大直徑鋼絞線預應力梁正截面承載力研究概述

付豪　陳冠華　張躍　張笑塵　封征宇（東北林業(yè)大學，黑龍江　哈爾濱　150000）

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大直徑鋼絞線預應力梁正截面承載力研究概述

付豪陳冠華張躍張笑塵封征宇
（東北林業(yè)大學，黑龍江哈爾濱150000）

摘要：根據(jù)國內(nèi)外試驗研究成果，對預應力混凝土梁的試驗方法進行了總結，結合大直徑高強鋼絞線的優(yōu)越性能，提出了一種大直徑高強鋼絞線預應力混凝土梁，并針對該新型結構進行了正截面承載力的研究分析。

關鍵詞：鋼絞線，預應力混凝土梁，正截面承載力

0　引言

我國目前仍處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時期，經(jīng)三十多年的迅猛發(fā)展，建筑業(yè)已成為我國國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。鋼鐵材料始終是建筑結構的主體材料，建筑用鋼材需求量較大，占鋼材消費量的50%以上。由于我國基礎設施的主要結構材料是鋼筋混凝土，多年來鋼筋和線材一直在建筑用鋼消耗中占有較大比重。其中，主要以500 MPa級以下的中低強鋼筋為主，極限強度標準值高可達1 960 MPa的高強預應力筋所占的比重極小。建筑業(yè)作為資源消耗量較大行業(yè)之一，要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，就必須調(diào)整建筑材料消耗結構，大力推廣應用高強鋼筋，走節(jié)約型發(fā)展道路。

預應力鋼筋混凝土結構自誕生以來已經(jīng)歷了半個世紀和眾多工程實踐的考驗。其理論分析、基本性能研究、方案探索、構造設計、生產(chǎn)工藝等方面已有顯著成果，科學性、可靠性和經(jīng)濟性不言而喻。并且世界各國興建了很多有代表性的預應力工程建筑物，這些都說明預應力鋼筋混凝土結構己在世界土建工程中顯示了強大的生命力和吸引力，值得我們深入研究并獲得更多的收益。

1　國內(nèi)外大直徑高強預應力混凝土梁的研究現(xiàn)狀

和普通鋼筋混凝土梁相比，應用高強預應力鋼筋的混凝土梁具有更大的承載力。國內(nèi)外學者通過試驗驗證，對大直徑高強預應力鋼絞線混凝土梁進行了詳細研究，對梁正截面極限承載力、裂縫開展和截面破壞形態(tài)等方面進行了分析。

陸洲導、張士鐸［1］對5根無粘結部分預應力混凝土箱形截面梁進行實驗，核實了無粘結部分預應力混凝土梁的正截面承載力強度問題。通過理論分析推導出了梁極限破壞時無粘結預應力筋應力的計算公式并且考慮了跨高比和附加非預應力鋼筋對此項應力的影響，提出了無粘結部分預應力混凝土梁正截面強度的計算方法。

宋永發(fā)、王清湘、趙國藩等［2］進行了15根單調(diào)荷載和11根低周重復荷載作用下的無粘結部分預應力高強混凝土梁的實驗研究并探討了綜合配筋指標、跨高比、荷載作用方式等等因素對預應力筋應力增量和極限承載力可能帶來的影響。得出了兩種無粘結部分預應力高強混凝土梁正截面極限承載力的計算公式，做出的相應的驗證與實驗結果吻合，表明公式可以使用。

王鵬［3］對12根高強鋼筋高強混凝土預應力簡支梁進行了兩點對稱同步分級集中加載抗彎性能試驗。觀察了構件從開裂到喪失承載力的全過程并分析了各階段鋼筋的承載力、撓度、延性、裂縫寬度。得出了高強鋼筋高強混凝土預應力梁的延性隨著預應力強度比和換算配筋率的增大而降低，隨著受壓非預應力筋指數(shù)、混凝土強度等級和體積配箍率的增大而增大的結論。

張利梅［4］對一塊跨度為16 m的空心板分別采用C80高強混凝土和高均勻延伸率低松弛1860級鋼絞線的空心板梁進行原型試驗。根據(jù)實驗現(xiàn)象對正截面受力性能進行了全面的論證，得出了采用高均勻延伸率低松弛1860級鋼絞線可有效地提高空心板梁的延性的結論。

