有黏結與無黏結混合配置預應力筋混凝土梁短期剛度研究

梁爽

摘要：預應力鋼筋的應用中，采用有黏結和無黏結進行混合配置，擁有更為廣泛的應用場景，本文就針對有黏結和無黏結混合配置的預應力鋼筋混凝土梁短期剛度進行了研究。通過采用有限元分析，得到混合配置的預應力筋混凝土梁的剛度計算公式，充分利用目前的研究成果，和針對當前對該技術剛度上的研究不足，進行深入的討論。幫助未來的工程建設中，有效使用有黏結和無黏結混合配置的預應力混凝土。

關鍵詞：有黏結預應力筋;無黏結;混合配置;剛度

引言

有黏結預應力筋是預應力筋的主要行駛，其應用提升了混凝土結構的強度。但是由于一些問題和不足，導致該技術在應用上還存在一定的局限性，尤其是大跨度工程中性能問題比較明顯。目前，會采用無黏結預應力筋作為補充，解決大跨度的工程問題。為了能夠合理地混合使用兩種預應力筋，就需要了解其剛度，加強混合配置下剛度的研究。

1 用黏結和無黏結預應力筋混合配置概述

隨著工程跨度和載荷的增大，有黏結預應力混凝土結構也暴露出了一定的問題，在實際應用中，對有黏結預應力筋會形成筋多成束的形式，所以如果工程中的配筋量比較大，就會導致預應力筋很難進行調整，并且預留孔道也會占據非常大的空間。

為了解決有黏結預應力筋在工程應用中的不足，目前開始使用無黏結預應力筋來密度預應力結構上的缺陷。但另一方面，無粘性預應力筋應用時，混凝土對于錨具有較高的要求，如果不能做好控制工作也很難保證預應力筋的可靠性，因此在大跨度是的工程中應用相對比較少。

2 混合配置混凝土梁短期剛度分析

2.1 分析基本模型設計

通過合理進行混合配置，混凝土梁的施工能夠滿足剛度和質量的要求。本文采用的基本模型為有粘性和無粘性混合配置的預應力筋混凝土簡支梁，梁長為9300毫米，總跨度9000毫米;截面尺寸為600*300毫米。預應力筋線采用了拋物線的形式，并使用三分點加載方式。預應力筋的混凝土強度為C40;使用1860級的鋼絞線，有黏結預應力筋的預應力為984MPa、無黏結預應力筋的預應力為1054MPa。總共使用547mm2的預應力筋，其中有黏結預應力筋共使用382mm2，無黏結預應力筋使用了165mm2。

對預應力筋的剛度分析，使用有限元分析軟件建立模型，對于混凝土使用了8節點的線形縮減積分進行模擬。整個模擬當中，沒有將有黏結預應力筋和普通鋼筋可能會產生的與混凝土之間的滑移分析到其中;同時釋放了預應力筋在局部坐標下所產生的切向約束作用，因此在模型中無黏結預應力筋和混凝土之間是可以自由滑動的，并不會考慮摩擦會導致的影響。混凝土使用了塑性損傷本構模型。

2.2 對模型的計算和驗證

在模擬中，將位移加載到了梁能夠達到的承載力極限狀態，最終獲得了有黏結和無黏結混合配置下的預應力混凝土梁的荷載撓度曲線。結合曲線的變化特點，發現在混合配置下，運營力鋼筋混凝土梁在屈服之前，曲線為雙折線。通過選取有限元分析軟件中的PB3試件進行繼續驗證，試件的跨度設置為2800毫米、兩種不同的預應力筋都配置一根直徑為9.5毫米的鋼絞線，對預應力鋼絞線設置為直線束，并使用三分點加載，最終的計算結果和試驗的結果十分吻合，其荷載-撓度曲線在普通鋼筋出現屈服之前，也呈現出了明顯的雙折線，因此可以進行進一步的剛度公式推導。

3 短期剛度分析

目前，進行混凝土結構剛度計算的方法主要包括有效慣性矩法、等效拉應力法、解析剛度法。根據我國的《混凝土結構設計規范》中的要求，針對預應力混凝土結構的剛度推導，一般采用雙直線法。由于混合配置的預應力鋼筋混凝土梁的荷載撓度曲線也是明顯的雙折現，因此在對混合預應力混凝土梁的分析中，也采用了這種方法來對試用階段的剛度進行計算。

使用雙直線法計算時，結構構件的剛度計算會假定彎矩曲率是一個雙折線。雙折線會在開裂彎矩Mcr處相交，之后再結合試驗的系數進行進一步的回歸分析，最后就能夠得到構件開裂之后的剛度。結合之前的70個分析結果，發現開裂彎矩Mcr和屈服彎矩My只比一般在0.45到0.6之間。由于工程建設中，有黏結預和無黏結混合配置的預應力混凝土梁一般都應用在大跨度的重載結構當中，并且預應力筋的量非常高，因此Mcr/My的比例可能更高，因此在進行剛度計算時，該比例取值0.5。最終獲得了短期剛度的表達式：

其中Mk為計算剛度處的彎矩，M0.5=2Mcr;βk為剛度折減系數，β0.5是Mcr/Mk=0.5時剛度的折減系數。根據有限元計算的結果，發現如果出現了開裂，剛度的折減系數一般都在0.86到0.90之間，所以對βcr取值為0.85。使用國內的混凝土結構設計規范進行計算時，混凝土受彎件的剛度公式為：

其中，A、B、C分別是回歸參數，αE是鋼筋彈性模量和混凝土彈性模量的比，ρ1和ρ2分別是普通鋼筋有黏結預應力鋼筋的配筋率和無黏結預應力鋼筋的配筋率。結合有限元分析得到計算結果，最終得到：

還可以使用《無黏結預應力混凝土技術規程》中的計算方法，在該方法下，會將有黏結預應力筋、普通鋼筋和無黏結預應力筋的配筋率都采用ρ進行表示，在該計算方法按下，會引入無黏結預應力配筋值表和綜合配筋指標的比值λ，從而計算因為使用無黏結預應力鋼筋，所導致的結構構件剛度的折減，其計算公式為：

上式中，D、E、F都是回歸參數。之后使用有限元分析結果來進行式中參數的線形回歸分析，能夠得到：

4結束語

通過研究發現，有黏結和無黏結混合配置下的混凝土梁，其荷載-撓度的曲線在屈服之前是一個明顯的雙折線，并且使用不同方式計算獲得兩個公式都具有較高的適用性。在實際工程中，需要做好對相關公式的使用，有效分析工程的情況，對大跨度的構件的性能作出準確預測，保證對剛度的準確計算。

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（作者單位：安徽建筑大學城市建設學院）