無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱鋼絞線的應(yīng)力分析研究

趙少偉，李玉祥，丁彥芳

（1.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401）

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱鋼絞線的應(yīng)力分析研究

趙少偉1,2，李玉祥1，丁彥芳1

（1.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401）

目前無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的研究主要是對(duì)混凝土梁的試驗(yàn)研究，而對(duì)無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱的試驗(yàn)研究甚少，為深入了解無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱鋼絞線的應(yīng)力、極限應(yīng)力增量以及預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算情況，對(duì)2組5根試驗(yàn)柱進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)研究．結(jié)果表明：現(xiàn)行《無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ92—2004中的公式同樣適用于無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱應(yīng)力的計(jì)算，預(yù)應(yīng)力度和預(yù)加軸壓比均對(duì)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力增量有很大影響；隨著預(yù)應(yīng)力度的提高，預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力增量增加；而隨著預(yù)加軸壓比的提高，預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力增量降低．

預(yù)應(yīng)力度；預(yù)加軸壓比；預(yù)應(yīng)力損失；極限應(yīng)力增量；無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱

0 引言

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有鋼材用量少、結(jié)構(gòu)自重輕、耐久性好和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[1-6]．故無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在加拿大、英國、德國和新加坡等國家的建筑工程中得到應(yīng)用，甚至在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的非洲也得到應(yīng)用[7-8]．無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土廣泛應(yīng)用于我國建筑行業(yè)，但對(duì)于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的研究僅僅局限在框架梁的研究，而框架柱中配置無粘結(jié)鋼絞線的研究還處于基礎(chǔ)階段，并且我國規(guī)范中沒有關(guān)于框架柱中配置無粘結(jié)鋼絞線和非預(yù)應(yīng)力鋼筋的計(jì)算公式和構(gòu)造規(guī)定[9]．此外，與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁對(duì)鋼絞線的應(yīng)力及極限應(yīng)力增量的研究意義相同，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱鋼絞線應(yīng)力的研究對(duì)實(shí)際工程及預(yù)應(yīng)力混凝土規(guī)程也有著重要的意義．因此，綜合考慮我國的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，本文針對(duì)預(yù)應(yīng)力度、預(yù)加軸壓比2個(gè)因素對(duì)無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱中鋼絞線應(yīng)力和極限應(yīng)力增量進(jìn)行研究與分析．

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)5根試驗(yàn)柱分為2組分別對(duì)其進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)采用力—位移混合控制加載方式，加載制度如圖1所示．鋼絞線的應(yīng)力值測(cè)點(diǎn)由底端的MGH—300錨索測(cè)力傳感器測(cè)出，通過框架柱頂部和柱中布置的水平位移計(jì)測(cè)量柱的水平位移．外加軸壓比為0.262．第1組UPC-1、UPC-2、UPC-3和UPC-4變量為預(yù)應(yīng)力度，分別為0.6051、0.5478、0.4952和0.4477，預(yù)加軸壓比為0.13，預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉控制應(yīng)力為其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的70%；第2組UPC-4和UPC-5變量為預(yù)加軸壓比，分別為0.128 3和0.0318，預(yù)應(yīng)力度為0.4477，UPC-5的鋼絞線張拉控制應(yīng)力為其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的37%．試驗(yàn)柱的尺寸情況見圖2，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]柱的基本數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)參數(shù)見表1～表3．

圖1 加載制度示意圖Fig.1 Loading system schematic

圖2 試驗(yàn)柱尺寸（單位：mm）Fig.2 Frame column size（unit:mm）

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 預(yù)應(yīng)力損失的分析

關(guān)于無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算，本文采用分項(xiàng)計(jì)算法，并根據(jù)《無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ92-2004）[11]給定的計(jì)算公式求得框架柱中各個(gè)階段的預(yù)應(yīng)力損失值．無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱的預(yù)應(yīng)力損失及有效預(yù)應(yīng)力如表4和表5．

表1 框架柱尺寸和配筋Tab.1 Frame column size and reinforcement

表2 框架柱設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Frame column design parameters

