橫張預應力砼梁關鍵部位受力性能研究

宋常利

(東北石油大學秦皇島分校建筑工程系,秦皇島066004)

橫張預應力混凝土技術屬于后張有粘預應力混凝土類型,由重慶交通學院周志祥教授提出[1]。與常規預應力混凝土相比,橫張法改傳統的縱向張拉為橫向張拉,降低了對設備張拉能力的需求,改專用傳統錨具為混凝土的粘結錨固,改預留孔道為預留明糟,從而節省了波紋管、灌漿材料、錨具、錨下加強鋼筋及部分預應力鋼筋,避免了由管道摩阻引起的預應力損失,避免了管道壓漿質量不定性及其造成的危害。2004年王世良[2]橫張預應力技術在榮經大橋中的應用研究課題,首次成功應用于箱型梁中,但這種技術尚未在房屋建筑領域當中應用。本文在總結已有研究成果的基礎上,對橫張預應力混凝土結構在房屋建筑中的應用進行了研究。

1 有限元模型建立

ANSYS模型中用SOLID65單元模擬梁柱混凝土,LINK8單元模擬縱筋、箍筋,SOLID45模擬定位鋼板、鋼插銷和加載墊板。模型中單元數分別為：SOLID65單元31 462,LINK8單元1 198,SOLID45單元28。單元數共計32 688,節點數共計27 666,總質量為395.70kg。

SOLID65單元的KEYOPT(1)設置為0,考慮形函數的附加項,以保證計算結果的精度;KEYOPT (7)設置為1,采用缺省的拉應力釋放系數Tc=0.6以利于收斂。混凝土破壞準則的參數通過命令TB,CONCR和TBDATA輸入,張開裂縫剪力傳遞系數βt=0.5,閉合裂縫的剪力傳遞系數βc=0.95。由于打開混凝土壓碎設置后,即便應力水平還未達到混凝土壓碎應力時收斂就變得十分困難,而且定義了混凝土的應力-應變曲線后,該選項對計算結果的影響不大,所以分析時關閉混凝土的壓碎選項,只考慮混凝土的開裂。混凝土材料參數見表1。

鋼材的應力-應變關系采用雙線性等向強化模型BISO,鋼筋屈服后彈性模量取彈性階段的0.01倍。鋼材參數見表2,圖1～圖4為各鋼材的應力-應變關系曲線。

表1 混凝土材料參數表Tab.1 The parameters of concrete material

表2 鋼材參數表Tab.2 The parameters of steels

根據結構和荷載的對稱性,取混凝土梁的1/4部分進行建模,在其兩側邊加上對稱約束,以消除切向位移。利用對稱性可以節約計算機內存,以便在有限的計算機容量下,把單元劃分得更細,提高計算精度。建立的有限元模型見圖5。

單元劃分采用映射網格劃分(mapped meshing),每個單元均為六面體,該方法生成的網格相互之間是呈規則排列的,分析結果的精度較高。為了實現混凝土和鋼筋的組合,要求混凝土單元和鋼筋單元共用節點,可采用體分割法或獨立建模耦合法來實現。本文采用先分別建立混凝土和預應力鋼筋模型,而后對其網格劃分,對預應力筋采用降溫法模擬預應力效應。而后采用獨立建模耦合法,使混凝土單元和鋼筋單元共用節點共同作用。對張拉定位后橫張預應力混凝土梁的網格劃分如圖6所示,以及考慮耦合和邊界條件后有限元模型如圖7所示。

2 梁體和粘結錨固區受力分析

橫張預應力是依靠預應力筋與混凝土的粘結實現對預應力筋的錨固[3]。預應力筋必須留有足夠長度,以便應力在縱向充分傳遞;此外,粘結錨固區混凝土的應力較為集中,若混凝土開裂失效,預應力筋將被拉斷,預應力筋過長則沒有意義,反而浪費材料。選取合適的預應力筋錨固長度,顯然是首先應解決的問題。為了建立鋼筋混凝土之間的粘結應力τ和相對滑移s的關系,許多學者進行了大量的試驗量測,并試圖建立起有代表性的經驗公式。目前比較公認的是 Nilson、Houde&Mirza、東南大學宋啟根教授和清華大學滕智明教授等人提出的經驗公式[4]。徐有鄰[5]根據試驗給出了預應力筋的最小錨固長度和傳遞長度,并與規范[6]進行了對比。文獻[7]根據鋼絞線的拉應力達到屈服強度時鋼絞線與混凝土之間的粘結力尚未破壞提出了最小錨固長度的簡化公式(1),并建議L取120d。

式中Rτ—鋼絞線與混凝土之間的平均粘結應力,參照規范Rτ取4.0;σs—絞線的屈服強度。

本文中計算模型用的預應力鋼筋采用高強低松弛鋼絞線直徑和參考文獻[8]和[9]是一樣的。本章建立在張拉定位后橫張預應力混凝土梁計算模型以及張拉過程中計算模型,驗證預應力鋼筋在粘結錨固區的長度取值分別為90cm,120cm和150cm時對混凝土梁受力反應的影響。本章圖表中所指的“張拉處梁底”情況是：在張拉到位、尚未錨固前橫張預應力梁在張拉設備張拉處的應力或位移。未注明“張拉處梁底”的其他情況都是指在張拉錨固后的應力和位移。

