某27 m跨混凝土梁預應力張拉測試研究

王慧平 黃全超

(1.中石化勝利建設工程有限公司，山東 東營 257000； 2.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033)

某27 m跨混凝土梁預應力張拉測試研究

王慧平1黃全超2

(1.中石化勝利建設工程有限公司，山東 東營 257000； 2.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033)

結合某石油化工研究院建設項目中的27 m跨緩粘結預應力混凝土梁，探討了緩粘結預應力混凝土梁的施工監測與有限元分析方法，對預應力筋張拉過程中的關鍵點進行了應變數據采集，并與有限元分析得到的結果進行了對比，可為大跨度緩粘結預應力混凝土梁的施工控制、研究提供參考。

緩粘結，預應力混凝土，施工監測，有限元計算

1 概述

作為一種性能優良的結構形式——預應力混凝土結構被廣泛用于土木工程結構中，但傳統施工工藝澆筑的預應力混凝土結構都存在著各自無法克服的缺點，有粘結預應力混凝土結構構件需預留孔道—穿束—壓漿等復雜而繁瑣的施工工序問題，無粘結預應力混凝土結構構件后期易造成預應力筋與錨具的疲勞，且施工質量難以保證。隨著超效緩凝劑的研制成功，緩粘結預應力體系應運而生。緩粘結預應力混凝土是近二十年出現的一種新型預應力體系[1-5]。

緩粘結預應力結構在我國土木工程領域已經得到了廣泛使用，某石油化工研究院建設項目是集科研辦公，機關后勤辦公、實驗室和學術交流等功能于一體的科研實驗用房。該項目的A2建筑設有室內籃球場兼羽毛球場，該室內籃球場兼羽毛球場采用了27 m跨跨度緩粘結預應力混凝土梁。

在大跨度預應力的設計施工中，由于實際的材料性質、荷載情況、施工條件以及其他外界因素的影響，單純地從理論上預測工程中可能遇到的問題是不現實的，這就有必要在預應力張拉時對混凝土構件進行監測[6，7]。本文結合工程實例，對27 m跨跨度緩粘結預應力混凝土梁進行了施工階段的監測，并利用MIDAS軟件對該梁進行了有限元模擬，并將監測結果與有限元分析結果進行了比較分析。

2 試驗概況

2.1 預應力混凝土構件

本文以2014年10月28日開始澆筑的大跨度緩粘結預應力梁為研究對象，該梁截面尺寸寬度為：0.5 m、高度1.5 m、跨度27 m，使用C40商品混凝土，在澆筑完后，覆蓋塑料薄膜進行養護，28 d齡期時張拉預應力鋼筋。

2.2 試驗方案

本次現場監測參數包括鋼筋應變、混凝土應變；監測測點主要布置在跨中和端部的位置。共布置2個鋼筋測點和14個混凝土測點，應變片粘貼方向與構件軸線一致，并對其進行編號。7號和15號為鋼筋應變片，1號～6號和8號～14號為混凝土應變片，粘貼位置見圖1，圖2。

2.3 加載程序及加載穩定時間控制

按照緩粘結預應力混凝土梁設計要求，采用千斤頂加載方式張拉預應力鋼筋，分級逐級施加荷載[8]。以試驗梁跨中側面低部的測點為控制測點，每級加載后立即測讀應變值，計算其與加載前應變值之差值Sg，隨后每隔2 min測讀一次，計算前后讀數的差值ΔS，并計算相對應變值差值：m=ΔS/Sg，當相對讀數誤差m值小于1%時，即認為結構基本穩定，可對觀測點進行讀數。

3 有限元模擬介紹

對于本工程的大跨度緩粘結預應力混凝土梁，采用MIDAS有限元分析軟件進行模擬，分析中對于預應力鋼筋強度及面積按原設計進行定義；對于混凝土強度，在正常養護的條件下，混凝土強度將隨齡期的增長而不斷發展，最初7 d～14 d內強度發展較快，以后逐漸緩慢，28 d達到設計強度[9]；據此，在MIDAS中，定義了混凝土強度隨時間的發展規律。

4 結果對比分析

4.1 有限元分析結果

圖3是張拉14根預應力筋后的縱向總體應力分布圖。根據模型分析結果，板中主要是拉應力，最大拉應力為0.98 MPa，小于混凝土的抗拉強度。預應力梁中主要是壓應力，最大壓應力在梁跨中底部，為-1.62 MPa。

