后張有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁彎矩調(diào)幅分析

張云峰，　吳紫陽，　趙德旺

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

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后張有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁彎矩調(diào)幅分析

張云峰，吳紫陽，趙德旺

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

彎矩調(diào)幅可以減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面積，提高工程的經(jīng)濟性。為研究預(yù)應(yīng)力度對高受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁彎矩調(diào)幅的影響，采用有限元軟件對12根后張有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁進行靜力分析，獲得預(yù)應(yīng)力度對連續(xù)梁性能的影響規(guī)律。計算預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的彎矩調(diào)幅值，分析預(yù)應(yīng)力度對彎矩調(diào)幅的影響，提出合適的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁彎矩調(diào)幅建議值。結(jié)果表明：隨著預(yù)應(yīng)力度的降低，次彎矩調(diào)幅明顯減小，荷載調(diào)幅增大，彎矩總調(diào)幅值呈現(xiàn)下降的趨勢。該研究為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁在工程中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁； 彎矩調(diào)幅； 張拉控制應(yīng)力； 預(yù)應(yīng)力度

0　引　言

隨著建筑材料和建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，后張有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁作為一種現(xiàn)今較常見的結(jié)構(gòu)形式，得到越來越廣泛地應(yīng)用[1]。 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁在超載情況下能夠進行內(nèi)力重分布，可以提高抗彎破壞強度，減小截面高度，節(jié)約材料，提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性[2]。

相對于普通鋼筋混凝土連續(xù)梁的彎矩調(diào)幅而言，后張有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的彎矩調(diào)幅是很復(fù)雜的[3]，這主要是由于影響預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁彎矩調(diào)幅的因素比較復(fù)雜，如預(yù)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的次彎矩、混凝土強度、鋼筋強度、預(yù)應(yīng)力度、張拉控制應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力筋的形狀和相對受壓區(qū)高度等[4]。目前，國內(nèi)外對低受壓區(qū)彎矩調(diào)幅研究已經(jīng)比較成熟，但對高受壓區(qū)的彎矩調(diào)幅研究依然較少。預(yù)應(yīng)力度是由預(yù)加應(yīng)力大小確定的消壓彎矩與外荷載產(chǎn)生的彎矩的比值。筆者研究預(yù)應(yīng)力度對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁彎矩調(diào)幅的影響，以期為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁在工程中的應(yīng)用和發(fā)展提供理論依據(jù)。

1　構(gòu)件有限元模擬與驗證分析

1.1有限元模型

利用ABAQUS有限元軟件[5-8]建立后張有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的有限元模型，并與已有的實驗數(shù)據(jù)進行對比。

后張有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的各項參數(shù)與文獻[9]的實驗參數(shù)一致，選取其中兩根預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁YL-1、YL-2，并以YL-1為例進行有限元模擬。

有限元模擬時，混凝土采用損傷塑性模型，該模型采用的是Kachanov經(jīng)典損傷模型[10]，鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用經(jīng)典的雙線性隨動強化材料模型。在部塊和屬性定義模塊中定義各種材料的屬性，在裝配件模塊把各個部件組裝成為一個整體，在約束模塊定義連續(xù)梁各個部件之間的約束關(guān)系，在分析步模塊中定義各個參數(shù)變量的輸出，在荷載和邊界模塊施加集中荷載和預(yù)應(yīng)力，約束支座的自由度，然后進行網(wǎng)格劃分。根據(jù)熱脹冷縮原理，采用降溫法，對預(yù)應(yīng)力筋施加預(yù)應(yīng)力。YL-1有限元模型如圖1a所示，網(wǎng)格劃分如圖1b所示。

a　有限元模型

b　網(wǎng)格劃分

1.2有限元模擬結(jié)果分析

圖2a為YL-1梁施加應(yīng)力后的應(yīng)力云圖，圖2b為YL-1梁完成加載后的應(yīng)力云圖。預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁的應(yīng)力主要分布在預(yù)應(yīng)力筋和鋼筋骨架上，鋼筋骨架的應(yīng)力主要分布在中支座和跨中位置。通過圖2可知，混凝土的應(yīng)力分布主要集中在跨中和中支座位置，由于預(yù)應(yīng)力筋的存在，混凝土在荷載作用下的承載能力增強。

