（岩土工程专业论文）配置高强钢筋无粘结预应力受弯构件性能试验研究.pdf

摘要 摘要 该论文首先总结了预应力技术在国内外应用的现状。表明随着我国建筑材 料的发展和大规模建设的需要，急需解决预应力技术转向生产力的问题。 然后，通过四根配置高强钢筋的无粘结预应力梁的实验及收集的实验数据 对我国混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 2 0 0 2 ) 及无粘结预应力混凝土结构技 术规程( j g j 9 2 2 0 0 4 ) q b 的裂缝、刚度和承载力计算模式进行验证。得出以下结 论：现行规程中的无粘结预应力极限应力增量公式计算值偏小，抗弯极限承载 力计算值偏小；刚度计算公式足准确的；裂缝宽度公式计算值偏大。 最后，探讨了预应力技术在地下工程中的运用。通过普通钢筋地下连续墙 与预应力地下连续墙的对比分析，得出将预应力运用到地下连续墙中，能够有 效提高墙体刚度、抗裂性能，减少墙体变形、节约材料等效果；同时，探讨了 预应力地下连续墙的施t t 艺。 关键词：高强俐筋，无粘结预应力受弯构件，裂缝，刚度，承载力，地下连续 墙 a b s t r a c t a b s t r a c t f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sas t a t e - o f - a r to fp r e s t r e s s e dt e c h n o l o g yi n d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la p p l i c a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y b u i l d i n g m a t e r i a l sa n dt h en e e d so f l a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o n ，p r e s t r e s s e dt e c h n o l o g ys h o u l db ea p p l i e d w i d e l y a n dt h e n ，u n b o n d e dp r e s t r e s s e db e a m se x p e r i m e n th a sb e e nd o n et oa n a l y z et h e f o r m u l ao fc r a c kw i d t h ，s t i f f n e s sa n dc a r r y i n gc a p a c i t yo fc o d ef o rd e s i g no fc o n c r e t e s t r u c t u r e s ( g b 5 0 01 - 2 0 0 2 ) a n dt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n f o r p r e s t r e s s e d c o n c r e t e s t r u c t u r e sw i t hu n b o n d e dt e n d o n s ( j g j 9 2 - 2 0 0 4 ) ，t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a c o l l e c t e da n df o u rb e a m si nt h i s p a p e r t h ec o n c l u s i o n s ：( 1 ) c a l c u l a t e dv a l u e s i s s m a l l e rt h a nt h em e a s u r e dv a l u e so fu l t i m a t es t r e s sf o r m u l ao fu n b o n d e dp r e s t r e s s e d ； ( 2 ) s t i f f n e s sc a l c u l a t i o nf o r m u l ai sa c c u r a t e ；( 3 ) c r a c kw i d t hf o r m u l ai sal i t t l eb i g g e r f i n a l l y ，t h ep e r f o r m a n c eo fp r e - s t r e s s e dt e c h n o l o g yi nu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g h a db e e nd i s c u s s e d w a l ls t i f f n e s s 、d e f o r m a t i o n 