预应力混凝土连续梁施工张拉状态分析

预应力混凝土连续梁施工张拉状态分析

1预应力筋及检测该项目建筑面积为1499.34平方米，地上建筑面积为三层，上层高度为6.9米。这个区域的建筑面积为22.4米。预应力梁位于首层至层3楼面,梁截面为450×900,框架柱截面尺寸为600×600,梁的跨度有单跨和双跨连续梁两种形式。单跨梁为18m,双跨连续梁为19.5m+19.5m。连续梁33根,单跨梁6根。每根梁均配三束7ϕs15钢绞线,曲线布筋,预应力筋布置示意如图1所示。预应力筋束的面积AP=140mm2,柱距6m,预应力梁间距为3m,分柱上梁和梁上梁两种形式。所有预应力梁均为后张有粘结部分预应力梁。混凝土的实测强度如表1所示。由于工程的特殊性,荷载情况复杂,跨度大,对大梁的抗裂度及变形要求严格,为了安全起见,对张拉阶段结构的工作性能和状态进行了全程监测。并将结构的受力、变形等信息及时反馈,以指导施工,控制变形,并验证设计的合理性。同时,为了更好地对预应力结构及预应力损失进行研究,进行了这次现场的张拉控制参数的实测研究。2社会反拱值和柱向压缩值此次共测试了8根预应力连续梁,其中有6根楼面梁,2根屋面梁。主要测试和分析在张拉施工阶段的预应力摩擦损失、张拉预应力筋时梁产生的反拱值、梁的轴向压缩值及下层柱的相对变位值和框架梁沿截面高度方向的混凝土应变。张拉预应力时梁产生的反拱值采用Ni-007蔡司自动安平水准仪测量,测量时沿梁长每2m布置两个固定点,两个固定点沿梁的纵轴线两边等距布置,各距纵轴线100mm,如图2所示。梁的轴向压缩值及下层柱的相对变位值采用沿柱纵向高度预埋测斜仪轨道,用测斜仪沿柱高每500mm测量一个值;在梁的跨中截面和支座截面,沿梁高度方向等间距安装5条脚标,标距250mm,通过手持应变仪测试混凝土应变,换算成混凝土应力,见图3。3测试结果和分析3.1预应力筋张拉伸长对摩擦系数的影响由于预应力张拉属于隐蔽工程,在实际的施工过程中,难免会引起各种误差,而与设计时预应力损失的计算值有一些差别,因而准确地取值对于重要的建筑就显得尤为重要。经过对6根预应力连续梁的实测分析(有2根梁的测试数据有误),得测试结果见表2。通过对比可知,实测摩擦系数要远大于规范值。根据近年来对较长预应力结构的测试结果分析发现,我国规范中的摩擦系数取值偏低,按国内当前的施工水平通常难以保证预应力摩擦损失满足设计要求。通过表2可以看出:摩擦系数μ和预应力筋的预应力水平有关,摩擦系数一般随应力水平的提高而减小。研究资料表明,一般张拉应力达到0.7fptk后μ值才趋于稳定,μ实际上是与预应力筋应力水平有关的变量,低应力水平下的μ要比高应力水平下的μ大得多。我国规范中列出的摩擦系数,是在条件较为理想的试验室中,通过对不同的试件进行测试得出的。由于现阶段我国施工水平以及各方面条件的限制,在实际的施工过程中,预应力筋曲线长且形式多样的结构,特别是较长预应力结构,由于其结构复杂,加之施工时有可能造成预埋波纹管漏浆,且预应力张拉属于隐蔽工程,施工质量往往很难保证。因此实际工程与要求有一定的差别。在设计计算孔道摩擦系数时根据规范取κ=0.0015,由于上述影响因素对κ,μ值作用是相同的,都会引起其值的偏差。根据此次实际工程的实测分析可知,κ值远远大于规范值,这样就会将这一误差传递给μ值,从而引起实测摩擦系数μ值的偏大。同时考虑到应力水平对摩擦系数的影响以及参考国内外的相关研究资料,建议对于较长预应力结构,将规范中钢绞线预应力筋(波纹管孔道)的κ值和μ值可适当放大,κ值取0.003~0.0035,μ值取0.35与实测结果较为吻合。3.2拱值的分布通过对实测梁的反拱值的分析可知(见图4),由于支座部位的约束和预应力筋穿越梁轴线,所测支座部位的反拱值为0,而跨中呈曲线状向上拱,反拱值的分布趋势与理论分析较为吻合。