工業(yè)廠房大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁的運(yùn)用分析①

周一帆, 顏勝藍(lán)

(1.閩南理工學(xué)院土木工程學(xué)院，福建 泉州 362000；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司泉州供電公司，福建 泉州 362000)

0 引 言

在工業(yè)廠房的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)支架中常用的技術(shù)是預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)，具備較優(yōu)的跨越能力[1]，結(jié)合不同的材料，還可提升其服役性能和承載力，在大跨度工業(yè)廠房中具有較好的應(yīng)用前景。為提升預(yù)應(yīng)力混凝土梁的性能，發(fā)揮其最大的作用[2-3]，需研究其運(yùn)用性能，在施工過程中，充分考慮各種運(yùn)用性能，提升混凝土梁的運(yùn)用效果。為此分析工業(yè)廠房中大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁的運(yùn)用性能，為工業(yè)廠房施工建設(shè)提供可靠地?cái)?shù)據(jù)支持，加強(qiáng)施工安全。

1 工程概述

某工業(yè)的兩座主廠房長度282.8m，寬59.9m，高度33.5m，縱向柱距是7m，橫向?yàn)?m×22m-2m×2826m的大跨度結(jié)構(gòu)。該工業(yè)廠房中的屋面梁選擇大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁，因?yàn)榇罂缍阮A(yù)應(yīng)力混凝土梁重量較大，安裝場地受限，安裝難度較高，所以該混凝土梁選擇水泥與細(xì)骨料等原料生產(chǎn)的纖維增強(qiáng)細(xì)骨料混凝土，能有效解決這一系列問題。

該大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁的正立面如圖1所示。

該大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁的總長是24m-28m，梁選擇變截面型式，兩端最小高度是1m，跨中最大高度是1.3m，梁底部為水平的，底部安裝10-15根無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋[4]。

1.1 試驗(yàn)儀器

分析該工業(yè)廠房中大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁運(yùn)用過程使用的試驗(yàn)儀器如表1所示。

表1 試驗(yàn)儀器

1.2 試驗(yàn)方法

在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁放置張切斷鋼絞線，隨即在原始位置吊起該混凝土梁，在混凝土梁兩端放置鋼筋混凝土支墩，混凝土梁中均衡排列5個(gè)荷載點(diǎn)(有液壓千斤頂加載)，混凝土梁底距地面高度超過10cm，支墩上放置橡膠支座，混凝土梁兩端放置在橡膠支座中[5]；大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁加載順序如表2所示。

表2 加載順序

第2級(jí)至第5級(jí)荷載下，用于分析大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁在正常運(yùn)用極限狀態(tài)彎矩作用時(shí)，其應(yīng)力、撓度與抗裂性能是否符合在工業(yè)廠房中運(yùn)用；第6級(jí)至第7級(jí)荷載下，用于分析大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁在設(shè)計(jì)極限彎矩時(shí)，其應(yīng)力、撓度與抗裂性能是否符合在工業(yè)廠房中運(yùn)用；第8級(jí)至第10級(jí)荷載下，用于分析大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁在超過設(shè)計(jì)極限彎矩時(shí)，其應(yīng)力、撓度與抗裂性能是否符合在工業(yè)廠房中運(yùn)用[6]。

1.3 計(jì)算方法

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁在x，y，z方向的各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力計(jì)算公式如式(1)：

(1)

式(1)中，利用振弦式應(yīng)變計(jì)測(cè)量獲取x，y，z方向的線應(yīng)變?chǔ)舩，εy，εz；最大應(yīng)力方向和水平方向的夾角是α；測(cè)點(diǎn)處的最大、最小應(yīng)力值是εmax，εmin。

荷載作用下，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁的撓度計(jì)算公式如式(2)：

(2)

式(2)中，Yq和Yk分別用于描述梁開裂彎矩以及正常荷載梁彎矩，二者的比例用w描述；l，S，θ分別用于描述梁跨度、偏心距以及矩塑性對(duì)梁截面產(chǎn)生的干擾系數(shù)；B用于描述裂縫形成后的期望梁截面剛度如式(3)：

(3)

2 試驗(yàn)分析

分析各大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁試件在不同荷載及工況時(shí)，其應(yīng)力值、撓度與裂縫寬度的變化情況，分析結(jié)果如圖2-圖4所示。