a　施加預(yù)應(yīng)力后

b　加載后

1.3荷載與荷載位移曲線對比

根據(jù)ABAQUS模型計算得到的數(shù)據(jù)繪制YL-1、YL-2梁荷載-位移曲線，并與已有實驗的荷載-位移曲線對比，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以觀察到，通過模擬計算得到的荷載-位移曲線，與已有實驗荷載-位移曲線走向趨勢相同，預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁在整個過程中經(jīng)過了彈性階段、屈服階段和破壞階段,有限元模擬的結(jié)果和實驗結(jié)果吻合良好。這一結(jié)果驗證了文中所選取的材料本構(gòu)模型和所用建模方法的正確性。但因文中所用模型未考慮預(yù)應(yīng)力的損失及預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間的相對滑移，并為混凝土加了墊塊，使模型連續(xù)梁的剛度增大，所以最終模擬值與實驗值存在一定的偏差。

2　模型構(gòu)件設(shè)計

文中模擬分析的是兩跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁， 每跨均為7 600 mm， 連續(xù)梁的截面尺寸均為350 mm×150 mm, 混凝土均采用C50， 非預(yù)應(yīng)力筋均采用HRB335，箍筋采用HPB235，材料的各力學(xué)性能指標(biāo)見表1，構(gòu)件配筋及加載示意見圖4。

a　構(gòu)件配筋示意

b　加載示意

材料材料類型E/MPa強度標(biāo)準(zhǔn)值/MPa預(yù)應(yīng)力筋消除應(yīng)力鋼絲2.05×1051570.0 非預(yù)應(yīng)力筋HRB3352.00×105335.0 箍筋HPB2352.10×105225.0 混凝土C503.45×10432.4

3　彎矩調(diào)幅分析

3.1預(yù)應(yīng)力度對預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁彎矩調(diào)幅的影響

針對以下12個構(gòu)件進行預(yù)應(yīng)力度的影響分析。根據(jù)受壓區(qū)高度分成0.30、0.35、0.40和0.45四組，預(yù)應(yīng)力度λ分別為0.8、0.7和0.5，其他參數(shù)均相同。表2為不同預(yù)應(yīng)力度的預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁在靜力荷載作用下的荷載。其中，A為預(yù)應(yīng)力筋面積，As(A's)為受壓(拉)區(qū)鋼筋面積，t為降低溫度,σ為預(yù)應(yīng)力筋最終應(yīng)力，F(xiàn)1為開裂荷載，F(xiàn)2為極限荷載，ξ為相對受壓區(qū)高度。

表2　預(yù)應(yīng)力度影響荷載對比

由表2可以看出，預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁的開裂荷載和極限荷載隨著預(yù)應(yīng)力度的減小而增大，這是由于在不改變預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量的前提下，預(yù)應(yīng)力度減小，就需要增加非預(yù)應(yīng)力筋的面積，而配筋率提高使得連續(xù)梁整體的抗彎性能提升，所以，極限承載力隨著預(yù)應(yīng)力度的減小而增大。而預(yù)應(yīng)力筋的最終應(yīng)力隨著預(yù)應(yīng)力度的減小而減小。這是因為，隨著預(yù)應(yīng)力度的減小，非預(yù)應(yīng)力筋的面積增大，非預(yù)應(yīng)力筋所承擔(dān)的應(yīng)力也增大，預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力就相應(yīng)的減小，從而導(dǎo)致最終應(yīng)力隨著預(yù)應(yīng)力度的減小而降低。

3.2預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁彎矩調(diào)幅值對比

不同預(yù)應(yīng)力度的預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁在靜力荷載作用下的彎矩調(diào)幅值見表3。其中，Mc為次彎矩，Mt為彈性計算截面彎矩，Ms為模擬截面彎矩，βMc為次彎矩調(diào)幅,βF為荷載調(diào)幅，βz為彎矩總調(diào)幅值。