此外，試驗(yàn)中所有試驗(yàn)柱由錨索測(cè)力計(jì)測(cè)得的鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力均大于理論計(jì)算值，即試驗(yàn)柱的實(shí)際預(yù)應(yīng)力損失小于計(jì)算值，這是因?yàn)樵谠囼?yàn)前，無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱中預(yù)應(yīng)力筋的松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失和混凝土的收縮與徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失還沒有損失完全，這樣就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算值的預(yù)應(yīng)力損失較實(shí)際值偏大．

參數(shù)名稱計(jì)算公式參數(shù)定義

表3 框架柱設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算Tab.3 Design and calculation of parameters of frame column

2.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力分析

試驗(yàn)過程中，無粘結(jié)鋼絞線的變形主要是指構(gòu)件兩端錨固端之間的鋼絞線的變形，如果忽略鋼絞線與塑料護(hù)套之間的摩擦，則可以認(rèn)為在試驗(yàn)過程中，鋼絞線的應(yīng)力沿構(gòu)件長度均勻分布．本試驗(yàn)共放置10個(gè)錨索測(cè)力計(jì)，UPC-1至UPC-5對(duì)應(yīng)的錨索測(cè)力計(jì)編號(hào)分別為3001到30010，其中奇數(shù)為正向加載一側(cè)，偶數(shù)為反向加載一側(cè)．在試驗(yàn)過程采用KD-2型有線巡測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄鋼絞線的應(yīng)力情況．其測(cè)量如圖3所示．

通過圖3的對(duì)比，可以看出，鋼絞線應(yīng)力變化有很強(qiáng)的規(guī)律性：

1）不同預(yù)應(yīng)力度情況下，框架柱中受拉鋼絞線應(yīng)力變化在正反向循環(huán)加載過程中成三折線變化．加載過程，不同預(yù)應(yīng)力度的試驗(yàn)柱其鋼絞線發(fā)揮的作用各不相同．當(dāng)受拉非預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服之后，其鋼絞線將要承擔(dān)很大一部分拉應(yīng)力來控制框架柱的變形，圖3中a）、c）、e）、g）表明：隨著預(yù)應(yīng)力度的提高，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的利用更加充分．

2）卸載過程，由于試驗(yàn)過程預(yù)應(yīng)力的累積損失，所以加載完成后，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力會(huì)較初始加載時(shí)有所下降．但是下降程度不大，說明實(shí)驗(yàn)過程預(yù)應(yīng)力損失較小，并且鋼絞線兩端錨固處混凝土沒有壓碎，這樣將會(huì)降低鋼絞線的預(yù)應(yīng)力損失．

3）對(duì)于不同預(yù)加軸壓比的無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱UPC-4和UPC-5，圖3中g(shù)）、h）、i）、j）可以看出，預(yù)加軸壓比對(duì)鋼絞線的應(yīng)力影響也比較大．且降低預(yù)加軸壓比更有利于鋼絞線充分發(fā)揮作用．

4）預(yù)加軸壓比不同，鋼絞線承受的應(yīng)力也不同，試驗(yàn)柱的位移和破壞程度不同，UPC-5錨索測(cè)力計(jì)在卸載過程由于接縫處砂漿松動(dòng)，所以損失嚴(yán)重．測(cè)力計(jì)3009和30010測(cè)得的縱向應(yīng)力分別為加載初始應(yīng)力的21.7%和28.6%；而測(cè)力計(jì)3007和3008測(cè)得的縱向應(yīng)力分別為加載初始應(yīng)力的76.7%和79.8%．

表4 無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱的預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算值Tab.4 Unbonded partially prestressed concrete frame columns prestressing loss calculated

表5 無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱有效預(yù)應(yīng)力Tab.5 Unbonded partially prestressed concrete frame column effective prestress

圖3 鋼絞線加卸載應(yīng)力變化Fig.3 Steel w ire loading and unloading stress changes

2.3 預(yù)應(yīng)力鋼絞線極限應(yīng)力增量分析

利用我國《無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ92-2004）的計(jì)算公式計(jì)算無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱預(yù)應(yīng)力鋼絞線極限應(yīng)力增量，并且判斷公式的適用性．

規(guī)程規(guī)定，對(duì)采用鋼絞線作無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的受彎構(gòu)件，在進(jìn)行正截面承載力計(jì)算時(shí)，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力設(shè)計(jì)值pu按公式(1)計(jì)算：

按公式計(jì)算所得結(jié)果為無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力的設(shè)計(jì)值．

