁加速度信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到自振頻率數(shù)值，考察兩者之間存在的內(nèi)在關(guān)系。

1.2 體外預(yù)應(yīng)力筋的布線方法

布線方法有多種,如直線形、折線形、拋物線形等。直線布置預(yù)應(yīng)力筋簡(jiǎn)單、方便，但提高承載力作用較小。采用折線形或拋物線形布置預(yù)應(yīng)力筋,能夠充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，但計(jì)算和構(gòu)造比較復(fù)雜。經(jīng)創(chuàng)新小組對(duì)方案優(yōu)劣集體討論，最終決定采用直線型布置預(yù)應(yīng)力筋。

1.3 預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計(jì)計(jì)算

圖1 鋼梁加固設(shè)計(jì)計(jì)算示意圖

豎向荷載及鋼梁尺寸分別為：P=120 kN,x=1 m,L=2 m,H=160 mm,h=60 mm。假定體外拉索預(yù)應(yīng)力值為N，跨中最大彎矩為：

(1)

危險(xiǎn)截面的最大正應(yīng)力需要滿足以下強(qiáng)度公式：

(2)

從而得到：

Mx≤215γzWz=31.8 kN·mm

(3)

考慮到精確計(jì)算比較復(fù)雜，采用簡(jiǎn)化求解。若不加預(yù)應(yīng)力鋼筋，跨中彎矩為：

(4)

所以，預(yù)應(yīng)力鋼筋所需承受彎矩為：

ΔMx=(60-31.8)kN·m=28.2 kN·m

(5)

預(yù)應(yīng)力索產(chǎn)生的彎矩為：

ΔMx=N(H/2+h)

(6)

最終求得索力大小為：

(7)

查表，選用一根Φ18預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋,可以滿足要求。

1.4 錨固端設(shè)計(jì)

經(jīng)討論和計(jì)算，選用10.9級(jí)M20高強(qiáng)度螺栓，結(jié)構(gòu)鋼材為Q235B，構(gòu)件接觸面用噴砂處理[8]。單個(gè)螺栓所承受的剪力小于摩擦力，計(jì)算如下：

Nv=N/2=52.5 kN≤

(8)

滿足承載力驗(yàn)算。所設(shè)計(jì)完成的結(jié)構(gòu)圖和節(jié)點(diǎn)圖分別為如圖2和圖3所示。

圖2 鋼梁拉索組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖(單位：mm)

圖3 錨固節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖(單位：mm)

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

制作完成的鋼梁-預(yù)應(yīng)力索體系的試驗(yàn)功能得到了極大拓展，可以分別完成靜載和動(dòng)載實(shí)驗(yàn)，下面分別進(jìn)行闡述。

2.1 靜載實(shí)驗(yàn)

預(yù)應(yīng)力的介入可以改善結(jié)構(gòu)的整體受力情況，通過(guò)調(diào)整預(yù)應(yīng)力的大小，在同等數(shù)值荷載作用下，結(jié)構(gòu)的宏觀和微觀變形將存在明顯的區(qū)別。

2.1.1 測(cè)點(diǎn)布置

鋼梁—預(yù)應(yīng)力索體系受力比較復(fù)雜，鋼梁本身處于壓彎受力狀態(tài)，索為單向受拉。為準(zhǔn)確得到其受力狀態(tài)，需要進(jìn)行合理的測(cè)點(diǎn)布置[9-10]。在模型梁的跨中布置了6個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，在預(yù)應(yīng)力鋼筋上布置了兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，選用性能良好的502膠水粘貼，外面用防潮蠟封閉。具體布置如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖

2.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

具體步驟如下：

1)安裝試件，定好加載點(diǎn)及布置好加載設(shè)備，進(jìn)行加載；

2)測(cè)讀各類數(shù)據(jù)；

3)調(diào)整預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)值的大??；

4)重新進(jìn)行采樣；

5)重復(fù)上述步驟，最終卸載。

2.2 動(dòng)載實(shí)驗(yàn)

基于既有模型，可以針對(duì)預(yù)應(yīng)力對(duì)橋梁動(dòng)力特性影響的機(jī)理這一實(shí)際工程問(wèn)題開(kāi)展研究。明確預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性受預(yù)應(yīng)力的影響規(guī)律，揭示預(yù)應(yīng)力對(duì)簡(jiǎn)支梁橋自振頻率的影響原理，為預(yù)應(yīng)力橋梁的動(dòng)力響應(yīng)分析及有效預(yù)應(yīng)力的檢測(cè)方法的研究提供力學(xué)理論參考。