、c r a c kr e s i s t a n c e 、s a v i n gm a t e r i a l sa r e i m p r o v e dw h e np r e s t r e s s e dt e c h n o l o g y i su s e di n d i a p h r a g mw a l lb ya n a l y s i n g c o n f i g u r a t i o nr e i n f o r c e dd i a p h r a g mw a l l a tt h es a m et i m e ，c o n s t r u c t i o nc r a f to f t h e p r e - s t r e s s e du n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l lh a sb e e nd i s c u s s e d k e yw o r d s ：h i g hs t r e n g t hs t e e lb a r , p r e s t r e s s e df l e x u r a le l e m e n t ，c r a c k , s t i f f n e s s ， b e a r i n gc a p a c i t y , d i a p h r a g mw a l l i l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：，懈 化1 年 1 月i e t l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 分榭邯 1 月ip 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的提出和研究意义 1 1 1 选题依据和背景情况 随着建筑材料的发展，中国高强钢筋逐步在工程建设中普及应用，最近有 研究指出【l 。3 】，我国无粘结预应力混凝土结构技术规程( j g j 9 2 2 0 0 4 ) 的刚度及 承载力控制模式存在着一些问题，从而限制了高强钢筋强度的发挥，使得设计 人员对高强钢筋的应用持谨慎态度，不利于高强钢筋的推广。因此，对配置高 强度钢筋的结构构件需要进行研究。 目前，在无粘结预应力混凝土受弯构件研究方面，尽管我们的前辈已经做 出了巨大的贡献【4 。7 】，奠定了后张无粘结预应力理论的基石，但是还有许多理论 问题需要深化，以及这些理论如何向实践转化而产生真正的社会效益和经济效 益。例如，在极限承载力状态下，没有极限状态下的预应力钢筋应力就不可能 准确计算承载力，在配置高强钢筋后，预应力钢筋的应力增量是否符合无粘 结预应力混凝土结构技术规程( j g j 9 2 2 0 0 4 ) 的要求，以及相关公式是什么? 在 正常使用阶段状态下，受弯构件的裂缝及刚度与非预应力钢筋的强度相关，在 配置高强钢筋后构件的刚度是否能够满足无粘结预应力混凝十结构技术规程 ( j g j 9 2 2 0 0 4 ) 的要求，及相关公式是什么? 这些都是迫切需要解决的问题。在对国 内外理论和实验数据进行分析与试验研究的基础上，对原有公式进行评价，同 时提出裂缝、刚度及承载力计算模式的建议，最后探讨了无粘结预应力技术用 于地下连续墙的可能途径及其优点。 1 1 2 课题来源 配置高强钢筋无粘结预应力混凝土受弯构件性能研究是国家“8 6 3 ”计划项目 ( 2 0 0 7 a a 0 3 2 5 0 0 ) “细晶高强钢筋及方钢管在建筑中的应用关键技术研究”中的 一个予课题。 第1 章绪论 同时，为取得自主知识产权，完善后张无粘结预应力理论，并将配置高强 钢筋用于工程实际，优化工况，节省时间，有利于减少工程造价和施工费用， 也能为结构物的力学和变形条件提供理论依据，为普及高强钢筋在我国房屋及 地下工程中的应用提供理论指导和技术支撑，实现最大的经济效益和社会效益。 当前，上海的地铁建设迈入了一个高速迅猛的发展阶段，越来越多地铁站 即将投入建设。在上海这样密集的市区建造地铁车站，大都采用地下连续墙作 为其围护结构，部分还把其作为以后的内部侧墙。地下连续墙作为修筑于地层 中的钢筋混凝土结构，除应满足承载力极限状态要求外，还应该满足正常使用 极限状态的要求。按照无粘结预应力混凝土结构技术规程( j g j 9 2 2 0 0 4 ) 的有 关规定，在按照承载力配筋的情况下其裂缝宽度计算结果往往偏大，部分设计 人员则通常采取增大配筋率的保守方法。因车站结构中板的钢筋和侧墙的钢筋 是通过预埋接驳器来实现连接的，增大配筋率会使得混凝土的有效面积减少， 容易引起应力集中、接头处的裂缝和渗漏，反而不能达到原先减少裂缝的目的， 且造成了很大的浪费，适得其反一j 。因此，对无粘结预应力受弯构的性能需要进 一步研究。 