不同張拉中心與寬高比對鋼絞線預應力混凝土梁的影響

摘" 要：以鋼絞線預應力混凝土梁為研究對象，通過ABAQUS有限元分析軟件建立模型并分析不同張拉位置和不同寬高比對鋼絞線預應力混凝土梁整體變形、混凝土應力、混凝土塑性損傷的影響規律。結果表明，改變混凝土梁的寬高比對結構整體變形的影響較小，改變張拉位置能有效控制結構變形，在不同張拉位置、不同寬高比下混凝土應力具有較大差異。

關鍵詞：預應力混凝土；張拉位置；結構變形；寬高比；鋼絞線

中圖分類號：TU378" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）05-0079-04

Abstract： Prestressed concrete beams with steel strands were taken as the research object， and a model was established using ABAQUS finite element analysis software. The effects of different tensioning positions and various width-to-height ratios on the overall deformation， concrete stress， and concrete plastic damage of the prestressed concrete beams were analyzed. The results show that changing the width-to-height ratio of the concrete beam has little influence on the overall deformation of the structure， changing the tensioning position can effectively control the structural deformation， and the concrete stresses are greatly different under different tensioning positions and different width-to-height ratios.

Keywords： prestressed concrete; tensioning position; structural deformation; width-to-height ratio; steel strand

預應力混凝土梁具有低碳節材、空間跨度能力強的特點，在土木工程建設領域發揮了關鍵作用，被廣泛應用于民用和工業建筑等基礎設施當中。預應力混凝土技術的應用對建筑結構的整體質量和力學性能的改善發揮了關鍵作用[1-2]。在鋼絞線預應力混凝土梁的制備過程中，探究不同張拉位置和寬高比對預應力混凝土梁的變形影響具有現實意義。

目前，國內外學者對預應力混凝土結構的變形開展了一定的研究，涵蓋了預應力材料、施工技術、設計方法等多個方面。田敏鋒等[3]分析了施工順序對大跨度預應力混凝土結構的變形影響。戎芹等[4]分析了采用鋼絞線張拉預應力混凝土時，預應力混凝土結構鋼絞線有效應力的變化規律，對軸應變進行了修正。王丹濤等[5]采用數值分析的分析方法，對大跨度預應力混凝土框架結構在施工過程中的變形特征進行了研究。張建仁等[6]針對預應力鋼絞線銹蝕對預應力混凝土開裂問題進行了研究。熊學煒等[7]采用數值分析，針對超長預應力混凝土結構的張拉方案進行了研究，將后澆帶同步澆筑并同步張拉、后澆帶分批澆筑并分段張拉下的內力分布和變形規律進行了對比。

本文通過有限元分析方法，對鋼絞線預應力混凝土梁在不同張拉位置和不同寬高比下的結構變形和混凝土塑性損傷展開了對比分析，總結了鋼絞線預應力混凝土梁在不同張拉比和不同寬高比下的變化規律。

1" 模型設計

1.1" 模型尺寸設計

在設計模型時，采用跨度為9 000 mm的鋼絞線預應力混凝土梁，將梁的寬高比分別設定為1/2、9/20、2/5、7/20和3/10。張拉中心距離梁底端的距離與梁高的比值分別設置為0.5、0.4、0.3。預應力鋼絞線的尺寸為1×7-15.2 mm，極限強度值為1 860 MPa，鋼絞線的捻距為鋼絞線直徑的12倍?；炷翉姸鹊燃壊捎肅30，在改變預應力混凝土梁的寬高比時，為了保證單一變量，將鋼筋混凝土梁的配筋率控制為0.5%，按構造要求配置箍筋。三維示意圖如圖1所示。

1.2" 張拉方式和網格劃分

采用后張法張拉鋼絞線預應力混凝土梁，利用一端固定一端張拉的方式進行預應力施加。在ABAQUS中，利用溫度場施加預應力[8]，通過對鋼絞線實體單元實施降溫來實現預應力，即給定一個初始溫度值后改變溫度降低至室溫，將鋼絞線的膨脹系數取為5×10-5，鋼絞線單元會產生收縮變形，達到施加預應力的效果。采用相同的溫度場，將預應力的強度取為極限強度的70%（1 302 MPa）。

在網格劃分時，鋼絞線和混凝土采用8節點縮減積分實體單元進行劃分（C3D8R），箍筋和縱筋采用2節點三維桁架單元（T3D2）進行劃分，單元網格均采用80 mm。在ABAQUS中具有CDP塑性損傷模型分析力學性能的功能?？紤]混凝土材料受拉和受壓所產生的開裂損傷[9]，其損傷過程具有連續性，受壓裂縫在受力狀態轉變過程中不可恢復，剛度恢復因子取ABAQUS默認值。能有效地反映出混凝土在不用寬高比和不同張拉中心下的結構變形和塑性損傷。

2" 有限元結果分析

2.1" 變形分析

如圖2所示，將寬高比相同，張拉位置不同的鋼絞線預應力混凝土梁的結構變形繪制成變形曲線，分析了寬高比分別為1/2、9/20、2/5、7/20和3/10，張拉位置分別為0.5、0.4、0.3下的結構變形。