2.2.1 測(cè)試方法及測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)定結(jié)構(gòu)自振特性的方法主要有自由振動(dòng)衰減法、強(qiáng)迫振動(dòng)法和環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法等[5-6]，原則上任何一種方法都可以測(cè)得各種自振特性參數(shù)。本文采用自由振動(dòng)法，給結(jié)構(gòu)一個(gè)初位移或初速度使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，因結(jié)構(gòu)的自振特性只與它本身的剛度、質(zhì)量和材料等固有形式有關(guān)，故施加何種方式的力都沒(méi)有關(guān)系。自由振動(dòng)法的實(shí)測(cè)框圖如圖5所示。

圖5 自由振動(dòng)法測(cè)試框圖

2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

具體步驟如下：

1)布置加速度傳感器，連接調(diào)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

2)給定一個(gè)初始激勵(lì)，同步采集時(shí)域加速度信號(hào)，通過(guò)傅里葉變換得到頻率值；

3)調(diào)整預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)值的大小；

4)重新進(jìn)行采樣；

5)重復(fù)上述步驟，最終卸載。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 靜載實(shí)驗(yàn)

限于篇幅，這里只給出了應(yīng)力結(jié)果，如圖6所示，其中加固方式1為施加預(yù)應(yīng)力5.76 kN，方式2表示施加預(yù)應(yīng)力11.76 kN?？梢园l(fā)現(xiàn)，未加固鋼梁跨中在加載后，上翼緣和下翼緣的應(yīng)變明顯大于加固后的應(yīng)變，而腹板處正反面的應(yīng)變平均值理論上不論是未加固鋼梁還是加固后鋼梁都應(yīng)該接近于零，在未加固鋼梁上體現(xiàn)出這一特點(diǎn)，但是加固后的鋼梁與之差異較大，仔細(xì)觀察鋼梁后發(fā)現(xiàn)，在未加載情況下加固后的鋼梁自身就向前扭轉(zhuǎn)出了肉眼可見(jiàn)的角度，出現(xiàn)應(yīng)變上的差異可能是跟這個(gè)原因有關(guān)。所以給鋼梁施加預(yù)應(yīng)力能起到加固鋼梁的作用。

(a)下翼緣應(yīng)變變化情況

(b)上翼緣應(yīng)變變化情況

(c)中和軸位置應(yīng)變變化情況

圖6 鋼梁不同部位應(yīng)變隨荷載變化情況

加固后鋼梁預(yù)先施加的預(yù)應(yīng)力大小對(duì)鋼梁加固的作用也很明顯，施加的預(yù)應(yīng)力越大，鋼梁的翼緣板的應(yīng)變?cè)叫?，?yīng)變的差值近似等于施加預(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變大小。

3.2 動(dòng)載實(shí)驗(yàn)

從實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果看，鋼梁自振頻率隨索力的變化比較復(fù)雜，具體如圖7所示。當(dāng)拉應(yīng)變小于100 με時(shí)，頻率增加得比較明顯，隨著拉應(yīng)變的增加，頻率變化變得非常緩慢，表明此時(shí)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)索力大小敏感性有所降低。

圖7 對(duì)應(yīng)不同預(yù)應(yīng)力下的自振頻率變化圖

3.3 誤差分析

采用體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)，確實(shí)能提高工字鋼的承載能力，且制作簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，但是在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力筋的固定還存在一些問(wèn)題，這方面還有待改進(jìn)。在收集振動(dòng)頻率信息時(shí)只在鋼梁上一個(gè)點(diǎn)取樣，不排除這個(gè)點(diǎn)的鋼梁結(jié)構(gòu)存在缺陷的可能，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

體外預(yù)應(yīng)力加固鋼梁靜動(dòng)載試驗(yàn)的開(kāi)發(fā)成功，豐富了原有的試驗(yàn)類型[11-12]，在不增加很大成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生受益面的較大增長(zhǎng)，隨著實(shí)驗(yàn)發(fā)展的成熟，可以進(jìn)入基本型實(shí)驗(yàn)。同時(shí)能夠培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作精神和團(tuán)隊(duì)意識(shí)，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、實(shí)際動(dòng)手能力和科研能力等綜合素質(zhì)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、溝通與表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，適應(yīng)了高校素質(zhì)教育和教學(xué)改革的需要，取得了良好的教學(xué)效果。