1 2 国内外研究现状、发展动态 1 2 1 国外研究现状 在国外，分析后张无粘结预应力混凝土结构的最大困难在于：荷载作用下， 由于预应力筋与混凝土之间可以发生滑动，预应力筋应力增量不能由单个截面 的应变相容来确定，而与结构的整体变形有关。为获得无粘结预应力混凝土受 弯构件的正截面抗弯强度，分析结构在使用荷载下的应力状态，必须首先确定 无粘结预应力筋的应力变化情况。为此不少学者进行了相当数量的试验研究 1 0 - 1 3 】。并从各自的实用条件出发提出了各自的计算方法或分析模型。国外对此项 课题进行了大量的研究，但尚不充分。 通过国外文献的阅读可以了解到，国外已经普及高强钢筋的应用，但是， 引用f i p 前任主席w a l t h e r 教授对规范及设计任务的一些观点【1 4 】：美国规范及欧 洲规范内容太多，不必要的繁杂，使人难以得到一个总的概念，使用者也很难 超越编制者的意图。要工程师满脑子都装上规范与规程，不仅浪费了时间，而 2 第1 章绪论 且阻碍了工程师的创造性，也损害了我们职业名声。工程师们变成了只是规范 的翻译、计算与制图的专家，而对更有价值的概念设计反而交给了建筑师。因 此，我们要取其精华，弃其糟粕。 1 2 2 国内研究现状 在国内，预应力混凝土在我国运用已经有五十年的历史了，对高强钢筋的 无粘结预应力混凝上受弯构件的研究不足，几乎为零。2 0 世纪8 0 到9 0 年代期 间有很多学者对配置普通钢筋的无粘结预应力增量作了大量的研究【1 5 。17 。要准 确地计算无粘结部分预应力混凝土受弯构件的变形性能，就要准确把握无粘结 部分预应力混凝土受弯构件中无粘结筋的应力增长规律；要准确的计算无粘结 部分预应力混凝土受弯构件的正截面极限承载力，就要把握无粘结部分预应力 混凝土受弯构件中无粘结筋极限应力增量值。使用阶段允许出现裂缝的无粘结 部分预应力混凝土受弯构件的裂缝分布规律是部分预应力混凝土结构设计中一 项重要内容，我国很多学者对此做了很多试验研究 1 8 - 2 0 i 。针对无粘结部分预应 力混凝土受弯构件在受荷过程中无粘结筋不符合变形平截面假定的特点，基于 模型试验和大量仿真分析结果，概括起来可以分为三类：等刚度法；弯矩 曲率非线性分析方法；能量法。 1 3 本文的主要工作 1 3 1 主要研究内容及拟解决的关键技术 1 主要研究内容 基于以前学者的研究成果，对预应力混凝土受弯构件裂缝、刚度及承载 力的影响凶素进行理论分析。 配置高强钢筋的无粘结预应力混凝土构件受弯性能试验。包括试验仪器 设备、试验内容、试验原理、数据处理、结果分析和讨论等内容，总结高强钢 筋无粘结预应力混凝土构件受弯性能的一般规律。 结合已有的分析结果，对比各国规范和以前学者的研究成果，提出合理 的建议。 3 第1 章绪论 2 拟解决的关键技术 如何得出在极限承载力状态下预应力增量的计算公式。 如何得出在正常使用阶段受弯构件的刚度计算公式。 如何得出在正常使用阶段受弯构件的裂缝宽度计算公式。 1 3 2 拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析 1 研究方法 本课题依托同济大学同家重点实验室的优势资源，做四根梁的实验，利用 观测所得到的数据进行分析和研究。利用搜集的实验数据和此次的实验数据对 规程模式进行评析，主要采用拟合和回归两种方式。 2 技术路线和实施方案 查阅相关文献资料，了解和把握目前国内外对配置高强钢筋的无粘结预 应力混凝土构件受弯性能试验研究方面的主要成果、研究进展以及尚未解决和 有待进一步解决的问题。通过全面研究国内外的实验数据和经验公式、规范及 规程，了解本课题研究关键技术及可行性。其巾要解决的关键技术难题在于如 何提出配制高强钢筋以后梁的裂缝、刚度及极限应力公式。 本次试验的四根梁：提出具体的实验方案，主要考虑梁的截面尺寸，配 筋率和钢筋强度等级的影响。对四根梁进行实验观测，依据试验原理对试验数 据进行分析。 对处理结果进行对比分析，总结配置高强钢筋无粘结预应力混凝土构件 受弯性能试验研究的一般规律。 通过对实验数据的回归拟合并结合已有成果资料，整理试验数据，通过 对比分析，得出梁的裂缝、刚度及极限应力增量计算公式，提出一些合理的计 算建议。 3 可行性分析 自四十年代以来，国内外对无粘结预应力混凝土构件做了广泛的研究。 包括现场观测、模型试验和理论研究等。国内外对无粘结预应力混凝土构件的 研究经历了从半理论到实践，再从实践产生新理论的循环过程，到2 1 世纪的今 天，有关无粘结预应力混凝土构件受的研究已经建寺了相对较为完善的理论体 系，各国根据这些研究理论和成果也都制定了相应的规范用于指导工程实践。 4 第1 章绪论 以上前人所得到的科研成果是本课题的理论基础。 同济大学建筑工程系预应力研究所在本课题之前对无粘结预应力混凝 土构件问题作了大量的研究工作，积累了大量的经验并取得了一定的研究成果， 为本课题的研究提供了实践基础。 5 第2 章无粘结预应力混凝上梁受弯性能试验方案 第2 章无粘结预应力混凝土梁受弯性能试验方案 2 1 试验研究目的 后张无粘结预应力混凝土梁的裂缝宽度、刚度和抗弯承载力，从而评估无 粘结预应力混凝土结构设计规程( j g j9 2 2 0 0 4 ) 及混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 2 0 0 2 ) 中关于裂缝宽度、刚度及抗弯承载力的计算公式。 