根據(jù)圖2可知，工況相同時(shí)，荷載與各混凝土試件的應(yīng)力值具有正相關(guān)關(guān)系，在不同荷載下，試件1與試件4的應(yīng)力值相差較小，說明無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋數(shù)量，對(duì)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁的應(yīng)力值影響較小，且這兩個(gè)試件的應(yīng)力值明顯高于其余兩個(gè)試件，試件3的應(yīng)力值最小，說明增加混凝土梁的跨度可延緩其應(yīng)力增長，避免出現(xiàn)超過應(yīng)力限度，造成試件破壞情況；在荷載相同時(shí)，工況1中各試件的應(yīng)力值最小，工況3中各試件的應(yīng)力值最大，說明張拉無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋的數(shù)量越多，試件應(yīng)力值隨荷載提升的越快，超過極限應(yīng)力所需的荷載越小，三種工況中，僅有試件3的應(yīng)力值始終為超過極限應(yīng)力，未出現(xiàn)破壞情況。試驗(yàn)證明：荷載越大，試件應(yīng)力值越大；無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋數(shù)量對(duì)試件應(yīng)力值影響較?。谎娱L試件跨度，可延緩試件應(yīng)力值上升速度，避免試件超過極限應(yīng)力，出現(xiàn)破壞情況；張拉無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋數(shù)量越多，試件應(yīng)力值上升速度越快。

根據(jù)圖3可知，工況相同時(shí)，各試件的撓度與荷載均具有正相關(guān)關(guān)系，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋數(shù)量相同時(shí)，試件3的撓度最大，試件1的撓度最小，說明延長大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨度，會(huì)提升試件的撓度，即跨度越大，試件變形性能越強(qiáng)，跨度相同時(shí)，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋數(shù)量越多，試件的撓度越大，說明增加無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋數(shù)量，可提升試件撓度，即提升試件變形性能；各工況下，試件1出現(xiàn)開裂點(diǎn)需要的荷載最小，試件2與試件4出現(xiàn)開裂點(diǎn)需要的荷載基本一致，試件3出現(xiàn)開裂點(diǎn)需要的荷載最大，試件3的峰值荷載點(diǎn)與極限撓度點(diǎn)最大，其次是試件2、試件4、試件1；荷載相同時(shí)，工況1中各試件的撓度最大，工況3中各試件的撓度最小，說明張拉無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋數(shù)量越多，試件的撓度越小，出現(xiàn)開裂點(diǎn)需要的荷載越小，變形性能越差。實(shí)驗(yàn)證明：延長試件跨度，增加無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋數(shù)量，減少無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋張拉數(shù)量可提升試件撓度，提升試件變形性能，增加試件出現(xiàn)開裂點(diǎn)需要的荷載。

根據(jù)圖4可知，保持工況固定情況下，荷載越高，不同試件裂縫寬度也增加；保持荷載固定情況下，試件4的裂縫寬度最小，說明增加無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋數(shù)量，可減輕試件裂縫寬度，提升其抗裂性能，試件3的裂縫寬度最大，其次是試件2、試件3，說明延長試件跨度，會(huì)增加試件裂縫寬度；張拉無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋數(shù)量和不同試件裂縫寬度呈現(xiàn)正相關(guān)性，直至裂縫寬度保持穩(wěn)定，則說明該試件已接近斷裂，由試件3能夠看出，張拉無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋數(shù)量越多，其接近斷裂需要的荷載越小。實(shí)驗(yàn)證明：延長試件跨度，會(huì)增加其裂縫寬度；增加無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋數(shù)量，會(huì)緩解試件裂縫程度，提升其抗裂性能；張拉無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋數(shù)量越多，試件出現(xiàn)斷裂情況越為嚴(yán)重。

以工況1，120kN荷載為例，分析試件1、試件2與試件3，在不同預(yù)應(yīng)力度時(shí)，其裂縫寬度，分析結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，預(yù)應(yīng)力度提升，各試件的裂縫寬度均有所下降，試件1的裂縫寬度由最初的0.6mm，下降至0.2mm左右，試件2的裂縫寬度由最初的0.8mm，下降至0.28mm左右，試件3的裂縫寬度由最初的1.0mm，下降至0.35mm左右，說明試件跨度越大，裂縫寬度下降越為明顯。實(shí)驗(yàn)證明：增加試件預(yù)應(yīng)力度，可延緩試件開裂程度，提升其抗裂性能。

3 結(jié) 語

研究工業(yè)廠房中的預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)運(yùn)用效果，確保順利完成施工進(jìn)度，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。試驗(yàn)證明：荷載越大，試件應(yīng)力值越大；無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋數(shù)量對(duì)試件應(yīng)力值影響較??；延長試件跨度，可延緩試件應(yīng)力值上升速度，避免試件超過極限應(yīng)力，出現(xiàn)破壞情況；張拉無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋數(shù)量越多，試件應(yīng)力值上升速度越快；增加試件預(yù)應(yīng)力度，可延緩試件開裂程度，提升其抗裂性能，試件跨度越大，抗裂性能提升效果越為顯著。