從表6中數(shù)據(jù)可以看出，正向加載時(shí)，UPC-1～UPC-4試驗(yàn)柱中預(yù)應(yīng)力鋼絞線極限應(yīng)力增量與計(jì)算值比值平均值為1.0625，標(biāo)準(zhǔn)差為0.019，反向施加荷載時(shí)，平均值為0.854 4，方差為0. 012；而UPC-5無論正向加載還是反向加載，其極限應(yīng)力增量試驗(yàn)值與計(jì)算值相差均較小．表明預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量試驗(yàn)值與計(jì)算值相差不大，且離散性較小．也就是說《無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)規(guī)程》（JGJ92-2004）中規(guī)定的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線極限應(yīng)力增量計(jì)算公式同樣適用于無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱的計(jì)算．

表6 極限應(yīng)力增量計(jì)算值與試驗(yàn)值Tab.6 The ultimate stress increment of calculated value and experimental value

2.4 預(yù)應(yīng)力鋼絞線極限應(yīng)力增量影響因素

在無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱中，影響其受力性能的因素很多：無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的擺放位置及配置方式、無粘結(jié)鋼絞線的數(shù)量和綜合配筋指標(biāo)、預(yù)應(yīng)力筋的張拉情況和外加軸壓比、非預(yù)應(yīng)力筋的配筋率、混凝土的強(qiáng)度以及非預(yù)應(yīng)力筋的強(qiáng)度[12]．而對(duì)于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的影響亦是如此．本文將詳細(xì)分析預(yù)應(yīng)力度和預(yù)加軸壓比對(duì)無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱中預(yù)應(yīng)力鋼絞線極限應(yīng)力增量的影響．

2.4.1 預(yù)應(yīng)力度的影響

上文已經(jīng)介紹，預(yù)應(yīng)力度的不同會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋在試驗(yàn)柱中的利用率不同，圖4可以明顯的看出，預(yù)應(yīng)力度對(duì)試驗(yàn)柱中預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量影響非常顯著．其中圖4a）為正向加載時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋位移—應(yīng)力增量曲線，圖4b）為反向加載時(shí)預(yù)應(yīng)力筋位移—應(yīng)力增量曲線，圖中3001(3002)、3003（3004）、3005（3006）和3007（3008）對(duì)應(yīng)的預(yù)應(yīng)力度分別為0.605 1、0.547 8、0.495 2和0.447 7．

通過圖4可以看出，UPC-1～UPC-4這4個(gè)試驗(yàn)柱的應(yīng)力增量曲線走勢(shì)相同，在試驗(yàn)柱屈服之前，無論是正向加載還是反向加載，預(yù)應(yīng)力度對(duì)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量影響并不明顯，當(dāng)試驗(yàn)柱屈服之后，應(yīng)力增量曲線開始分開，此時(shí)因?yàn)榉穷A(yù)應(yīng)力鋼筋的屈服而降低了其受力性能，從而導(dǎo)致試驗(yàn)柱主要依靠受壓區(qū)混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼絞線來承受外荷載作用．隨著預(yù)應(yīng)力度的提高，鋼絞線應(yīng)力增量也提高，也就是說，預(yù)應(yīng)力度越大，預(yù)應(yīng)力鋼絞線發(fā)揮作用越大，且提高了預(yù)應(yīng)力鋼絞線的極限應(yīng)力增量．

圖4 位移—應(yīng)力增量曲線Fig.4 The displacement,stress increment curve

2.4.2 預(yù)加軸壓比的影響

圖5為預(yù)加軸壓比對(duì)試驗(yàn)柱中無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力增量影響的曲線，a）為正向加載時(shí)位移—應(yīng)力增量曲線，b）為反向加載時(shí)位移—應(yīng)力增量曲線．