2 2 试件设计 2 2 1 参数的确定 1 混凝土：c 5 0 。 2 非预应力筋：圣h r b 5 0 0 级钢筋，虫h r b 3 3 5 级钢筋，矽h p b 2 3 5 级钢筋。 3 预应力筋：l 7 标准型5 1 5 2 低松弛钢绞线，采用直线布筋。 4 民o 。：采用一端张拉o e o 。= 0 5 f p t k 。 5 其他参数：梁的纯弯段未配置箍筋；非预应力筋保护层厚度均为3 0 r a m 。 2 2 2 试件尺寸及配筋情况 各试件尺寸及配筋情况见表2 1 所示，试件详图如图2 1 - 2 8 。 c 1 =。 c 1 l 8 0 0 延 i 1 1 丹h 辱h - h h - i e _ f fli r ll ii li i l 上i i i2 ，l 1 1 2 0 0 k 1 0 5 0 2 2 5 0 _ 4 5 0 0 丫l1 3 图2 1y l i 、y l 3 剖面图 6 一王 第2 章无粘结预应力混凝土梁受弯性能试验方案 g 1g 1 图2 2y l l 、y l 3 俯视图 丫l1 1 1 ( y l 3 ) 1 ￥旦年5 预应力锚垫板 丫l 1 2 2 ( y l 3 ) 图2 3y l l 、y l 3 剖面图 4 * 8 5 0 钢筋网片 扛斗斗掣 g1 图2 4y l i 、y l 3 预应力锚具垫板、钢筋网片和吊钩配筋 7 乱鼍茅 匾 螂犟。 珲 旧耕一 3 菲一 第2 章无粘结预应力混凝上梁受弯性能试验方案 3 c 1 一。 g 1k 8 0 0 彳i 2 i 1 弋1 对h 牛h 丰卅 ii l 广 l | li ii | ji l | | l2 1 1 1 2 0 0 l 1 0 5 0 2 2 5 0 1呵 4 5 0 0 图2 5 y l 2 、y l 4 剖面图 g 1 图2 6 y l 2 、y l 4 俯视图 y l 2 1 1 ( y l 4 ) y l 2 旦 ( y l 4 ) 图2 7 y l 2 、y l 4 剖面图 8 一王 夏 jlilillii上 r。导一 一。s【一一。一 一 第2 章无粘结预应力混凝土梁受弯性能试验方案 预应力锚垫板扛斗斗马 c1 图2 8y l 2 、y l 4 预应力锚具垫板、钢筋网片和吊钩配筋 表2 1 预应力试验梁截面信息 2 3 加载方式 2 3 1 加载简图 加载简图如图2 9 所示。 图2 9 加载简图 9 塑一 第2 章兀融结预应力混凝土梁受弯性能试验方案 2 32 加载装置 将试验粱设计成三跨，跨中为纯弯段( 粱上部受拉) 。采用两点集中对称的 同步分级加载方式，由千斤顶及反力梁施加压力，压力传感器测定荷载值。粱 支座留出1 5 0 r a m ，梁的加载装置如图21 0 所示。 毕啦堕o _ 上业l l 蝌 ， i 一试验粱，2 - - 固定铰支座：3 一滚动铰支摩；4 一支墩；5 一反力粱及炮门架；6 一千斤顶 罔2 1 0 加载装兄 23 3 加载标准 加载设各为千斤顶。钢筋屈服前，采用力控制，分级加载，每级荷载为l l o p 。 加载至制筋屈服后，改由位移控制。加载设各如图2 】i 所示。 2 4 量测内容 图2j i 加载设备 2 t1 非预应力受拉钢筋应变测量 在非预应力受拉钢筋中部粘贴电阻应变片，以量测加载过程中非预应力受 第2 章无粘结预应力混凝上梁受弯性能试验方案 拉钢筋的应力变化。测点布置如图2 1 2 所示。 g 一2 ( g $ 一5 ) 正面( 反面) i 1 纵筋应变片布置及编号图 1 环丽丙r 一 图2 1 2 非预应力筋测点布置图 2 4 2 预应力筋张拉制度及应力测量 预应力钢绞线单端张拉，采用5 级张拉。预应力筋应力由压力传感器直接 测定。 2 4 3 侧面混凝土应变测量 在梁跨中- - n 面粘贴位移计，标距为2 0 0 ( m m ) 和2 5 0 ( r a m ) ，以量测梁侧面混 凝土沿截面高度的应变分布规律，并由此分析出梁跨中的平均曲率。测点布置 如图2 1 3 所示。 混凝土应变测点布置图 ，f 。二c 测点高度 - 秉编号 n 1 h 2h j h 4 n 1ry l l2 09 52 1 4, 3 6 3 y l 23 7 52 2 5 3 0 0 4 0 0 r 一 一y l 33 7517 03 0 0 4 0 0 h 一1 y l 43 751 ，027 03 7 0 ”“h * - 2 图2 1 3 混凝十测点布置图 2 4 4 挠度测量 将5 个位移计分别置于梁的两端支座及跨c f l 纯弯段处，以量测两端支座的沉 筇2 章七枯结预应力混凝上粱受弯性能吐验方案 降坼 岍) 及跨中的挠度哂、 啪) 。测点布置如图2 1 4 所示 丽丽；压赢 1 5 0 挠& 测 布i 目 15 0 # i 幽21 4 挠度测点m i 置嘲 2 5 裂缝观测 试验前将梁的两侧面用石灰浆刷白，t f ：绘t j 5 0 m m 5 0 r a m 的网格。