3.3高强预应力混凝土截面对图4的测试结果进行分析可以看出:混凝土梁顶和梁底的应力分布规律基本符合预应力等效荷载作用所产生的应力分布;高强预应力混凝土截面变形基本符合平截面假定。另外,通过对测试数据的计算分析以及实测观察可以看出:该实测连续梁在张拉阶段未达到混凝土的抗拉设计强度,从而可以认为该连续梁在施工阶段处于弹性阶段,可按弹性方法分析施工阶段梁的内力变化。3.4内跨梁约束的影响超静定预应力混凝土结构的内力计算方法是基于预应力混凝土连续梁结构的工作原理建立起来的,可用于精确计算无侧限的预应力混凝土结构。但若用于有侧向约束的结构时,由于垂直预应力梁轴线方向的构件(梁上梁)均有一定的侧向扭转刚度,会约束梁或板水平方向的受力变形,从而影响预应力在这些构件中的传递,特别是当垂直构件侧向扭转刚度较大时,其影响更大。若不加以考虑,可能会造成这些构件的承载力计算值大于实际值,挠度及裂缝宽度计算值则较实际值小,从而使实际构件的刚度较计算值偏小。此外,侧向约束还将在垂直预应力梁的构件中引起附加扭矩。并且,随着柱刚度以及跨度的增大,侧向约束的影响将更加明显;随着跨数的增加,内跨梁的预压力也将大幅减少。本次实测的工程,由于梁的跨度大,故对于两跨连续梁进行了侧向约束影响的实际测试和分析计算。通过计算分析可知,不考虑框架柱引起的梁预压应力减少的误差为1.5%,也就是说,对于该结构,由于框架柱约束引起的预应力梁应力减少是很小的,可以忽略。从预应力梁下柱张拉后水平位移测试结果可以看出,因张拉引起的边梁扭转角较小,最大值只有3.7′。对框架梁施加预应力后,将导致框架梁的轴向压缩,从而引起框架柱柱端的侧向位移,柱顶相对于柱底的侧移,将在柱内引起附加弯矩和在边梁中引起扭矩。根据测试结果可知,附加弯矩的值很小,由于层数较少,设计时竖向荷载起控制作用,可以不考虑附加弯矩的影响。同时由于附加弯矩是由柱及与其所有相连的边梁共同承担,框架柱实际分得的附加弯矩不大,可不加考虑。而对于梁上梁,可适当加大边梁的抗扭钢筋。4张拉阶段预应力连续梁的理论分析用ANSYS软件对后张有粘结预应力连续梁进行张拉阶段计算分析,其计算结果与实测结果对比见图5。图中,0表示中和轴位置,正负号表示中和轴上下。张拉引起的弹性反拱计算值为14.2mm,而实测反拱值平均为8.2mm,根据规范规定得出的计算值为10.2mm。理论值较实测值偏大,梁的实测反拱值小于理论值,这说明:现浇框架和楼板、梁的实际刚度大于规范计算值,现浇框架具有较好的整体刚度;混凝土浇筑质量较好。实测反拱值偏小,说明实际建立的有效预应力较理论值偏小,这也验证了前面分析中得出的实测摩擦系数较规范值偏大的结论。由图5可看出:其理论曲线几乎是线性的,从而可以认为,在张拉阶段预应力连续梁始终处于弹性阶段,对其施工阶段的计算分析可以按弹性方法进行。虽然在用ANSYS程序进行分析的时候,考虑到混凝土的材料非线性性能,但是只是对张拉锚固阶段进行测试和模拟。由于此时混凝土中建立的应力水平较低,虽具有一定的非线性性能,但仍可近似设定混凝土为线弹性材料,对计算结果影响不是很大。跨中处的应变实测值小于计算值,截面中和轴的位置较理论计算值要高。对于像这样一个大跨度连续梁板柱结构,存在一定的空间作用,并且在按框架计算时,楼板对梁的弯曲刚度具有较大的贡献。另外,通过前面的分析知道,预应力损失估算过小;柱外张拉梁内预应力筋,柱分担了部分预应力,使实际施加在梁上的预应力减小;在用ANSYS软件进行理论分析计算时,仅仅取一简支梁(并且假定两端固结)进行分析,既没有考虑板柱和次梁的影响,也没有考虑框架的空间作用,这些因素都将导致实测值小于计算值。因此,仅靠8根梁的实测结果尚不足以充分说明问题,更精确的取值有赖于大量的实际工程的现场测试数据。5预应力高强混凝土与张拉阶段的关系1)建议对于较长预应力结构将规范中钢绞线预应力筋(波纹管孔道)的κ值和μ值适当放大,κ值取0.003~0.0035,μ值取0.35。2)在张拉阶段,可以认为该连续梁处于弹性阶段,预应力