不同張拉中心與寬高比對(duì)鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁的影響

摘" 要：以鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁為研究對(duì)象，通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件建立模型并分析不同張拉位置和不同寬高比對(duì)鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁整體變形、混凝土應(yīng)力、混凝土塑性損傷的影響規(guī)律。結(jié)果表明，改變混凝土梁的寬高比對(duì)結(jié)構(gòu)整體變形的影響較小，改變張拉位置能有效控制結(jié)構(gòu)變形，在不同張拉位置、不同寬高比下混凝土應(yīng)力具有較大差異。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土；張拉位置；結(jié)構(gòu)變形；寬高比；鋼絞線

中圖分類號(hào)：TU378" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）05-0079-04

Abstract： Prestressed concrete beams with steel strands were taken as the research object， and a model was established using ABAQUS finite element analysis software. The effects of different tensioning positions and various width-to-height ratios on the overall deformation， concrete stress， and concrete plastic damage of the prestressed concrete beams were analyzed. The results show that changing the width-to-height ratio of the concrete beam has little influence on the overall deformation of the structure， changing the tensioning position can effectively control the structural deformation， and the concrete stresses are greatly different under different tensioning positions and different width-to-height ratios.

Keywords： prestressed concrete; tensioning position; structural deformation; width-to-height ratio; steel strand

預(yù)應(yīng)力混凝土梁具有低碳節(jié)材、空間跨度能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在土木工程建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮了關(guān)鍵作用，被廣泛應(yīng)用于民用和工業(yè)建筑等基礎(chǔ)設(shè)施當(dāng)中。預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)的應(yīng)用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量和力學(xué)性能的改善發(fā)揮了關(guān)鍵作用[1-2]。在鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁的制備過(guò)程中，探究不同張拉位置和寬高比對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的變形影響具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的變形開(kāi)展了一定的研究，涵蓋了預(yù)應(yīng)力材料、施工技術(shù)、設(shè)計(jì)方法等多個(gè)方面。田敏鋒等[3]分析了施工順序?qū)Υ罂缍阮A(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的變形影響。戎芹等[4]分析了采用鋼絞線張拉預(yù)應(yīng)力混凝土?xí)r，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)鋼絞線有效應(yīng)力的變化規(guī)律，對(duì)軸應(yīng)變進(jìn)行了修正。王丹濤等[5]采用數(shù)值分析的分析方法，對(duì)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的變形特征進(jìn)行了研究。張建仁等[6]針對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線銹蝕對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行了研究。熊學(xué)煒等[7]采用數(shù)值分析，針對(duì)超長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的張拉方案進(jìn)行了研究，將后澆帶同步澆筑并同步張拉、后澆帶分批澆筑并分段張拉下的內(nèi)力分布和變形規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比。

本文通過(guò)有限元分析方法，對(duì)鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁在不同張拉位置和不同寬高比下的結(jié)構(gòu)變形和混凝土塑性損傷展開(kāi)了對(duì)比分析，總結(jié)了鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁在不同張拉比和不同寬高比下的變化規(guī)律。

1" 模型設(shè)計(jì)

1.1" 模型尺寸設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)模型時(shí)，采用跨度為9 000 mm的鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁，將梁的寬高比分別設(shè)定為1/2、9/20、2/5、7/20和3/10。張拉中心距離梁底端的距離與梁高的比值分別設(shè)置為0.5、0.4、0.3。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的尺寸為1×7-15.2 mm，極限強(qiáng)度值為1 860 MPa，鋼絞線的捻距為鋼絞線直徑的12倍?；炷翉?qiáng)度等級(jí)采用C30，在改變預(yù)應(yīng)力混凝土梁的寬高比時(shí)，為了保證單一變量，將鋼筋混凝土梁的配筋率控制為0.5%，按構(gòu)造要求配置箍筋。三維示意圖如圖1所示。