粱开裂后 立即对裂缝的发生发展情况进行详细) 2 i ! 测，用裂缝读数仪量测各级荷载 ( 04 p u 08 p u ) 作用下的裂缝宽度、长度及裂缝删距，并绘制裂缝开展图。裂缝 宽度的测量位置包括粱侧面非预应力受拉钢筋处、粱边缘处及预应力筋位置处。 实验前对加栽设备的传感器进行标定，标定结果四次，结果分别为 1 87 2 肛k n 、1 8 3 4 u f , k n 、1 93 5 帅n 及1 89 叽n 符合精度要求。预应力张拉 及应山测盘如j 圣| 21 5 所示，梁侧面位移计布最如嘲21 6 所示，挠度测点布置| 鳘| 如 图2 1 7 所示为方便裂缝观测设置的网格线如图21 8 所示。 图21 5 顶应力张拉及应力测 l 翻2t 6 辩侧面位移计布置 第2 章无粘结预应力混凝土粱受弯性能试验方案 泌嘲嘲 豳堂一一 圄2 1 7 挠度测点布置罔图2 1 8 网格线圈 在实验过程巾，随着荷载的增大，首先在粱受拉区出现第一批裂缝。第一批 裂缝般有l 一2 条。当加荷至使爿j 荷载时，裂缝已基本出齐，并展开定的宽度， 在纯弯段，裂缝分布比较均匀。破坏之前有明显的变形，由于纯弯段来配置箍 筋，梁受压区混凝土崩裂破坏。考虑到安全问题，y l 2 自u 载至受压区出现裂缝后 就停止加载。粱的破坏形态如图21 9 - 22 2 所示。 图2 1 9 y l i 破坏形态蒋2 , 2 0 y l 2 破坏形寿 固2 2 1 y l 3 破坏形态田2 2 2 y l 4 破坏形态 酾鬈， 第3 章无粘结预应力混凝土受弯构件试验分析 第3 章无粘结预应力混凝土受弯构件试验分析 3 1 无粘结预应力混凝土受弯构件极限承载力 本次实验的四根简支梁的几何尺寸、混凝土强度等级、普通钢筋面积、预应 力筋面积和张拉力相同，综合配筋指标的变化主要来自预应力筋位置的不同， 四根梁的主要实测参数见表3 1 所示： 表3 i 预应力试验梁实测数据 预应力筋的极限应力增量与荷载的关系曲线如图3 1 3 4 所示。y l l y l 4 在各 级荷载下实测压力和应力增量见表3 2 所示： 表3 2 预应力试验梁y l l y l 4 各级荷载下实测压力和应力增最表 加载等级0l23456789 p i ( k n ) o 3 67 2 1 0 81 4 4 1 7 8 2 1 32 5 0 2 8 6 4 0 5 彳c r p i ( n m m 2 )0 6 2 1 4 4 2 2 83 0 8 4 4 9 8 0 91 2 3 5 1 6 2 7 3 4 0 p 2 ( k n ) 03 26 49 61 2 7 1 5 9 1 9 l2 2 4 2 7 4 3 5 1 l a p 2 ( n r a m 2 ) o1 1 41 5 11 9 42 3 8 4 3 2 6 6 49 8 2 1 4 6 9 2 6 4 p 3 ( k n ) 03 i 6 4 9 61 2 5 1 6 0 1 9 12 2 3 2 7 5 3 6 3 4 唧3 ( n r a m 2 ) 0 2 3 3 6 9 7 1 7 1 2 6 1 4 9 87 9 2 1 3 7 8 3 0 1 p 4 ( k n ) o3 16 49 41 2 7 1 5 9 1 9 l2 2 4 2 7 5 3 6 0 d t r p 4 ( n m m 2 ) 03 27 81 2 61 7 8 3 6 2 6 0 98 8 9 1 3 8 7 3 0 9 备注：p i ，a a p l 为y l l 荷载与应力增鼍；p 2 ，d a p 2 为y l 2 衙载与应力增最；p 3 ，d a p 3 为y l 3 荷载与应力增最；1 4 ，彳啊为y l 4 荷载与应力增量。 1 4 第3 章无粘结预应力混凝土受弯构件试验分析 4 5 0 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 o 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 o 01 0 02 0 03 0 04 0 0 a o - p ( m p a ) 图3 1y l l 荷载与预应力增量曲线 01 0 02 0 03 0 04 0 0 a o p ( u p a ) 图3 2y l 2 荷载与预应力增量曲线 o1 0 02 0 03 0 04 0 0 a o p ( m p a ) 第3 章无粘结预应力混凝土受弯构件试验分析 图3 3y l 3 荷载与预应力增量曲线 01 0 02 0 03 0 04 0 0 a o p ( m p a ) 图3 4y l 4 倚载与预应力增量曲线 由图3 1 3 4 ，荷载作用卜，p o d 关系曲线仍成三折线关系，梁开裂前为第l 阶 段，此时p a a 。关系曲线呈线性关系，梁的变形小，相应地a a p d , ，例如，此阶段 梁y l i 的应力增量只占到极限应力增量o 。