在張拉位置相同，寬高比不同時，張拉位置取為0.3，不同寬高比下的結構變形差異性較大。寬高比為1/2時的結構變形較小、寬高比為3/10時的結構變形明顯增加、寬高比為2/5和9/20時的結構變形幾乎相同。張拉位置為0.4時，寬高比為3/10時的結構變形較大，而寬高比為1/2、9/20、2/5和7/20時的結構變形依次增加，總體相差較小。采用中心張拉時，同張拉位置為0.4時的變化規律相似，寬高比為3/10時的變形較大，寬高比為1/2、9/20時幾乎相同，寬高比2/5、7/20時幾乎相同。

在寬高比相同，張拉位置不同時，寬高比為1/2、9/20、2/5和7/20時的結構變形隨著張拉位置向梁中心的變化依次降低，張拉位置為0.4和0.5時的變形相差較小，張拉位置為0.4和0.3時的結構變形相差較大。而寬高比為3/10時，張拉位置為0.3和0.4時均產生了較大變形，張拉位置為0.5時發生了明顯下降。

通過以上分析可知，改變預應力混凝土梁的寬高比對結構整體變形的影響效果較小，當預應力跨度較小，需要增加起拱時，可將預應力張拉位置下移。通過控制張拉中心的位置能有效改變鋼絞線預應力混凝土梁的變形。

2.2" 混凝土應力分析

對鋼筋混凝土梁施加預應力可以顯著提升混凝土構件的剛度和承載能力，能有效降低在荷載作用下產生的徐變和收縮。圖3為混凝土應力變化圖，通過分析混凝土在鋼絞線位置不同、寬高比不同下的應力分布情況，能有效優化預應力布置方案。

在張拉位置為0.3時，寬高比為3/10時的混凝土應力最小，寬高比為9/20時的應力最大。張拉位置為0.4時，寬高比為3/10的混凝土應力最小，寬高比為7/20時的應力最大。張拉位置為0.5，即中心張拉時，寬高比為1/2時的混凝土應力最小，寬高比為9/20時的應力最大。

同一寬高比下，不同張拉位置對混凝土應力的影響存在很大差異。寬高比分別為7/20、2/5、1/2時，混凝土的應力受張拉位置的影響較??；寬高比為9/20時，張拉位置在0.4時的混凝土應力較小，而張拉位置在0.3和0.5時的混凝土應力較大；寬高比3/10時，中心張拉所對應的混凝土應力會顯著提升。

利用鋼絞線施加預應力時，混凝土的應力狀態在不同張拉位置、不同寬高比下的差異性較大，但變化規律不明顯。

分析預應力混凝土截面的應力分布情況對于提升預應力混凝土的結構性能、延長使用壽命具有重要意義。如圖4所示，通過分析不同張拉位置和不同寬高比下固定端和張拉端的應力分布情況可知，在寬高比相同，張拉位置不同時，混凝土的應力分布情況相差較小，只是位置上的改變。張拉位置相同，寬高比為1/2和9/20時，混凝土的應力分布廣泛，以鋼絞線為中心固定端呈現梭形發展，張拉端呈現X形發展，寬高比為2/5和7/20時，混凝土的應力分布相對集中，出現在預應力鋼絞線處，固定端呈正方形分布，張拉端呈圓形分布。當寬高比為3/10時，固定端和張拉端的應力分布規律相似，受寬高比的影響，3/10時的應力延伸至結構表面，呈現不規則的分布情況。

通過上述分析可知，采用鋼絞線施加預應力時，混凝土表面應力受寬高比的影響較大，張拉位置對混凝土應力分布情況影響較小。

2.3" 混凝土損傷分析

混凝土的損傷分析是保證結構安全、延長使用壽命、提高耐久性的重要手段，在預應力混凝土結構中，混凝土的損傷分析關乎著預應力筋的耐久性和失效性。如圖5所示，通過分析混凝土損傷變化圖可知，張拉位置不同，寬高比相同時，只有寬高比為9/20時的波動較大，寬高比為1/2、2/5、7/20、3/10相差較小。張拉位置相同，寬高比不同時，張拉位置為0.3和0.4時規律一致，寬高比為2/5時的損傷最小，寬高比為9/20時的損傷最嚴重，中心張拉時，寬高比為1/2時混凝土損傷最嚴重。

3" 結論

本文采用數值模擬方法，研究了相同寬高比不同張拉位置和相同張拉位置不同寬高比，對鋼絞線預應力混凝土梁的整體變形、混凝土應力和混凝土塑性損傷的影響效果，得出以下結論：

1）改變預應力混凝土梁的寬高比對結構整體變形的影響效果較小，通過控制張拉位置能有效改變鋼絞線預應力混凝土梁的變形。

2）利用鋼絞線施加預應力時，混凝土的應力狀態在不同張拉位置、不同寬高比下的差異性較大，而混凝土的損傷情況與寬高比的影響較大，與張拉位置的影響較小。

參考文獻：

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[3] 田敏鋒，曹福生.施工順序對大跨度預應力混凝土結構變形影響研究[J].價值工程，2023，42（13）：4-7.

[4] 戎芹，王旭，侯曉萌，等.預應力混凝土結構鋼絞線有效應力測量與評估方法[J].建筑結構學報，2020，41（8）：176-182.

[5] 王丹濤，田佳岐.大跨度預應力混凝土框架結構施工變形特征研究[J].價值工程，2023，42（5）：59-62.

[6] 張建仁，戴理朝，張旭輝，等.預應力影響下混凝土結構銹脹開裂計算[J].中南大學學報（自然科學版），2016，47（9）：3231-3238.

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[8] 何琳，王家林.模擬有效預應力的等效荷載-實體力筋降溫法[J].公路交通科技，2015，32（11）：75-80.

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