1.2" 張拉方式和網(wǎng)格劃分

采用后張法張拉鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁，利用一端固定一端張拉的方式進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施加。在ABAQUS中，利用溫度場(chǎng)施加預(yù)應(yīng)力[8]，通過(guò)對(duì)鋼絞線實(shí)體單元實(shí)施降溫來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力，即給定一個(gè)初始溫度值后改變溫度降低至室溫，將鋼絞線的膨脹系數(shù)取為5×10-5，鋼絞線單元會(huì)產(chǎn)生收縮變形，達(dá)到施加預(yù)應(yīng)力的效果。采用相同的溫度場(chǎng)，將預(yù)應(yīng)力的強(qiáng)度取為極限強(qiáng)度的70%（1 302 MPa）。

在網(wǎng)格劃分時(shí)，鋼絞線和混凝土采用8節(jié)點(diǎn)縮減積分實(shí)體單元進(jìn)行劃分（C3D8R），箍筋和縱筋采用2節(jié)點(diǎn)三維桁架單元（T3D2）進(jìn)行劃分，單元網(wǎng)格均采用80 mm。在ABAQUS中具有CDP塑性損傷模型分析力學(xué)性能的功能?？紤]混凝土材料受拉和受壓所產(chǎn)生的開(kāi)裂損傷[9]，其損傷過(guò)程具有連續(xù)性，受壓裂縫在受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中不可恢復(fù)，剛度恢復(fù)因子取ABAQUS默認(rèn)值。能有效地反映出混凝土在不用寬高比和不同張拉中心下的結(jié)構(gòu)變形和塑性損傷。

2" 有限元結(jié)果分析

2.1" 變形分析

如圖2所示，將寬高比相同，張拉位置不同的鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁的結(jié)構(gòu)變形繪制成變形曲線，分析了寬高比分別為1/2、9/20、2/5、7/20和3/10，張拉位置分別為0.5、0.4、0.3下的結(jié)構(gòu)變形。

在張拉位置相同，寬高比不同時(shí)，張拉位置取為0.3，不同寬高比下的結(jié)構(gòu)變形差異性較大。寬高比為1/2時(shí)的結(jié)構(gòu)變形較小、寬高比為3/10時(shí)的結(jié)構(gòu)變形明顯增加、寬高比為2/5和9/20時(shí)的結(jié)構(gòu)變形幾乎相同。張拉位置為0.4時(shí)，寬高比為3/10時(shí)的結(jié)構(gòu)變形較大，而寬高比為1/2、9/20、2/5和7/20時(shí)的結(jié)構(gòu)變形依次增加，總體相差較小。采用中心張拉時(shí)，同張拉位置為0.4時(shí)的變化規(guī)律相似，寬高比為3/10時(shí)的變形較大，寬高比為1/2、9/20時(shí)幾乎相同，寬高比2/5、7/20時(shí)幾乎相同。

在寬高比相同，張拉位置不同時(shí)，寬高比為1/2、9/20、2/5和7/20時(shí)的結(jié)構(gòu)變形隨著張拉位置向梁中心的變化依次降低，張拉位置為0.4和0.5時(shí)的變形相差較小，張拉位置為0.4和0.3時(shí)的結(jié)構(gòu)變形相差較大。而寬高比為3/10時(shí)，張拉位置為0.3和0.4時(shí)均產(chǎn)生了較大變形，張拉位置為0.5時(shí)發(fā)生了明顯下降。

通過(guò)以上分析可知，改變預(yù)應(yīng)力混凝土梁的寬高比對(duì)結(jié)構(gòu)整體變形的影響效果較小，當(dāng)預(yù)應(yīng)力跨度較小，需要增加起拱時(shí)，可將預(yù)應(yīng)力張拉位置下移。通過(guò)控制張拉中心的位置能有效改變鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁的變形。

2.2" 混凝土應(yīng)力分析

對(duì)鋼筋混凝土梁施加預(yù)應(yīng)力可以顯著提升混凝土構(gòu)件的剛度和承載能力，能有效降低在荷載作用下產(chǎn)生的徐變和收縮。圖3為混凝土應(yīng)力變化圖，通過(guò)分析混凝土在鋼絞線位置不同、寬高比不同下的應(yīng)力分布情況，能有效優(yōu)化預(yù)應(yīng)力布置方案。