圖4為張拉14根預應力筋后的梁縱向應力分布圖。從模擬結果可以看出，梁中主要為壓應力，最大壓應力在梁跨中底部。

4.2 有限元分析與監測結果

表1給出了測點1，3，6和8～15在預應力筋張拉過程中應力模擬結果以及實際監測結果(其中7號鋼筋應變計已損壞，表1中未列出)。

表1 預應力筋張拉過程中各監測點應變模擬結果 με

測點編號張拉根數/根2571014分析監測分析監測分析監測分析監測分析監測1-1.9-3.2-9.3-12.1-13.3-17.6-24.4-26.1-36.6-40.73-5.3-7.1-12.7-14.1-17.6-20.4-29.4-31.5-42.1-44.76-7.5-11.8-18.9-20.5-25.0-25.8-37.4-40.3-50.0-49.18-1.7-3.0-7.9-10.3-11.5-15.3-18.9-23.3-23.7-30.911-5.3-7.8-11.2-15.5-15.3-20.9-23.7-28.6-32.6-35.714-7.1-11.8-15.1-20.1-20.0-27.5-28.7-32.3-37.8-39.4

依據有限元分析結果以及表1數據可以看出，隨著預應力筋張拉根數的增加，梁內部應力也在增加。當14根預應力筋全部張拉完后，在梁跨中底部出現最大壓應變為-50.0 με。在外荷載作用時的受拉區混凝土內力產生的壓應力，可以用于抵消或減小由溫度、收縮效應引起的拉應力和外荷載產生的拉應力，使結構在正常使用的情況下不產生裂縫或者裂得比較晚。

4.3 測點6的應變變化

由表2和圖5可以看出，在張拉2根和張拉10根后，應變差值分別為4.3 με和2.9 με。但在張拉7根和張拉14根后，差值較小，分別為0.8 με和0.9 με，其中在張拉14根后，實際應變比模擬應變小。

表2 測點6的有限元模擬與實際監測應變值 με

張拉根數/根2571014有限元模擬值-7.5-18.9-25.0-37.4-50.0實際監測值-11.8-20.5-25.8-40.3-49.1

5 結語

由以上各個測點的模擬應變和實際監測應變數據可以看出：實際監測應變要比有限元模擬的應變大。但各個測點的模擬結果和監測數據都顯示為應變隨預應力筋張拉根數的增加而不斷增大。對于工程結構而言，有限元建模所得到的數值結果與實際測試結果之間總會存在一定的差異，產生這些差別的因素來自兩方面：

一方面是有限元建模誤差，另一方面是實驗誤差。

有限元建模誤差主要包括：

1)建模簡化帶來誤差；

2)建模參數的設置存在誤差；

3)有限元理論本身的誤差。

實驗誤差主要包括：

1)測量數據本身可能存在誤差；

2)測試條件帶來的誤差。

這些差別難以通過改進建模技術或計算的方法來消除，在工程應用中，一般認為實驗數據更為準確可靠，為了提高有限元模型的可靠性，需要不斷的對有限元模型進行修正。

[1] 董謝明.緩粘結預應力筋施工技術及其應用[J].橋梁工程,2001(1):31-36.

[2] 劉文華,朱 龍，劉立軍，等.新型緩粘結預應力體系的試驗研究[J].中國港灣建設,2009,1(2):25-32.

[3] E.J.Sapountzakis,J.T.Katsikadelis. Analysis of Prestressed conerete slab-and-beam Structures[J]. ComPutational Meehanies,2001,27(1):492-503.

[4] 肖 麗,王新海,盛興躍.緩凝劑對水泥混凝土性能影響的試驗研究[J].公路交通技術,2007,32(2):25-28.

[5] 王起才.超緩凝砂漿的研究和應用[J].蘭州鐵道學院學報,1995,14(4):17-20.

[6] 石德斌,程浪舟，朱文清.大跨度變截面預應力混凝土連續梁橋施工監控[J].鐵道標準設計,2006(2):51-53.

[7] 劉小云.復雜結構施工監測分析與研究[D].西安：長安大學,2009.

[8] GB 50009—2001，建筑結構荷載規范(2006年版)[S].

[9] 金賢玉，沈 毅，李宗津.高強混凝土的早齡期特性試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2003(5):5-7.

On prestressed tension test of some 27-meter span concrete beam

Wang Huiping1Huang Quanchao2

(1.SinopecPetroleumConstructionShengliCorporation,Dongying257000,China;2.SchoolofCivilEngineering,QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266033,China)

Combining with the 27-meter span retarded-bonded prestressed concrete beam in the projects of some petrol chemical research institute, the paper explores the construction inspection and finite element analysis method in the retard-bonded prestressed concrete beam, undertakes the strain data collection for the key points in the prestressed tensioning process, and compares the results from the finite element analysis, so as to provide some reference for the construction control and research of the large-span retard-bonded prestressed concrete.

retard-bond, prestressed concrete, construction supervision, finite element calculation

1009-6825(2015)32-0041-02

2015-09-06

王慧平(1984- )，男，工程師； 黃全超(1990- )，男，在讀碩士

TU378.2

A