表3　預(yù)應(yīng)力度影響彎矩調(diào)幅值對比

由表3可以得出，隨著預(yù)應(yīng)力度的降低，次彎矩調(diào)幅明顯減小。這是因為張拉控制應(yīng)力一定，次彎矩的大小不變，而當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋一定時，預(yù)應(yīng)力度減小，則需要增大非預(yù)應(yīng)力筋的面積，預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁的承載能力增強，初始次彎矩的調(diào)幅能力就會減弱，從而導(dǎo)致次彎矩調(diào)幅能力下降。

荷載調(diào)幅隨著預(yù)應(yīng)力度的減小而增大，主要是因為預(yù)應(yīng)力度減小時，保持預(yù)應(yīng)力筋不變，非預(yù)應(yīng)力筋面積增加，從而使得預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁整體抗彎承載力提高，荷載調(diào)幅的作用更明顯，荷載調(diào)幅值增加。

預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁總的彎矩調(diào)幅值隨著預(yù)應(yīng)力度的減小呈現(xiàn)下降的趨勢，主要的原因是，當(dāng)相對受壓區(qū)高度較高時，初始次彎矩調(diào)幅占主導(dǎo)地位，荷載調(diào)幅隨著受壓區(qū)高度的增大甚至?xí)霈F(xiàn)負值，主要是依靠次彎矩調(diào)幅。因此，隨著預(yù)應(yīng)力度的降低，預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁的荷載調(diào)幅增大，但是次彎矩調(diào)幅以更大的速度減小，總的調(diào)幅值隨著預(yù)應(yīng)力度的減小而降低。3.3預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁彎矩調(diào)幅建議值公式

在大量有限元分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)的設(shè)計規(guī)范和建議，在預(yù)應(yīng)力度不小于0.7時，可以按式(1)進行高受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的彎矩調(diào)幅取值。

(1)

式中：β——彎矩調(diào)幅系數(shù)；

ξ——相對受壓區(qū)高度，不宜大于0.45。

4　結(jié)束語

從結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性出發(fā)，通過對12根后張有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁進行有限元分析，得出預(yù)應(yīng)力度對彎矩調(diào)幅的影響規(guī)律，隨著預(yù)應(yīng)力度的減小，彎矩調(diào)幅值呈下降趨勢。在考慮彎矩調(diào)幅的情況下，張拉控制應(yīng)力不小于0.4，不大于0.7，預(yù)應(yīng)力度不小于0.7時，得到針對高受壓區(qū)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁彎矩調(diào)幅公式。

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(編輯荀海鑫)

Moment modification analysis on bonded post-tensioned prestressed concrete continuous beam

ZHANGYunfeng,WUZiyang,ZHAODewang

(School of Civil Engineering & Architecture Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

This paper is focused on bending moment modification capable of reducing the cross-sectional area of structure component with an improved economy. The study working toward identifying the influence of prestressing degree on prestressed concrete continuous beams high compression zone bending moment modification is performed by a static analysis of 12 bonded post-tensioned prestressed concrete continuous beams using finite element software and an investigation into the law behind the influence of prestressing degree on continuous beam performance. The research is unique due to the calculation of the bending moment modification values of prestressed concrete continuous beams; analysis of the effects of prestressing degree of the bending moment modification; and above all, the production of appropriate recommendation values of bending moment modification of prestressed concrete continuous beams. Results show that an decrease in prestressing degree is followed by an obvious decrease in secondary bending moment modification, enabling an increase in load modification, hence a downward trend in bending moment of total amplitude values. The research may provide a reference for prestressed concrete continuous beams in engineering applications.

prestressed continuous beams;bending moment modulation;tension control stress; prestressing degree

2015-12-04

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12543023)

張云峰(1966-)，男，吉林省扶余人，教授，博士，研究方向：混凝土及砌體結(jié)構(gòu)，E-mail：ziyang497001589@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.021

TU378.2

2095-7262(2016)01-0095-05

A