葉覺明、張?zhí)?、鮮榮等［5］結合國內(nèi)外各工程案例，對1960級鋼絲的使用情況、使用效果和相比普通鋼絲的優(yōu)點等方面做出了詳細的調(diào)查研究。得出了1960級鋼絲可以有效地減少橋上纜繩鋼絲用量、減少主纜耗材和風阻、減小鋼筋直徑并極大提高承載力等優(yōu)點的結論。提出可能需要對1960級鋼絲進行熱處理強化、有效韌化等處理手段以保證其使用穩(wěn)定。

郭俊平、鄧宗才、林勁松等［6］進行了預應力高強鋼絞線網(wǎng)加固鋼筋混凝土板的實驗研究。對三塊不同預應力水平加固板、一塊非預應力加固板和一塊對比板進行抗彎試驗研究。實驗結果表明，預應力高強鋼絞線加固技術解決了非預應力加固方法鋼絞線應變滯后、發(fā)生剝離破壞、高強度利用率低等缺點，也表明了此項技術是一種主動高效的加固技術，具有較高的推廣應用價值。

楊春滿、朱永勝、張紅軍等［7］通過對礦用大直徑錨索進行實驗，結果表明大直徑錨索在高地壓和頂板破碎的困難巷道中起到了良好的支護作用，減少了設備維修量，杜絕了頂板事故的發(fā)生，這些優(yōu)點都與其中高強鋼絞線的應用有關。

胡頌華［8］對采用高強鋼筋預應力混凝土梁的某酒店進行了結構分析。通過檢驗和對比分析，得出了應用高強鋼絞線的大跨度建筑結構抗裂度和耐久性都得到了顯著提高的結論。

綜上所述可知，在科技迅猛發(fā)展的今天，大直徑高強預應力筋在各個方面都有很大的發(fā)展空間，在結構構件尺寸一定的條件下，預應力結構可跨越更大的跨度，在跨度一定的條件下，預應力結構可實現(xiàn)較小的截面尺寸。通過預應力技術，可使高強預應力筋的強度充分發(fā)揮。在建筑工程方面，采用高強預應力筋在“大（大跨度、大面積）、高（高層）、重（重荷載）、特（特種結構、特殊需要）”結構建造中作用巨大。在橋梁工程、地下工程、隧道工程中，高強預應力筋也在得到廣泛的應用，值得我們?nèi)榇颂剿鳌?/p>

2　大直徑高強鋼絞線預應力混凝土梁的研究方案

參考借鑒相關文獻和資料，設計如下試驗方案，通過對大直徑高強鋼絞線預應力混凝土梁正截面承載力、破壞形態(tài)、經(jīng)濟效益等試驗結果進行分析，研究采用1960級鋼絞線和C50混凝土對梁正截面承載力的影響，確定最佳混凝土配比與鋼筋配置方案，得出使用大直徑高強預應力鋼絞線的可行性。

2.1創(chuàng)新點

1）加強高強度預應力鋼筋的使用，為我國土木建筑工程中高強預應力筋的科學化與規(guī)模化應用奠定基礎，為具有節(jié)能減排低碳環(huán)保的綠色建筑提供技術支撐。

2）國內(nèi)關于高強度預應力筋的使用和發(fā)展的研究，尚未見成型體系與具體的報道。

3）進行構件相關受力性能試驗和有限元分析，為建立相關理論基礎提供試驗依據(jù)，這將有利于高強度鋼筋鋼絞線預應力混凝土的推廣和使用，從而達到較好的社會、經(jīng)濟效益。

2.2大直徑高強鋼絞線預應力混凝土梁正截面承載力試驗

制作鋼筋混凝土梁進行試驗，構件的尺寸為6 000 mm× 200 mm×400 mm（l×b×h），高強鋼絞線采用1960級鋼絞線，普通鋼筋采用HRB400級鋼筋，混凝土采用C50級混凝土。采用后張法對1960級鋼絞線進行張拉。梁布置方式如圖1所示。