的9 0 6 ，梁y l 2 的应力增量只占到极 限应力增量o 。的5 6 8 。梁开裂后为第2 阶段，梁处在开裂后的近似弹性阶段， 由于细微裂缝的生成和发展，p 关系曲线出现偏转，偏转后曲线仍可近似地看 作是直线。非预应力筋普通钢筋屈服后到混凝土压碎为第3 阶段，其钢筋屈服使梁 整体变形迅速增加，预应力筋的应力增量也随之增加并达到极限应：? t j ( y p u ，p - a 关系曲线为较平缓的逐渐弯曲曲线。 3 2 无粘结预应力混凝土受弯构件刚度 无粘结预应力混凝土受弯构件变形性能 荷载挠度曲线足无粘结部分预应力混凝土受弯构件刚度性能的重要反应。 其荷载一挠度曲线( 短期加载，荷载从零加到破坏) 如图3 5 _ 3 8 所示。从坐标原 点开始的第一段直线反映开裂前的弹性工作阶段，第二段直线反映梁出现裂缝 后的开裂弹性工作阶段。曲率咖l 由混凝土侧面位移计测量算出，曲率4 , 2 由梁底 面位移计测量算出。 曲率咖卜咖z 计算公式为： ap 氟= 等 ( 3 1 ) 1 6 o 0 o o o 0 o o o 们踮拍寻坫m 5 第3 章无粘结预应力混凝土受弯构件试验分析 晚2 雷 式中，为侧而混凝土应变差值； h 为相应应变处距离； 矽为位移计石到石之间梁挠度值； 户为位移计五到石之间的距离。 l o 9 0 8 o 7 o 6 0 5 0 4 o 3 o 2 0 1 0 1 0 9 0 8 o 7 o 6 0 5 o 4 0 3 0 2 0 1 o o2468 曲率由 图3 5y l i 荷载曲率曲线( 巾1 0 6 ) o2468 曲率由 图3 6 y l 2 荷载曲率曲线( 巾1 0 6 ) ( 3 2 ) 第3 章无粘结预应力混凝上受弯构件试验分析 1 o 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 o 1 o 9 0 8 0 7 o 6 o 5 0 4 0 3 o 2 0 1 o o2468 曲率由 图3 7y l 3 荷载曲率曲线( 巾x 1 0 6 ) o2468 曲率由1 图3 8y l 4 荷载曲率曲线( d p x l 0 6 ) 由图3 5 3 8 ，相同荷载等级下的曲率多l 、西2 非常接近，实测的刚度数据是 可靠的。图3 9 3 1 2 为粱截面混凝土应变关系，符合，f 截面假定。 第3 章无粘结预应力混凝上受弯构件试验分析 - 2 0 0 0 - 1 5 0 0 1 0 0 0- 5 0 005 0 01 0 0 01 5 0 0 平均应变( 斗) 图3 9y l i 梁截面混凝土平均应变关系 一1 0 0 05 0 005 0 01 0 0 0 平均应变( ue ) 图3 1 0y l 2 梁截面混凝土平均应变关系 - 2 0 0 0一1 5 0 0- 1 0 0 05 0 005 0 0 1 0 0 0 平均应变( ue ) 筇3 章无粘结预应力混凝土受弯构件试验分析 图3 1 ly l 3 梁截面混凝十甲均应变关系 梁截而高度 3 5 0 ：厢 砂。 一0 4 m u _ h 0 5 m u 一0 6 m u q m 0 7 m u q - 一0 8 m u 一2 0 0 0- 15 0 0- 1 0 0 0- 5 0 005 0 0 平均应变( p ) 图3 1 2y l 4 梁截面混凝十甲均应变关系 3 3 无粘结预应力混凝土受弯构件裂缝 3 3 1 裂缝展开图 y l l 正面 y l l 反面 2 0 第3 章无粘结预应力混凝上受弯构件试验分析 9 占5 吃铲。当匕苫爿0 1 i ； 兰岁 y l2 正面 y l 2 反面 y l 3 正面 y 髟甚 苌( 岁乏孑声 苫影 乞 丫l3 反面 y l3 底面 第3 章无粘结预应力混凝上受弯构件试验分析 y l4 正面 产挺5 链氍甑7 涝暂 y l4 底面 y l 4 反面 图3 1 3y l l y l 4 裂缝展开图 裂缝开始出现有1 2 条，随着荷载的增加，裂缝逐渐增多，裂缝分布比较均 匀，在第七级荷载作用下，裂缝出齐。本次实验对梁的正反面和底面裂缝宽度 做了详细的记录，比较发现，梁侧面混凝土裂缝较大，考虑到梁反面位移计的 影响，下面只对梁正面裂缝宽度进行分析。 3 3 2 短期裂缝宽度扩大系数b 值。 t = 1 o + 1 6 4 5 5 ,( 3 3 ) 下表给出了四根梁正面不同荷载等级和不同位置处短期裂缝宽度扩大系数 表3 3 y l l 一y l 4t 。实测值 梁编衙载等 k 边缘处普通钢筋处预应力筋和非预应力筋预应力筋处 号级 均值( r a m ) ( m m )重心处( m m ) ( r a m ) 0 5 m u 1 4 31 6 31 5 50 y l l 0 6 m u 1 5 8 1 6 41 5 11 5 4 1 5 0 7 m u 1 6 4 1 5 2 1 5 41 4 9 0 8 m u1 5 31 7 41 7 71 6 9 2 2 第3 章无粘结预应力混凝土受弯构件试验分析 3 3 3 平均裂缝间距，c ， 0 ：1 9 c + 0 o s a , q p 幢 剔除次生裂缝后裂缝间距实测值如表3 4 所示。 