在張拉位置為0.3時(shí)，寬高比為3/10時(shí)的混凝土應(yīng)力最小，寬高比為9/20時(shí)的應(yīng)力最大。張拉位置為0.4時(shí)，寬高比為3/10的混凝土應(yīng)力最小，寬高比為7/20時(shí)的應(yīng)力最大。張拉位置為0.5，即中心張拉時(shí)，寬高比為1/2時(shí)的混凝土應(yīng)力最小，寬高比為9/20時(shí)的應(yīng)力最大。

同一寬高比下，不同張拉位置對(duì)混凝土應(yīng)力的影響存在很大差異。寬高比分別為7/20、2/5、1/2時(shí)，混凝土的應(yīng)力受張拉位置的影響較?。粚捀弑葹?/20時(shí)，張拉位置在0.4時(shí)的混凝土應(yīng)力較小，而張拉位置在0.3和0.5時(shí)的混凝土應(yīng)力較大；寬高比3/10時(shí)，中心張拉所對(duì)應(yīng)的混凝土應(yīng)力會(huì)顯著提升。

利用鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，混凝土的應(yīng)力狀態(tài)在不同張拉位置、不同寬高比下的差異性較大，但變化規(guī)律不明顯。

分析預(yù)應(yīng)力混凝土截面的應(yīng)力分布情況對(duì)于提升預(yù)應(yīng)力混凝土的結(jié)構(gòu)性能、延長(zhǎng)使用壽命具有重要意義。如圖4所示，通過(guò)分析不同張拉位置和不同寬高比下固定端和張拉端的應(yīng)力分布情況可知，在寬高比相同，張拉位置不同時(shí)，混凝土的應(yīng)力分布情況相差較小，只是位置上的改變。張拉位置相同，寬高比為1/2和9/20時(shí)，混凝土的應(yīng)力分布廣泛，以鋼絞線為中心固定端呈現(xiàn)梭形發(fā)展，張拉端呈現(xiàn)X形發(fā)展，寬高比為2/5和7/20時(shí)，混凝土的應(yīng)力分布相對(duì)集中，出現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力鋼絞線處，固定端呈正方形分布，張拉端呈圓形分布。當(dāng)寬高比為3/10時(shí)，固定端和張拉端的應(yīng)力分布規(guī)律相似，受寬高比的影響，3/10時(shí)的應(yīng)力延伸至結(jié)構(gòu)表面，呈現(xiàn)不規(guī)則的分布情況。

通過(guò)上述分析可知，采用鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，混凝土表面應(yīng)力受寬高比的影響較大，張拉位置對(duì)混凝土應(yīng)力分布情況影響較小。

2.3" 混凝土損傷分析

混凝土的損傷分析是保證結(jié)構(gòu)安全、延長(zhǎng)使用壽命、提高耐久性的重要手段，在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土的損傷分析關(guān)乎著預(yù)應(yīng)力筋的耐久性和失效性。如圖5所示，通過(guò)分析混凝土損傷變化圖可知，張拉位置不同，寬高比相同時(shí)，只有寬高比為9/20時(shí)的波動(dòng)較大，寬高比為1/2、2/5、7/20、3/10相差較小。張拉位置相同，寬高比不同時(shí)，張拉位置為0.3和0.4時(shí)規(guī)律一致，寬高比為2/5時(shí)的損傷最小，寬高比為9/20時(shí)的損傷最嚴(yán)重，中心張拉時(shí)，寬高比為1/2時(shí)混凝土損傷最嚴(yán)重。

3" 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法，研究了相同寬高比不同張拉位置和相同張拉位置不同寬高比，對(duì)鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁的整體變形、混凝土應(yīng)力和混凝土塑性損傷的影響效果，得出以下結(jié)論：

1）改變預(yù)應(yīng)力混凝土梁的寬高比對(duì)結(jié)構(gòu)整體變形的影響效果較小，通過(guò)控制張拉位置能有效改變鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁的變形。

2）利用鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，混凝土的應(yīng)力狀態(tài)在不同張拉位置、不同寬高比下的差異性較大，而混凝土的損傷情況與寬高比的影響較大，與張拉位置的影響較小。

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