圖1　梁試件構造圖

本實驗為三分點靜載實驗，利用千斤頂施加豎向荷載，應變片、位移計和靜態(tài)電阻應變測試系統(tǒng)對鋼筋與混凝土的各測點應變、撓度和豎向荷載進行量測，加載設備和量測裝置如圖2所示。

圖2　加載設備和量測裝置示意圖

2.3試驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)分析

通過以上試驗，觀察大直徑高強鋼絞線預應力混凝土梁的破壞現(xiàn)象和破壞形態(tài)，記錄極限拉應力、極限壓應力、撓度、鋼筋應變、混凝土應變、位移等參數(shù)。利用Abaqus軟件建立有限元模型并分析構件的承載能力且隨著荷載的增加，分析構件的變形和裂縫的發(fā)展情況。對比普通鋼筋混凝土構件的承載能力、變形情況、裂縫分布情況等因素得出最優(yōu)的鋼絞線配置方案。總結實驗數(shù)據(jù)，得出采用大直徑高強預應力鋼絞線的可行性分析。

3　結語

1）根據(jù)大直徑高強鋼絞線的優(yōu)越性能，提出了一種大直徑高強鋼絞線預應力混凝土梁，并借鑒國內(nèi)外先進的研究方法，針對這種新型結構的性能和影響因素等方面的研究進行了試驗方案設計。

2）高強預應力鋼筋的抗拉強度設計值為目前仍大量應用的HRB335級鋼筋的4.7倍，作為主導鋼筋的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，相比普通鋼筋抗拉強度具有更大優(yōu)勢。采用高強預應力鋼筋作為受拉材料用于混凝土梁底部受拉區(qū)切實可行。

3）在普通混凝土梁中使用大直徑高強預應力鋼絞線能夠使梁的正截面承載力顯著提高，充分發(fā)揮受壓區(qū)混凝土的抗壓強度和受拉區(qū)鋼絞線和非預應力鋼筋的抗拉強度，提高梁的承載性能，彌補因跨度過大和鋼筋強度過低帶來的承載力不足的影響，有利于梁綜合性能的提高，也順應了當代節(jié)能環(huán)保綠色建筑的發(fā)展趨勢。

參考文獻：

［1］陸洲導，張士鐸.無粘結部分預應力混凝土梁正截面強度的研究［J］.土木工程學報，1992（6）：1-9.

［2］宋永發(fā)，王清湘，趙國藩，等.部分預應力高強混凝土梁無粘結筋極限應力及承載力的計算方法［J］.中國公路學報，2000（1）：64-67.

［3］王鵬.高強鋼筋高強混凝土預應力梁受力性能及延性試驗研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學，2013.

［4］張利梅.高效預應力混凝土梁受力性能及延性研究［D］.大連：大連理工大學，2004.

［5］葉覺明，張?zhí)疲r榮，等.1960 MPa級鋼絲加工及其在懸索橋主纜上的應用［J］.金屬制品，2015（2）：1-6.

［6］郭俊平，鄧宗才，林勁松，等.預應力高強鋼絞線網(wǎng)加固鋼筋混凝土板的試驗研究［J］.土木工程學報，2012（5）：84-92.

［7］楊春滿，朱永勝，張紅軍，等.礦用大直徑高強預應力錨索的開發(fā)及應用［J］.煤炭科學技術，2008（12）：59-62.

［8］胡頌華.某酒店工程大跨度預應力混凝土梁施工技術的應用［J］.工程與建設，2012（2）：254-257.

Research on right section’s loading
capacity of large-diameter steel strand prestressed beam

Fu Hao Chen Guanhua Zhang Yue Zhang Xiaochen Feng Zhengyu
（Northeast Forestry University，Harbin 150000，China）

Abstract：According to research results of tests at home and abroad，the paper sums up the experimental methods for the prestressed concrete beam，puts forward the sort of large-diameter steel strand prestressed beam by combining with its advantageous performance，so as to right section loading capacity the research and analysis of the new structure.

Key words：steel strand，prestressed concrete beam，right section loading capacity

中圖分類號：TU378.2

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0061-02

收稿日期：2015-12-15

作者簡介：付豪（1994-），男，在讀本科生；陳冠華（1995-），男，在讀本科生