表3 4 y l l y l 4 四根梁k 实测值 ( 3 4 ) y l l y l 3 o 5 m u 0 6 m u o 7 m u 0 8 m u o 5 m u o 6 m u o 7 m u 正面 反面 正面 反面 正面 反而 止面 底面 反面 正面 反面 正面 反面 正面 反面 1 9 0 0 1 9 7 5 2 0 3 0 1 9 7 5 2 0 3 0 1 9 7 5 2 0 3 0 2 0 4 0 1 9 7 5 1 9 5 0 1 9 8 0 1 9 7 0 1 9 5 0 1 9 8 0 1 9 7 0 2 3 3 1 6 2 4 7 1 5 6 1 5 2 1 5 6 1 5 2 1 5 6 1 5 7 1 5 2 1 6 3 1 9 8 2 1 9 1 7 7 1 8 0 1 6 4 1 8 3 1 8 4 7 9 h m m m m h m j u m 坨抡挖 第3 章无粘结预应力混凝土受弯构件试验分析 y l 3 y l 4 0 8 m 。u 0 5 1 v l 。u 0 6 m 。1 1 0 7 m 。u 0 8 m 。u 0 5 m 。u 0 6 m 。u 0 7 m 。u 0 8 m 。u 正面 底面 反面 正面 底面 反面 正面 底面 反面 正面 底面 反面 正面 底面 反面 正面 底面 反面 正面 底面 反面 正面 底面 反面 正面 底面 反面 1 9 5 0 1 9 8 0 1 9 7 0 1 0 6 0 2 0 0 0 2 1 0 0 2 0 0 0 2 1 0 0 2 0 0 0 2 l o o 2 0 0 0 2 0 0 0 1 0 6 0 2 0 0 0 2 l o o 1 8 9 0 1 9 0 0 2 1 0 0 2 1 0 5 1 9 0 0 2 1 0 0 2 1 0 5 1 9 0 0 2 l o o 2 1 0 5 1 9 0 0 2 1 0 0 1 6 3 1 9 8 2 1 9 2 1 2 2 2 2 1 7 5 2 0 0 1 7 5 2 0 0 1 7 5 1 6 7 2 0 0 2 1 2 2 2 2 1 7 5 2 1 0 1 9 0 2 3 3 1 6 2 1 9 0 2 l o 1 6 2 1 9 0 2 1 0 1 6 2 1 9 0 2 1 0 1 9 2 1 9 3 l 1 与y l 2 实测裂缝间距相同，y l 3 与y l 4 实测裂缝间距相同，说明预应力 筋单根放置和成束放置对裂缝间距没有影响。 3 3 4 不同位置处裂缝关系 图3 1 4 ，编号1 为梁正面边缘处裂缝：编号2 为梁正而普通钢筋处裂缝； 编号3 为梁f 面预应力筋处裂缝。四根梁在不同荷载等级下，不i 一位置处最大 裂缝宽度表3 5 所示。 2 4 抡n m 6 m b b b b n 6 m m u m b n 挖b u 抡b 眩 第3 章无粘结预应力混凝上受弯构件试验分析 3 2 1 图3 1 4 短期最大裂缝位置示意图 表3 5 不同位置短期最大裂缝宽度关系 y l l y l 2 y l 3 y l 4 l8 6 2 90 0 60 0 70 0 4 2 2 4 2 6 2 3 0 0 1 6 7 2 4 2 0 0 7 2 3 5 6 8 2 8 7 9 6 1 6 8 3 7 1 9 9 5 8 2 3 3 8 2 8 8 3 1 6 6 4 9 2 0 0 7 l 2 3 5 3 2 8 9 0 8 0 1 3 0 2 0 0 2 5 o 0 9 o 1 8 o 2 4 o 3 7 0 0 7 0 1 2 o 1 4 0 2 6 o 0 6 o 1 5 0 2 2 0 2 5 0 0 8 o 0 8 0 2 3 0 0 7 o 1 6 0 2 6 o 3 6 0 0 4 0 1 0 0 1 2 0 2 4 0 0 3 0 0 9 0 2 l 0 1 9 0 0 9 o 0 8 0 2 2 0 0 6 8 0 1 3 0 1 9 o 2 9 o 0 3 o 0 8 0 1 l 0 2 1 0 0 1 0 0 1 6 o 2 1 由表3 5 可见梁边缘处裂缝宽度相对于普通钢筋处和预应力筋位置处裂缝 宽度大。 3 4 小结 1 通过试验数据分析可知，极限承载力计算值偏小，一般偏小一到两个加载等 2 5 第3 章无粘结预应力混凝土受弯构件试验分析 级，即3 0 6 0 k n m ，占极限承载力的1 0 1 5 ，偏于保守、安全。 2 通过试验数据分析可知，极限应力增量计算值偏小，本次四根梁极限应力增 量计算值为8 4n m m 2 ，实测值在3 0 0n r a m 2 左右，计算偏于保守、安全。 3 通过实验数据分析可知，西l 、多2 计算值偏差在5 以内，说明本次实验刚度 数据是可靠、正确的；同时验证了平截而假定的正确性。 