對于混凝土拉壓不同性、開裂壓碎等特性,一般的彈塑性本構關系無法反映其材料特性。一般的材料本構關系只能定義對稱參數,即拉壓對稱,受拉和受壓的屈服水平等同,而混凝土抗拉強度一般不足抗壓強度的十分之一,而在復雜結構當中混凝土不可能只處于單向受力狀態,拉壓的同時存在,使分析者很難定義混凝土材料的本構關系。若取抗拉強度為屈服強度,無疑會大大降低混凝土結構的承載能力;而取抗壓強度做屈服點,又必然會提高結構的承載能力。

為加快收斂性,本文將混凝土有限元單元Sol-id65壓碎開關關閉,導致計算模型中混凝土梁的第一主應力和第三主應力超過了允許值。另外,沒有建立普通鋼筋-縱向鋼筋和箍筋的有限元單元也使得梁的能力有所下降。但從研究三個關鍵部位的角度看,仍有一定的參考價值。

在張拉到位、尚未錨固前以及張拉定位后,采取不同錨固長度作用下混凝土梁的整體以及各主要部位-錨固區域、轉折區域、插銷區域、跨中區域和張拉處梁底的第一主應力和第三主應力列于表3;沿著斷面處路徑應力情況對比見圖8。

從表3不同錨固長度時混凝土梁主應力對比可見,錨固長度在90cm～150cm之間混凝土梁的應力都相當接近,且在120cm時應力要稍小些,表明錨固長度取120cm是比較合理的。

從圖8不同錨固長度時錨固區域預應力鋼筋附近混凝土路徑應力對比可以看出,第一主應力和第三主應力都集中在預應力鋼筋轉折處附近混凝土,且在很小的范圍應力內就驟減,符合粘結滑移的應力分布。

3 結論

1)錨固長度在90cm～150cm之間混凝土梁的第一主應力和第三主應力都相當接近。在120cm時應力要稍小些,表明錨固長度取120cm是比較合理的。

表3 不同錨固長度時混凝土梁主應力對比Tab.3 The concrete beam stress at different anchorage length

2)從混凝土梁第一主應力和第三主應力云圖以及梁橫斷面的應力情況對比可看出,在張拉到位、尚未錨固前和張拉定位后混凝土梁應力集中比較明顯,主要發生在梁的三個關鍵部位：預應力鋼筋轉折區域混凝土處、插銷區域混凝土以及張拉處梁底混凝土,尤其是在定位鋼板處的混凝土在很小的范圍內就驟降到很小的值。由于計算模型的壓碎開關關閉導致這幾處的第一主應力和第三主應力早已超過了混凝土的相應允許值。說明混凝土已經在局部區域發生拉裂和壓碎,但整個混凝土梁的大部分區域應力較小。

3)在不同錨固長度時各鋼材部件應力對比可見鋼材應力很接近,錨固長度對其影響不大。

4)張拉力達到94kN時反拱度為4.55mm,與本文計算模型中的張拉力達到96kN時的反拱度為4.47mm相當接近。說明本文很好的模擬了張拉過程中混凝土梁的反應特性。

5)錨固長度越大其跨中撓度(豎向位移與跨度比值)越小,說明錨固長度對反拱度和撓度有一定的影響。

6)在張拉過程中,裂縫發育情況很接近,大部分分布在定位鋼板處混凝土、插銷處混凝土以及張拉處梁底混凝土。對于這三個關鍵部位,可以通過增設鋼筋網片等措施來加強其附近混凝土的抵抗能力。

[1]重慶交通學院橫張預應力混凝土課題組.橫張預應力混凝土技術在T型橋中的應用研究報告[R].1999.

[2]王世良,周志祥.橫張預應力技術在榮經大橋中的應用研究[EB/OL].中國技術專家網

[3]沈聚敏,王傳志,江見鯨.鋼筋混凝土有限元與板殼極限分析[M].北京：清華大學出版社,l993.

[4]胡曉倫,周志祥.橫張預應力砼梁關鍵部位的應力分析[J].重慶交通學院學報,2004(1)：95-106.

[5]徐有鄰,朱龍.鋼絞線基本性能與錨固長度的試驗研究[J].建筑結構,1996(3)：34-38.

[6]GB 50010-2002,混凝土結構設計規范[S].

[7]周志祥.預應力混凝土梁受載行為研究與新技術探索[D].重慶：西南交通大學,1998.

[8]楊勇.橫張預應力混凝土梁受彎性能試驗研究[D].重慶：重慶交通學院,2003.

[9]鄭升寶.橫張預應力混凝土梁抗剪性能的試驗研究[D].重慶：重慶交通學院,2003.