無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁擬靜力試驗(yàn)與有限元分析

嚴(yán)俐婉

摘? ?要：本文以某無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁靜力試驗(yàn)為例，通過(guò)對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁以及普通的鋼筋混凝土梁進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，探索無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能。所有試驗(yàn)都是在國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)定之下進(jìn)行，試件的選擇也都符合常規(guī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，兩種混凝土梁的數(shù)量分別是3和1。本試驗(yàn)使用混合加載模式，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上通過(guò)Open? Sees平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值建模，從而進(jìn)行有限元分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)預(yù)期設(shè)想進(jìn)行進(jìn)一步的證明，以便對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的抗震性能有更加詳細(xì)具體的試驗(yàn)支撐。

關(guān)鍵詞：無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁;擬靜力實(shí)驗(yàn);有限元分析

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和社會(huì)各個(gè)方面的不斷進(jìn)步，土木建設(shè)工程不斷增多，而無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)也憑借自身的優(yōu)點(diǎn)在土木工程建設(shè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，其大跨以及優(yōu)秀的抗裂性是被廣泛使用的重要原因。全面深入地了解無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁，在當(dāng)前土木工程建設(shè)中已成為重中之重，只有對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁有更加全面、更加深入的認(rèn)知，才能在實(shí)際土木工程的建設(shè)中選擇更加合適的混凝土梁。

在對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的抗震性能進(jìn)行研究時(shí)有兩種研究手段可以選擇。一種是實(shí)驗(yàn)研究，這種研究手段在使用過(guò)程中一般都會(huì)花費(fèi)較高的成本，并且在實(shí)際使用時(shí)很容易受到客觀條件的影響和限制，從而影響實(shí)驗(yàn)效果。另一種研究手段是數(shù)值分析。這兩種研究手段在土木工程中越來(lái)越顯示出其自身作用。二者在現(xiàn)階段自身都還存在著不足，所以，在對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行擬靜力實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，一般是將兩種實(shí)驗(yàn)手段結(jié)合，二者不可分割。本課題在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)選定了4根混凝土梁并且進(jìn)行擬靜力實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)其各方面的抗震性能進(jìn)行研究，并且將無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁與普通的鋼筋混凝土梁進(jìn)行對(duì)比，然后再在Open Sees平臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，最終完成預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

1? ? 無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁擬靜力試驗(yàn)

首先是實(shí)驗(yàn)階段，只有按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)開展相關(guān)具體實(shí)驗(yàn)并且得出實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能對(duì)后續(xù)的平臺(tái)數(shù)據(jù)建模提供數(shù)據(jù)支撐，而本課題在進(jìn)行實(shí)際寫作時(shí)借鑒了某高校的一次實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

1.1? 試件設(shè)計(jì)及加載制度

本試驗(yàn)一共有4根混凝土梁，分別是3根無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁Y1、Y2、Y3，以及普通的鋼筋混凝土梁，將其編為P。這些混凝土梁的截面數(shù)據(jù)等都是按照常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)選定，而混凝土梁的混凝土強(qiáng)度為C40，施工方法是后張法。實(shí)驗(yàn)中由千斤頂來(lái)完成具體的荷載效果，在進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)時(shí)由鋼分配梁傳遞（見圖1～2）。最后其加載制度的設(shè)定為力和位移共同作用所完成的混合加載。在進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中，加載工作一律按照常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，得到的加載制度曲線圖如圖3所示。

1.2? 擬靜力實(shí)驗(yàn)混凝土梁破環(huán)形態(tài)

通過(guò)對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料的調(diào)查，最終得出在經(jīng)歷上述試驗(yàn)之后加入試驗(yàn)的混凝土梁被破壞主要有以下3個(gè)階段。首先，在加載制度開始的時(shí)候跨中純彎斷產(chǎn)生了裂縫，緊接著，混凝土梁的彎剪受力區(qū)會(huì)產(chǎn)生裂紋。隨著裂縫的不斷擴(kuò)展，其數(shù)目會(huì)在到達(dá)一定程度之后停止增長(zhǎng)，但是原先的裂縫會(huì)逐漸擴(kuò)展并且最終貫通。隨著裂縫的貫通，鋼筋最終屈服。最后，跨中區(qū)域的混凝土在荷載效果作用下逐漸被壓碎，混凝土梁遭到破壞。

1.3? 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)資料的調(diào)查能夠發(fā)現(xiàn)，在對(duì)4根混凝土量進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)之后可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)。（1）無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁在實(shí)驗(yàn)中與普通的鋼筋混凝土梁對(duì)比顯示出更高的強(qiáng)度，但是在延性方面顯示出不足，這兩點(diǎn)主要表現(xiàn)在試驗(yàn)中無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁能夠承受更加極限的荷載，而極限位移與鋼筋混凝土梁對(duì)比的話較小。（2）從對(duì)比結(jié)果中看出，在其他條件相同時(shí)，預(yù)應(yīng)力與混凝土梁的極限位移成反比，其延性也就越差。（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的耗能與其非預(yù)應(yīng)力筋的配置密切相關(guān)，在配置之后能夠有效提高其抗震性。

從對(duì)比結(jié)果中能夠看出，無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁與常規(guī)的鋼筋混凝土梁對(duì)比試驗(yàn)顯示出較差的抗震性，而無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的抗震性與預(yù)應(yīng)力度等方面有著密切的關(guān)系。

