預應力混凝土框架梁的監測及有限元分析

張 波

(寧夏建設職業技術學院，寧夏 銀川 750021)

預應力混凝土框架梁的監測及有限元分析

張 波

(寧夏建設職業技術學院，寧夏 銀川 750021)

對某實際工程中的預應力框架梁在張拉階段進行檢測試驗及相關有限元數值模擬，結果表明：針對預應力筋張拉應力的間接測量方法符合預應力混凝土的結構特性，所得檢測值能夠較客觀反映結構預應力筋的應力變化情況，且此方法簡單易操作，成本較低，可以在工程實際中大量利用和發展。

預應力檢測,有限元分析,間接法,應變

0 引言

在環境和荷載的長期作用下，結構和系統對災害的抵抗能力會逐漸降低，損傷也逐漸積累，這給結構的正常使用帶來很大的威脅，嚴重時甚至會引發災難性的后果。而預應力結構的安全與否與預應力損失程度有直接的關系，對預應力損失的長期監測，始終是工程界十分關注的問題。影響預應力損失的因素眾多，準確地確定預應力混凝土構件內的預應力損失是一個復雜的問題[1]，它與很多因素有關。某一個影響因素(例如力筋松弛)所引起的損失是在不停地被其他因素(如混凝土的徐變)所引起的應力變化改變著，各因素不是單獨作用的，而是相互影響的。通過探討對預應力構件中預應力筋張拉應力的測量方法，并結合海南某實際預應力煤斗梁檢測項目，利用大型有限元軟件ANSYS和SAP2000對檢測結果進行分析對比，對所采用檢測方法的準確性進行了校核。

1 預應力混凝土梁的有限元分析

分別利用有限元軟件ANSYS和SAP2000對此預應力煤斗梁其中的一榀進行了有限元模擬，在ANSYS計算中，由于此預應力筋為曲線筋，所以利用獨立耦合方法進行建模，并用降溫法施加鋼筋預應力，利用多工況分析計算煤斗梁不同工作時期的力學性能，此方法可以考慮預應力的損失以得到與實際工程更為相符的結果。在SAP2000軟件的計算中，對預應力混凝土框架進行數值模擬分析，計算檢測期內不同受力階段預應力混凝土框架梁的變形(反拱或撓度)，以及預應力筋的應力變化情況。

比較兩種有限元軟件的計算結果，所建立的有限元模型如圖1所示，在施加重力荷載和預應力之后，得到的梁的橫向位移云圖如圖2所示。

對比不同有限元軟件的計算結果，梁在施加重力和預應力荷載之后，得到的梁的力學性能如表1所示。

表1 梁跨中截面混凝土應變有限元

2 試驗測量結果分析

當前預應力的測試技術歸納為：錨端預應力測試、預應力直接測試和無損超聲測試等[2]。針對海南某電廠側煤倉框架預應力混凝土煤斗梁的預應力筋的應力，提出了改進的預應力間接測量方法，即通過量測混凝土的壓應變來間接評價預應力筋的應力水平，預應力筋的應力變化根據梁的混凝土壓應變的實測值反演得出。

2.1 應變測點布置

檢測對象為側煤倉框架中部的相鄰兩榀框架預應力混凝土梁，需進行檢測的預應力混凝土梁數量為2根。在每根待測梁跨中截面靠近預應力筋的非預應力筋處布置2個埋入式混凝土應變計；在待測梁跨中截面兩側表面分別均勻粘貼5個混凝土應變片，單根梁上共布置10個混凝土應變片測點。

2.2 檢測數據處理

結合已有的研究成果，擬采用兩種方法推算YB，YC梁預應力筋有效預應力值σps，通過將采用兩種方法得到的σps推算值進行相互間比對，驗證推算值的合理性。

1)通過實測YB，YC梁跨中截面混凝土應變值推算σps。

考慮到預應力筋張拉完成后外荷載加載前，混凝土仍基本處于彈性狀態，可利用預應力筋張拉應力與混凝土應變的線性變化關系，推算待測梁預應力筋的有效預應力值σps，σps可按式(1)計算：