4 通过实验数据分析可知，裂缝分布比较均匀与普通钢筋混凝土梁相似，通过 不同侧面混凝土最大裂缝数据统计发现，侧面边缘处裂缝宽度最大，建议在试 验过程中更多的关注侧面混凝土边缘处裂缝宽度；短期裂缝扩大系数 1 7 。计算值 与实测值吻合较好；平均裂缝宽度计算值与实测值基本吻合，随着预应力钢筋 重心h o 的减小，裂缝宽度有增大的趋势。 2 6 第4 章无粘结预应力混凝土受弯构件性能研究 第4 章无粘结预应力混凝土受弯构件性能研究 4 1 无粘结预应力混凝土受弯构件极限承载力研究 极限抗弯承载力直接影响到结构的安全，也是无粘结预应力混凝土受弯构 件承载能力极限状态验算的一个重要内容，是工程设计必须满足的基本要求。 4 1 1 基本原则 在计算预应力混凝土受弯构件正截面抗弯承载力时，基本假定如下： 1 截面的变形除了无粘结筋之外，都符合平截面假定。 2 不考虑受拉区混凝土的抗拉强度。 3 极限状态f 混凝土的压应力分布图形等效为矩形。 4 钢筋及混凝土的本够关系为已知。 5 无粘结筋的极限应力。通过计算为已知。 6 当受压区混凝土达到极限压应变，或者受拉区非预应力钢筋达到屈服时， 所承受的弯矩为极限弯矩。 7 构件不发生剪切破坏，同时满足构造要求。 4 1 2 抗弯承载力计算 受弯构件正截面抗弯强度m u 的计算与通常的部分预应力混凝土受弯构件的 计算方法一样。以矩形截面为例，在基本假定条件之下，受弯构件的正截面抗 弯承载力计算。 根据截而的平衡方程： x = of b x = l 4 + 4 ( 4 1 ) m = o 坂= f o b x ( h o i x ) ( 4 2 ) 一 7 l 式中， o - 无粘结预应力筋和普通钢筋合力点至截面受压区边缘的距离，按 下式计算： = ( 4 c r p 。名+ 4 魄) ( 4 c r p 。+ 4 ) ( 4 3 ) 2 7 第4 章无粘结预应力混凝上受弯构件性能研究 式中，詹一实测混凝土轴心抗压强度，受压区混凝土应力取等效矩形块，均 布应力取o - 。= a l 艰，系数a l 取值可以参见我国混凝土结构设计规范 ( g b 5 0 01 - 2 0 0 2 ) 。 无一普通钢筋屈服强度； 唧广无粘结预应力筋的极限应力；唧。= a p e + a a p f p y 。 无粘结预应力筋有效应力的计算比较容易，因此，无粘结预应力混凝土受 弯构件的极限抗弯承载力计算，已经演变为求预应力筋的极限应力。 4 2 无粘结预应力筋的极限应力研究 由于无粘结预应力受弯构件中的预应力筋与周围混凝土不粘结并可相对滑 动，因而，预应力的极限应力并非仅决定于弯矩最大截面，而且与受弯构件的 总体变形情况有关。合理计算无粘结预应力钢筋( 以下简称无粘结筋) 应力增量极 限值是准确计算无粘结预应力混凝土梁抗弯承载力的前提和基础。无粘结预应 力受弯构件极限应力增量一般来说是指：构件承载能力极限状态时预应力钢筋 极限应力值减去有效应力值。无粘结预应力混凝土结构技术规程( j g j 9 2 2 0 0 4 ) 认为影响无粘结筋应力增量极限值的主要冈素为预应力混凝土受弯构件的跨高 比和综合配筋指标。 影响无粘结预应力混凝土受弯构件极限应力增量的因素主要有【2 1 】：预应力筋 和非预应力筋面积、钢筋和混凝土的强度与性能、试验前的有效预应力、跨高 比、预应力筋的线型、荷载形式等。目前，国内外关于极限应力增量的研究主 要有两种途径：第一种侧重于理论分析，研究者首先引入一些相关的基本假定， 通过分析，对极限应力增量建立一个多参数的表达式，确定一个或者多个特征 参数，然后借助试验确定出这些参数的合理估计值，最后给出极限应力增量的 计算公式。如，b a k e r t 2 2 】提出的折减系数法；n a a m a n a e t 2 3 】提出的应变降低系 数法；p a n e l l l 2 4 】提出的基于等效塑性区长度的计算公式，杜进生【2 5 j 等人提出的等 效塑性区法；第二种以试验研究为主，通过大量的试验进行统计分析，找出极 限应力增量与这些因素的相关关系。近几年，有一部分学者利用能量变分法求 极限应力增量也取得了一定的成果。如申同生b 6 l 的能量变分法。 第4 章无粘结预应力混凝土受弯构件性能研究 4 2 1 试验参数分析 为了对无粘结部分预应力受弯构件的极限应力增量有个规律性的认识，本 文收集整理了国内外无粘结部分预应力混凝土梁极限应力增量试验数据【1 2 】，【1 5 】 2 7 - 3 3 1 和本文的四根梁实验数据，对无粘结预应力极限应力增量参数进行分析。 1 跨高比对极限应力增量的影响 图4 1 4 3 分别给出了综合配筋指标基本相同的条件下跨高比对极限应力增量的 影响。 o 1 02 03 04 0 l h p 图4 1 跨高比对极限应力增量的影响 o 图4 2 跨高比对极限应力增量的影响 2 9 o o o o 0 o 0 o o 伯 的 加 加 0 o 0 o o 0 o 印 的 如 加 加 第4 章无粘结预应力混凝土受弯构件性能研究 ol o 2 03 04 05 0 l h p 图4 3 跨高比对极限应力增量的影响 跨高比对无粘结部分预应力混凝土构件极限应力增量的影响