2? ? 數(shù)值建模分析

單純的擬靜力試驗(yàn)自身存在缺點(diǎn)，所以，需要結(jié)合數(shù)據(jù)分析進(jìn)行補(bǔ)足，針對(duì)其擬靜力試驗(yàn)的數(shù)據(jù)建模具體過(guò)程后面將提到。

2.1? 數(shù)值建模

在對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行建模時(shí)采用的是Open Sees平臺(tái)，作為一個(gè)有限元分析平臺(tái)，Open Sees在建模方面顯示了自己的優(yōu)勢(shì)。但是由于無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁中的構(gòu)成不滿足應(yīng)變協(xié)調(diào)，所以，在進(jìn)行數(shù)值建模的時(shí)候單獨(dú)進(jìn)行考量。在進(jìn)行數(shù)值建模時(shí)要注意到箍筋的效果，實(shí)際操作中，應(yīng)考慮其約束力，以免混凝土部分出現(xiàn)誤差，箍筋作為界限將其分為兩個(gè)不同的部分，分別是保護(hù)層和核心。在進(jìn)行實(shí)際的建模時(shí)，還要對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土二者之間的耦合進(jìn)行考慮。

2.2? 本構(gòu)模型的影響作用

在當(dāng)前情況下，本構(gòu)模型已經(jīng)發(fā)展成熟，本課題主要分析其數(shù)值的影響作用。首先，從數(shù)值整體來(lái)看，還存在著一定的誤差。但是這些誤差還在可控階段，對(duì)于整個(gè)工程來(lái)說(shuō)不會(huì)造成太大影響。其次，當(dāng)鋼筋本構(gòu)條件一定，對(duì)混凝土本構(gòu)實(shí)行變化控制，就能取得較好的模擬結(jié)果。最后，如果混凝土本構(gòu)保持一定，對(duì)鋼筋本構(gòu)進(jìn)行可控變化時(shí)，滯回曲線與預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果更加吻合。

3? ? 試驗(yàn)研究與數(shù)值分析所得結(jié)果

無(wú)論是試驗(yàn)手段還是數(shù)據(jù)分析都存在著自身的缺陷，由于受到環(huán)境以及各種條件的限制，在運(yùn)用單種手段時(shí)很難得出最佳的對(duì)比結(jié)果，并且在成本控制方面難以做到最好，所以，將數(shù)值分析和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行結(jié)合是研究無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁最佳的方式。

在經(jīng)過(guò)了擬靜力試驗(yàn)以及Open Sees平臺(tái)的數(shù)值建模之后，通過(guò)二者的結(jié)合分析，本文得出了以下的結(jié)果。首先，在混凝土梁的強(qiáng)度方面，非預(yù)應(yīng)力混凝土梁較差一，但是卻能夠展示出較好的延性。作為其參照物，預(yù)應(yīng)力混凝土梁有著較高的強(qiáng)度和較差的延性。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)滯回曲線中能夠發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生了捏攏效應(yīng)，這就表示預(yù)應(yīng)力混凝土梁的耗能較非預(yù)應(yīng)力混凝土梁弱。其次，常規(guī)的鋼筋配置對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁在力學(xué)性能方面有著明顯的影響，如果將非預(yù)應(yīng)力鋼筋像試驗(yàn)中一樣配置到預(yù)應(yīng)力混凝土梁中，那么對(duì)于無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的抗震性會(huì)有明顯的提升效果，相應(yīng)的結(jié)果是延性降低，但是在抗震性和能耗方面能夠提升預(yù)期效果。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本課題主要對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)有限元分析，試驗(yàn)是采用3根無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁以及一根常規(guī)的鋼筋混凝土梁，荷載是由千斤頂完成，有限元分析是在Open Sees平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值建模。通過(guò)擬靜力試驗(yàn)和數(shù)值建模，得出以下結(jié)論。

常規(guī)狀態(tài)下鋼筋混凝土梁的強(qiáng)度和抗震性大于無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁，但是加入非預(yù)應(yīng)力筋之后，其抗震性能夠得到明顯提升，并且在其他條件一定的情況下大于常規(guī)鋼筋混凝土梁。混凝土梁的延性以及耗能會(huì)隨著非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配置而產(chǎn)生變化。

針對(duì)以上這些試驗(yàn)和分析結(jié)果得出：（1）在實(shí)際的土木工程建設(shè)中，進(jìn)行混凝土梁選擇的時(shí)候一定要具體地考量，從而選擇出最適合自身工程的混凝土梁，以便在混凝土梁的強(qiáng)度和抗震性、延性等方面滿足實(shí)際土木工程建設(shè)的要求，對(duì)于整個(gè)工程的建設(shè)產(chǎn)生實(shí)際的推動(dòng)效果。（2）在進(jìn)行相關(guān)研究的時(shí)，不僅要通過(guò)單純的試驗(yàn)手段對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分析，還需要通過(guò)數(shù)值分析等其他手段對(duì)自己的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行印證，從而保證所得結(jié)果的精確性。（3）通過(guò)試驗(yàn)得出的關(guān)于無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗震性以及強(qiáng)度的相關(guān)數(shù)據(jù)，雖然有著極大的可信性，但是在進(jìn)行實(shí)際施工的時(shí)候還是要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行勘測(cè)，從而判斷現(xiàn)場(chǎng)的施工條件和環(huán)境條件是否符合無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的使用條件。

本文通過(guò)對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁和常規(guī)的鋼筋混凝土梁進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，得出了關(guān)于兩者之間的強(qiáng)度、延性、抗震性等方面的對(duì)比數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以及結(jié)論在進(jìn)行施工選擇和相關(guān)研究的時(shí)候有一定的參考價(jià)值。

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