由圖5可看出，預(yù)加軸壓比對(duì)試驗(yàn)柱應(yīng)力增量的影響要比預(yù)應(yīng)力度的影響明顯，預(yù)加軸壓比為0.128 3的UPC-4的預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力增量明顯低于預(yù)加軸壓比為0.0318的UPC-5的預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力增量．高預(yù)加軸壓比是通過提高預(yù)加軸壓力來改變的，增大預(yù)加軸壓力能夠有效控制裂縫的開展，從而增大試驗(yàn)柱的有效受力面積，尤其在試驗(yàn)柱屈服之后，試驗(yàn)柱主要依靠受壓區(qū)混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋來承受外荷載，而高預(yù)加軸壓比的受壓區(qū)混凝土截面面積要大于低預(yù)加軸壓比的，這就導(dǎo)致高預(yù)加軸壓比的預(yù)應(yīng)力筋承擔(dān)外荷載較低預(yù)加軸壓比的小，應(yīng)力增量也就降低，其極限應(yīng)力增量也隨著降低，但是兩者趨勢(shì)相同．

圖5 位移—應(yīng)力增量曲線Fig.5 The displacement,stress increment curve

3 結(jié)論

本文分別對(duì)無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱中預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力損失、極限應(yīng)力增量以及極限應(yīng)力增量的影響因素進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

1）錨索測(cè)力計(jì)測(cè)得框架柱中預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力損失值與計(jì)算值吻合較好，誤差甚小．說明按照《無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ92-2004中計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失和極限應(yīng)力增量的公式同樣適用于無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱中預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力損失和極限應(yīng)力增量的計(jì)算．

2）無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱中，預(yù)應(yīng)力度和預(yù)加軸壓比均對(duì)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量有很大影響．隨著預(yù)應(yīng)力度的提高，預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力增量增加；隨著預(yù)加軸壓比的提高，預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力增量反而降低．

[1]張明生．無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩抗震性能試驗(yàn)研究與模擬分析[D]．大連：大連理工大學(xué)，2012．

[2]婁汝偉．配置HRB500級(jí)非預(yù)應(yīng)力筋的無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁受彎性能試驗(yàn)研究[D]．天津：河北工業(yè)大學(xué)，2010．

[3]劉任遠(yuǎn)．無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D]．成都：西南交通大學(xué)，2006．

[4]陶靜．無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的極限承載力分析[D]．湘潭：湘潭大學(xué)，2007．

[5]陳惠玲．部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J]．建筑結(jié)構(gòu)，1981，增刊01：32-37．

[6]羅海艷．預(yù)應(yīng)力度對(duì)無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土柱復(fù)位性能的影響研究[D]．揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2008．

[7]孫陸珍．UPPC簡支梁受力性能的分析[D]．哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2006．

[8]張寶虎．配置高強(qiáng)非預(yù)應(yīng)力縱筋的無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞性能試驗(yàn)研究[D]．天津：河北工業(yè)大學(xué)，2010．

[9]丁彥芳．無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架柱抗震性能試驗(yàn)研究[D]．天津：河北工業(yè)大學(xué)，2014．

[10]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[11]JGJ 92-2004，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]．

[12]張榮，蘇小卒．豎向加預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J]．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，34（12）：1579-1582．

[責(zé)任編輯 楊屹]

Unbonded prestressed concerte frame column steel strand stress study

ZHAO Shaowei1,2，LI Yuxiang1，DING Yanfang1

(1.Collegeof Civil Engineering,Hebei Universityof Technology,Tianjin 300401,China;2.Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province,Tianjin 300401,China)

The current experimental research on unbounded prestressed concrete focuses on the concrete beams,while it is rare for the experiment study of unbonded partially prestressed concrete frame column.In order to understand the unbonded partially prestressed concrete frame column steelstrand stress,ultimate stress increment and calculation of the prestress stress loss,the paper focuses on the experimental study on the proposed static for five test column,and divided tw o groups.The results show that the current Technical specification for concrete structures of unbonded prestressed JGJ92-2004 formula is suitable for the stress calculation of unbonded partial prestressed concrete frame column.Prestressing degree and pre-axial compression ratio have a great influence on the unbonded prestressed tendon stress increment. With the improvement of prestressing degree,ultimate stress increment of prestressed tendon is increased;with the improvement of pre-axial compression ratio,the ultimate stress increment of prestressed tendon is reduced.

prestressing degree;pre-axial compression ratio;prestressing loss;ultimate stress increment;unbonded partially prestressed concrete frame column

TU378

A

1007-2373(2015)06-0090-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.018

2014-07-02

河北省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃（Y-2011052）

趙少偉（1972-），男（漢族），教授，博士，zhaoshaowei@vip.sina.com．

數(shù)字出版日期：2015-12-17數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151217.1505.002.html