(1)

式中：σpj——待測梁預應力筋有效預應力的理論計算值，N/mm2；εshi——距離梁底hi高度處混凝土應變的實測平均值，με；εjhi——距離梁底hi高度處混凝土應變的理論計算值，με；n——單根待測梁上跨中截面混凝土應變測點所在的不同梁高位置的總數，n=6。

2)通過推算出的YB,YC梁錨具回縮損失σl1及預應力摩擦損失σl2推算σps。

考慮到在預應力筋張拉完成早期，預應力筋松弛及混凝土收縮、徐變等引起的預應力損失較小故而可將其近似忽略，于是σps可按式(2)計算：

σps=σcon-σl1-σl2

(2)

2.3 檢測結果及分析

YB,YC梁跨中截面混凝土應變實測值與理論計算值的比較見表2，由表2可以看出，YB,YC梁預應力筋張拉完成后，跨中截面的混凝土應變實測值與理論計算值相近，說明YB,YC梁預應力筋張拉完成后，在跨中截面的混凝土中所建立的有效預壓應力是足夠的，滿足設計要求。

表2 YB,YC梁跨中截面混凝土應變實測值

根據混凝土應變實測數據以及YB,YC梁的σl1,σl2推算值，可分別采用式(1),式(2)，整理得到張拉完畢時預應力筋的有效預應力推算值，見表3，與設計值的比較也一并列于表3中。表3中設計值參考SAP2000有限元計算結果給出，其中僅考慮了錨具回縮損失及摩擦損失對預應力筋有效預應力的影響。

表3 YB,YC梁張拉完畢時預應力筋的有效

計算結果分析：

1)由表3可以看出，預應力筋張拉到張拉控制應力錨固后，利用式(1),式(2)分別得到的YB，YC梁相同位置處預應力筋的有效預應力的推算值的差值百分比在-3.7%～0.6%之間，可見兩者均較為接近，表明采用式(1),式(2)得到的預應力筋的有效預應力的推算值是可信的。

2)結合表3還可以看出，預應力筋張拉到張拉控制應力錨固后，利用式(1)得到的YB,YC梁預應力筋的有效預應力推算值，分別比預應力筋有效預應力的設計值平均偏大5.4%和5.1%；利用式(2)得到的YB,YC梁預應力筋的有效預應力推算值，分別比預應力筋有效預應力的設計值平均偏大2.4%和2.1%。由此可見，預應力筋張拉到張拉控制應力錨固后，YB,YC梁跨中截面預應力筋的有效預應力是足夠的，滿足設計要求。

3 結語

提出一種適用的間接測量方法，在理論上符合預應力混凝土的結構特性。現有試驗結果和有限元計算結果均表明此方法可以在一定程度上得到客觀的監測結果，反映結構的預應力筋應力變化情況，實現對預應力混凝土結構的監測，從而減少安全隱患。且此方法簡單易操作，成本較低，可以在工程實際中加以大量利用和發展。

[1] Lin T Y, Ned Burns H. Design of prestressed concrete structures(Third Edition)[M].New York:John Wiley and Sons,1981.

[2] 郭紅霄，張學民，王衛承,等．85 m長鋼絞線束張拉施工技術[J]．鐵道標準設計,2001,21(7):5-6,10.

The measuring test and finite element analysis for prestressed concrete beams

Zhang Bo

(NingxiaConstructionVocationalandTechnicalCollege,Yinchuan750021,China)

Based on one prestressed frame beam in an actual project, both the indirect measuring test and the finite element numerical simulation about the reinforcement prestress were made. The test and simulation results show that the effect prestress obtained from indirect measure methods can reflect the prestress history relatively well. Meanwhile, the indirect measure method has the advantages of low cost and easy operation, which can be exploited and developed in general projects.

prestressed reinforcement measuring test, finite element analysis, indirect method, strain

1009-6825(2017)22-0041-02

2017-05-27

張 波(1979- )，男，講師

TU375.4

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